Wytwarzanie gwintów wewnętrznych w przemysłowej obróbce skrawaniem wymaga precyzyjnego dopasowania metody do właściwości obrabianego materiału, geometrii otworu oraz wymagań wydajnościowych. Trzy technologie: tradycyjna obróbka wiórowa gwintownikami, bezwiórowe wygniatanie plastyczne oraz interpolacyjna obróbka frezarska, oferują odmienne charakterystyki w zakresie trwałości narzędzi, tolerancji wymiarowej oraz czasu cyklu. Zapoznaj się z poniższą analizą techniczną, aby poznać zalety poszczególnych rozwiązań oraz wyeliminować ryzyko uszkodzenia detali podczas procesu gwintowania.

Czym charakteryzuje się kinematyka tradycyjnego nacinania gwintów w obróbce skrawaniem?

Tradycyjne nacinanie gwintów gwintownikami monolitycznymi polega na skrawaniu naddatku materiału w postaci wiórów przez krawędzie tnące zlokalizowane na nakroju narzędzia. Kinematyka tego procesu wymaga idealnej synchronizacji ruchu obrotowego wrzeciona z ruchem posuwistym wzdłuż osi otworu, przy czym posuw osiowy na jeden obrót musi być ściśle równy skokowi wykonywanego gwintu. W nowoczesnych obrabiarkach CNC realizuje się to poprzez tak zwane gwintowanie sztywne, gdzie czujnik kątowy wrzeciona bezpośrednio steruje osią Z.

Podczas nacinania gwintu krawędź tnąca narzędzia poddawana jest zmiennym obciążeniom mechanicznym i termicznym. Strefa skrawania generuje znaczne ilości ciepła na skutek tarcia wióra o powierzchnię natarcia oraz odkształcenia plastycznego skrawanej warstwy. Głównym wyzwaniem technologicznym przy tej metodzie pozostaje sprawne odprowadzanie wiórów z przestrzeni roboczej. Nieprawidłowa ewakuacja wióra prowadzi do jego zakleszczenia między częścią prowadzącą gwintownika a ścianką gwintu, co wywołuje skokowy wzrost momentu obrotowego, mikrowykruszenia ostrza, a w skrajnych przypadkach pęknięcie narzędzia wewnątrz otworu.

Kiedy gwintowniki do otworów przelotowych stają się najbardziej trafnym wyborem technologicznym?

W przypadku obróbki otworów otwartych na wylot najlepsze rezultaty produkcyjne zapewniają gwintowniki do otworów przelotowych. Konstrukcja tych narzędzi opiera się na zastosowaniu prostych rowków wiórowych oraz specjalnego nakroju ze skośną powierzchnią natarcia (tzw. nakrój typu B, obejmujący z reguły od 3,5 do 5 zwojów). Geometria ta zmienia kierunek spływu powstającego wióra: zamiast unosić się ku górze wzdłuż narzędzia, wiór jest spychany w dół, przed czoło gwintownika, i swobodnie ewakuowany przez wylot otworu.

Zastosowanie prostych rowków pozwala zachować większy przekrój poprzeczny rdzenia narzędzia w porównaniu do modeli ze skrętną linią rowkową. Przekłada się to bezpośrednio na wyższą sztywność, redukując podatność narzędzia na odkształcenia sprężyste pod obciążeniem. Dzięki temu możliwa jest obróbka z wyższymi prędkościami skrawania oraz zachowanie wysokiej dokładności osiowej. Narzędzia tego typu zdają egzamin w obróbce materiałów dających długi wiór, takich jak stale konstrukcyjne, stale nierdzewne austenityczne czy plastyczne stopy aluminium.

Jakie wyzwania niesie obróbka gwintów w otworach nieprzelotowych?

Wytwarzanie zarysu gwintu w otworach ślepych (nieprzelotowych) stawia odmienne wymagania przed konstrukcją narzędzia skrawającego. Z racji braku wylotu na dnie otworu, wióry muszą być ewakuowane w kierunku chwytu narzędzia, przeciwnym do kierunku posuwu roboczego. W tym celu stosuje się gwintowniki ze skrętnymi rowkami wiórowymi o kącie linii śrubowej zazwyczaj wynoszącym od 15° do 45°, wyposażone w krótki nakrój (typ C: 2–3 zwoje, lub typ E: 1,5–2 zwoje).

Kąt linii śrubowej działa jak przenośnik ślimakowy, podnosząc wióry w górę i zapobiegając ich gromadzeniu się na dnie otworu. Należy jednak pamiętać, że obecność głębokich spiralnych rowków zmniejsza przekrój rdzenia gwintownika, obniżając jego odporność na skręcanie. W obróbce otworów nieprzelotowych istotne znaczenie ma precyzyjne ustalenie głębokości wiercenia wstępnego. Przestrzeń na dnie otworu musi pomieścić nie tylko nakrój narzędzia, ale również pozostałość drobnych wiórów, zapobiegając uderzeniu czoła gwintownika o dno, co prowadzi do natychmiastowego zniszczenia krawędzi tnących.

Jak przebiega proces bezwiórowego odkształcania plastycznego gwintów wewnętrznych?

Alternatywą dla skrawania jest metoda odkształcania plastycznego na zimno. W tym procesie materiał obrabiany nie jest usuwany w postaci wiórów, lecz poddawany przewężeniom i spęczaniu pod naciskiem krawędzi formujących narzędzia. Narzędzie wygniatające nie posiada ostrych krawędzi tnących ani tradycyjnych rowków wiórowych; jego przekrój poprzeczny ma kształt wielokąta o łagodnie zaokrąglonych wierzchołkach (tzw. zarys graniasty).

Podczas wkręcania narzędzia w otwór wyjściowy, wierzchołki graniaste wciskają się w materiał, powodując jego lokalne płynięcie w stanie stałym. Materiał z dna powstającego zwoju przemieszcza się promieniowo i osiowo, wypełniając zarys gwintu na narzędziu i tworząc wierzchołek gwintu wewnętrznego. Zjawisko to wywołuje lokalne zgniatanie i umocnienie struktury krystalicznej metalu. Włókna materiału nie zostają przecięte, lecz ulegają zagęszczeniu i ciągłemu odkształceniu wzdłuż profilu gwintu, co podnosi wytrzymałość mechaniczną zarysu na ścinanie oraz rozciąganie.

Dlaczego warto zastosować wygniataki do gwintu w materiałach ciągliwych i produkcji seryjnej?

Stosując wygniataki do gwintu, eliminuje się problem powstawania wiórów, co przekłada się na przewidywalność i stabilność procesu produkcyjnego. W automatach tokarskich, liniach transferowych oraz wielkoseryjnych centrach CNC brak wióra oznacza również brak:

• ryzyka zapchania otworu,
• połamanych narzędzi,
• konieczności zatrzymywania maszyny w celu czyszczenia przestrzeni roboczej z wiórów wstęgowych.

Stosowane w przemyśle wygniataki do gwintu wykazują wyższą trwałość w porównaniu do gwintowników skrawających, ponieważ brak ostrych krawędzi tnących wyklucza zjawisko ścierania i mikrowykruszeń krawędzi. Aby proces przebiegał prawidłowo, obrabiany surowiec musi charakteryzować się odpowiednimi właściwościami plastycznymi. Technologia ta sprawdza się w obróbce stopów aluminium, mosiądzu, miedzi, stali niskowęglowych oraz ciągliwych stali nierdzewnych. Należy pamiętać o zastosowaniu odpowiedniego smarowania o wysokiej odporności na naciski, aby zapobiec mikrozatarciom materiału na powierzchni roboczej narzędzia.

Na czym polega kinematyka procesu, gdy wykorzystujemy frezowanie gwintu na obrabiarkach CNC?

Obecnie frezowanie gwintu polega na wykonywaniu gwintu metodą obróbki wieloosiowej z wykorzystaniem interpolacji śrubowej. Obrabiarka CNC steruje ruchem narzędzia w trzech osiach jednocześnie: narzędzie zatacza krąg w płaszczyźnie XY, przesuwając się wzdłuż osi Z o wartość odpowiadającą dokładnie jednemu skokowi gwintu na pełen obrót po okręgu. Narzędzie – monolityczny frez węglikowy lub głowica na płytki wymienne – obraca się wokół własnej osi z wysoką prędkością skrawania, podczas gdy ruch interpolacyjny wyznacza zarys gwintu.

Metoda ta różni się od gwintowania tradycyjnego tym, że średnica narzędzia jest mniejsza od średnicy wykonywanego otworu gwintowanego. Dzięki temu narzędzie nie styka się z pełnym obwodem otworu w jednym momencie, co zmniejsza siły skrawania i moment obrotowy wywierany na wrzeciono obrabiarki. 

Dlaczego właściwie dobrane wiertła pod gwintowniki stanowią filar stabilności całego procesu?

Poprawność wykonania gwintu w znacznej mierze zależy od jakości otworu wyjściowego. Zastosowanie nieodpowiednich wierteł pod gwintowniki prowadzi do szeregu problemów technologicznych, od przedwczesnego zużycia krawędzi tnących gwintownika po złamanie narzędzia. Średnica otworu wstępnego determinuje procentowy współczynnik pokrycia zarysu gwintu. Standardowo przyjmuje się, że głębokość noska gwintu powinna wynosić od 65% do 75% pełnej wysokości zarysu teoretycznego, co zapewnia nośność mechaniczną przy racjonalnych siłach skrawania.

Jak wymiary i profil otworu wpływają na trwałość narzędzi gwintujących?

Otrzymanie odpowiedniej geometrii otworu przed operacją gwintowania wymaga zwrócenia uwagi na zjawiska zachodzące podczas obróbki materiału przez wiertło. Podczas obróbki materiałów o dużej ciągliwości i skłonności do umocnienia przez zgniot (np. stale nierdzewne austenityczne), użycie wierteł pod gwintowniki o zużytych krawędziach lub niewłaściwym kącie wierzchołkowym wywołuje lokalne utwardzenie ścianek otworu. Taka utwardzona warstwa stwarza opory dla wchodzącego w następnym kroku gwintownika, przyspieszając zużycie jego naroży.

Jak dobrać właściwą metodę wykonywania gwintów na podstawie specyfikacji technicznej i parku maszynowego?

Wybór właściwego procesu obróbki gwintów powinien być poparty wielokryterialną analizą warunków produkcyjnych. Pierwszym czynnikiem jest charakterystyka obrabianego materiału pod kątem twardości i wydłużenia względnego. W materiałach skrawalnych i ciągliwych o wysokiej serii produkcyjnej przydatne okazuje się wygniatanie plastyczne, w którym wykorzystuje się wygniataki do gwintu. W przypadku obróbki stali twardych, żeliwa czy materiałów hartowanych powyżej 50 HRC, trafnym wyborem pozostaje frezowanie gwintu lub specjalne gwintowniki skrawające z powłokami PVD.

Drugim istotnym aspektem są możliwości techniczne posiadanych obrabiarek. Nacinanie sztywne gwintownikami wymaga wysokiego momentu obrotowego przy niskich obrotach wrzeciona oraz synchronizacji osiowej. Frezowanie wymaga z kolei obrabiarek o wysokiej sztywności dynamicznej, wyposażonych w układy sterowania zdolne do płynnej interpolacji śrubowej 3D. Analizując strukturę kosztów, należy brać pod uwagę cenę narzędzia, trwałość krawędzi, czas cyklu oraz poziom ryzyka przestojów linii produkcyjnej.

Wdrożenie nowoczesnych metod obróbki gwintów w zakładzie mechanicznym wymaga przemyślanego podejścia do całego układu Obrabiarka-Przyrząd-Narzędzie-Detal. Dobór technologii gwintowania – od określenia średnic otworu wstępnego, przez właściwe chłodzenie, aż po geometrie krawędzi tnących – pozwala na osiągnięcie powtarzalności wymiarowej i stabilności procesowej. Świadomy wybór pomiędzy skrawaniem, wygniataniem a frezowaniem stanowi podstawę wydajnej obróbki metali w przemyśle maszynowym.

admin

Krystian Możejko – redaktor serwisu jsstal.pl, specjalizującego się w tematyce budowlano-remontowej. Od lat interesuje się nowoczesnymi technologiami, materiałami i praktycznymi rozwiązaniami ułatwiającymi prace remontowe. Na łamach portalu dzieli się wiedzą, poradami i inspiracjami, pomagając czytelnikom w sprawnym planowaniu i realizacji remontów. Stawia na rzetelność informacji i praktyczne podejście, dzięki czemu artykuły trafiają zarówno do majsterkowiczów, jak i osób korzystających z usług profesjonalnych ekip.