Obróbka wiórowa i plastyczna prętów – co warto wiedzieć?

Przygotowanie poszczególnych części i elementów, z których składają się maszyny, urządzenia czy konstrukcje wymaga precyzyjnego dopasowania ich kształtów, wymiarów oraz sposobu wykończenia powierzchni. W przypadku prętów stalowych stosuje się szeroką gamę procesów technologicznych umożliwiających ich odpowiednie zwymiarowanie a nierzadko także ulepszenie właściwości wytrzymałościowych.

Rodzaje obróbki stosowane w przypadku różnych wyrobów hutniczych

Wyroby stalowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym także jako elementy używane w przemyśle maszynowym, np. koła zębate, wałki, osie czy wszelkiego rodzaju prowadnice, będące częściami maszyn, urządzeń lub pojazdów. Wśród używanych wyrobów hutniczych i półproduktów znajdują się nie tylko materiały będące różnymi stopami stali dobieranymi ze względu na swoje własności fizykochemiczne, przede wszystkim granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie lub moduł sprężystości, ale także możliwości prowadzenia procesów technologicznych – np. spawania, ulepszania cieplnego i chemiczno-cieplnego. Dla potrzeb różnych projektów ważna jest też forma, w jakiej dostępna jest stal, ponieważ pozwala na zmniejszenie ilości czynności koniecznych do nadania jej określonego kształtu – podkreśla przedstawiciel firmy MTM Stal, specjalizującej się w dostarczaniu stali jakościowej.

Wyroby hutnicze są najczęściej dostarczane w różnych postaciach – prętów kutych i ciągnionych o różnych przekrojach – okrągłych, prostokątnych, kwadratowych, trójkątnych, jak również wielokątnych. Wytwórcy i dystrybutorzy proponują także kształtowniki gorącowalcowane lub zimnogięte o rozmaitych profilach – otwartych w postaci płaskowników oraz równo- i nierównoramiennych kątowników, ceowników, teowników, dwuteowników, zetowników, jak również zamkniętych – prostokątnych, kwadratowych, owalnych. Ważną część asortymentu stanowią też rury bezszwowe i rury ze szwem oraz wszelkiego rodzaju druty.

Geometria dostarczanych wyrobów stalowych jest o tyle ważna, że w większości przypadków przed ich użyciem konieczne jest przeprowadzenie odpowiedniej obróbki, która pozwoli na uzyskanie właściwego kształtu wyrobu, a często także pożądanych właściwości. Zakres najczęściej wykonywanych procesów technologicznych jest na ogół ściśle związany z rodzajem półproduktu – w przypadku prętów stalowych najczęściej stosowana jest obróbka wiórowa, a przy profilach cienko- i grubościennych, wykorzystuje się obróbkę termiczną związaną ze spawaniem. Możliwości łączące się z prowadzeniem konkretnych rodzajów obróbki są określane wśród parametrów technicznych danego gatunku stali. Wśród najważniejszych znajduje się skrawalność warunkująca efektywną obróbkę wiórową, podatność na kucie i walcowanie łączące się z obróbką plastyczną oraz spawalność i hartowność umożliwiająca ulepszanie cieplne wyrobu. Liczy się także podatność na różne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej – nawęglanie czy azotowanie.

Rodzaje obróbki plastycznej wykorzystywanej przy kształtowaniu prętów stalowych

Obróbka plastyczna jest związana z wykorzystywaniem tzw. plastyczności konkretnego metalu, a zatem jego podatności na trwałe odkształcenia pod wpływem działania siły o określonej wartości. W następstwie takiego oddziaływania następuje przekroczenie granicy sprężystości, czyli zakresu oddziaływań, w ramach których materiał po odciążeniu wraca do pierwotnego kształtu. Wraz ze zwiększaniem nacisku zachodzi wówczas zjawisko płynięcia metalu, które jest związane z przekształcaniem jego sieci krystalicznej – poszczególne warstwy atomów ulegają tzw. poślizgowi i zmieniają swoje wzajemne położenie, nie dochodzi jednak do masowego przerwania wiązań między poszczególnymi atomami. Ponieważ w sieci krystalicznej każdego metalu może dochodzić do ograniczonej liczby przemieszczeń, materiał poddawany obróbce plastycznej ulega utwardzeniu, choć w razie potrzeby dzięki obróbce cieplnej można doprowadzić do przywrócenia jego pierwotnych właściwości.

Podstawowe metody obróbki plastycznej są związane z samym kształtowaniem wyrobów hutniczych i łączą się z ich walcowaniem. W przypadku prętów stalowych są używane niemal wszystkie metody zaliczane do obróbki plastycznej poza niektórymi rodzajami cięcia tj. np. cięcia za pomocą wykrojników, a także wytłaczania, które jest używane przy wyrobach płaskich. Przy obróbce prętów, podobnie jak przy innych materiałach metalowych do częściej wykonywanych operacji należy cięcie i gięcie. Jeśli chodzi o cięcie prętów, to na ogół jest ono wykonywane przy pomocy obróbki plastyczno-wiórowej, gdy pręty przecina się uzębioną piłą taśmową lub tarczową, a w niektórych przypadkach wyłącznie termicznej, jak przy cięciu gazowym, cięciu plazmą albo wykorzystaniu lasera. Proces gięcia prętów jest na ogół wykonywany na zimno przy użyciu odpowiednich giętarek. Bardzo często stosuje się go jednak nie tylko podczas obróbki warsztatowej, ale także w trakcie wykorzystywania prętów w zastosowaniach budowlanych jako zbrojenia. W takim przypadku pręty są jednak zazwyczaj cięte plastycznie przy użyciu specjalnych przecinarek.

Pręty są poddawane także innym metodom obróbki plastycznej. Często korzysta się z nich jako z materiału do kucia swobodnego, kiedy metal jest podgrzewany dla obniżenia jego granicy plastyczności, a następnie w zależności od potrzeb spęczniany, wydłużany, dziurowany, cięty lub gięty, a także zgrzewany czy skręcany. Kucie swobodne prętów jest wykorzystywane zwłaszcza do produkcji okuwek o złożonych kształtach czy większych rozmiarach, co nie pozwala na wykorzystywanie innych metod. Bardzo często pręty znajdują też zastosowanie przy kuciu matrycowym, w którym kierunek płynięcia metalu nadaje forma, w której jest on umieszczany. Pręty stalowe mogą być poddawane operacjom związanym z wyciskaniem. W takim przypadku materiał jest formowany dzięki przetłaczaniu go przez otwór o odpowiedniej geometrii, który nadaje mu pożądany kształt, zwykle np. skomplikowanego profilu, ale także mniej złożone – cylindrycznej tulei, profilu zamkniętego, w tym także typowej rury. Procesy wyciskania mogą być prowadzone na zimno – w przypadku prętów stalowych głównie dla stali węglowych i niskostopowych – albo po częściowym uplastycznieniu, na gorąco, zwykle w zakresie od 800 do 1300° w zależności od gatunku. Pręty mogą być również poddawane walcowaniu – w ten sposób wykonuje się np. charakterystyczne wypustki na stali zbrojeniowej.

Obróbka wiórowa wykorzystywana podczas kształtowania prętów stalowych

Obróbka wiórowa jest rodzajem obróbki ubytkowej i polega na usuwaniu naddatku materiału w celu osiągnięcia określonego kształtu, wymiaru oraz sposobu wykończenia powstających powierzchni. W jej ramach wykorzystuje się powstawanie naprężeń sprężystych i plastycznych, a odspajany przy pomocy nacierającej na materiał krawędzi tnącej naddatek, przyjmuje formę stosunkowo cienkich pasm materiału, które po przekroczeniu granicy plastyczności ulegają ścinaniu. Choć przy obróbce wiórowej w grę wchodzi wiele czynników, to kluczowa jest w nich twardość powierzchni tnącej, która musi przekraczać twardość materiału, a także odporność ostrzy na powstające naprężenia oraz temperatury – w wielu przypadkach niezbędne jest stosowanie specjalnych chłodziw odprowadzających powstające ciepło.

W przypadku prętów stalowych prowadzone mogą być wszystkie rodzaje obróbki wiórowej, są one też rodzajem wyrobu hutniczego, który jest najczęściej kształtowany w ten właśnie sposób. Pręty o przekroju okrągłym są często poddawane toczeniu. Materiał jest w takim przypadku wprowadzany w ruch obrotowy, a narzędzie skrawające, którym jest nóż tokarski, przesuwa się w osi obrotu, a także zbliża lub oddala do niej, odspajając materiał według ustalonej ścieżki, po której się przemieszcza. Uzyskana geometria może wynikać albo z trajektorii krawędzi tnącej, albo z jej ukształtowania. Nieco inaczej wygląda frezowanie prętów stalowych – w tym przypadku w ruch obrotowy jest wprawiane ostrze frezu, a ruchoma może być głowica, w której jest ono osadzone lub sam obrabiany materiał. Także w tym przypadku uzyskane efekty są zależne od ścieżki narzędzia lub jego geometrii, jednak frezy mogą odspajać wióry swoją powierzchnią boczną, czołową, jak również czołowo-boczną osiągane rezultaty mogą więc być złożoną sumą wszystkich czynników. Pręty są także poddawane wierceniu, a niekiedy także struganiu lub dłutowaniu np. wówczas, gdy trzeba wykonać w nich wzdłużne rowki czy podczas produkcji kół zębatych.

Charakterystycznym sposobem obróbki prętów stalowych, często łączonym z wierceniem jest przeciąganie. W tym przypadku za pomocą specjalnego narzędzia w postaci przeciągacza można kształtować powierzchnię zewnętrzną, a korzystając z przepychacza wewnętrzną. W wielu przypadkach pręty stalowe poddaje się gwintowaniu – może ono być wykonywane w procesie toczenia albo frezowania, ale także za pomocą odpowiednich narzędzi, tzw. narzynek. Jeśli wykorzystywane w różnych zastosowaniach pręty mają się wyróżniać wyjątkowo precyzyjnie przygotowaną powierzchnią, to mogą być poddawane tzw. łuszczeniu. Łuszczenie prętów polega na nadaniu im oczekiwanej tolerancji wymiarowej przez usunięcie niedoskonałości powierzchni powstałych np. podczas walcowania, m.in. zendry, czyli zgorzeliny walcowniczej, za sprawą bardzo dokładnego skrawania kończonego często polerowaniem. Łuszczenie jest dość często prowadzone w celu przyspieszenia późniejszej obróbki i zmniejszenia ilości usuwanego wówczas naddatku.