Tribologia, czyli nauka o tarciu, zużyciu i smarowaniu, w obróbce skrawaniem odgrywa kluczową rolę. To właśnie w mikroskopowej strefie kontaktu między wiórem, ostrzem a przedmiotem obrabianym powstaje większość ciepła, sił skrawania i mikrouszkodzeń. Ich skutki widoczne są w praktyce jako narost na krawędzi, przyspieszone stępienie ostrza, chropowatość powierzchni czy mikropęknięcia. Świadome sterowanie zjawiskami tribologicznymi pozwala poprawić jakość powierzchni, wydłużyć trwałość narzędzia oraz zwiększyć efektywność całego procesu.
Podstawy tribologii w strefie skrawania
W strefie kontaktu narzędzie–materiał dominują ekstremalne warunki: naciski rzędu setek MPa, a nierzadko nawet powyżej 1 GPa, oraz bardzo wysokie prędkości poślizgu. Zazwyczaj mamy do czynienia z reżimem smarowania granicznego lub mieszanego. Tarcie generowane jest przez adhezję, abrazję i tarcie bruzdujące wynikające z zaokrąglenia krawędzi i zgniotu materiału. Na powierzchni natarcia ostrza można wyróżnić strefę przyklejenia tuż przy krawędzi oraz strefę poślizgu dalej, natomiast na powierzchni przyłożenia tarcie odpowiada za ślad zużycia i stan powierzchni przedmiotu.
Model Merchant’a – tarcie a mechanika skrawania
W ujęciu klasycznym wpływ tarcia opisują kąt tarcia β i kąt ścinania φ. Wzrost tarcia powoduje zmniejszenie kąta ścinania, co prowadzi do zwiększenia grubości wióra, wzrostu sił i temperatury. Współczynnik tarcia można wyznaczyć z pomiaru składowych sił skrawania, a w symulacjach MES stosuje się model tarcia ścinającego, w którym wzrost współczynnika tarcia zwiększa ilość generowanego ciepła i przyspiesza zużycie narzędzia.
Tarcie a jakość powierzchni
Tarcie wpływa zarówno na chropowatość geometryczną, jak i rzeczywistą. Nawet przy tym samym posuwie i promieniu naroża, dodatkowe bruzdowanie i zgniot warstwy wierzchniej pogarszają stan powierzchni. Narost na krawędzi powoduje powstawanie rys i nieregularności, a niestabilny poślizg może wywołać mikrodrgania. Tarcie ma także istotny wpływ na strukturę podpowierzchniową: prowadzi do zmian naprężeń własnych, mikropęknięć czy powstawania warstw odpuszczonych i utwardzonych. W materiałach trudnoskrawalnych dodatkowo sprzyja tworzeniu gratu.
Mechanizmy zużycia narzędzi
Najważniejsze mechanizmy zużycia, których intensywność zależy od warunków tribologicznych, to:
- Zużycie adhezyjne – związane z przywieraniem obrabianego materiału (np. aluminium, stale nierdzewne, tytan). Objawia się powstawaniem narostu i wykruszeniami krawędzi. Można mu przeciwdziałać stosując gładkie ostrza, powłoki DLC lub TiB₂ oraz smarowanie MQL albo chłodzenie wysokociśnieniowe.
- Zużycie abrazyjne – wywołane obecnością twardych cząstek, takich jak węgliki czy krzem w stopach Al-Si. Powoduje rysy i przyspieszone powiększanie śladu zużycia na przyłożeniu. Zapobiega się mu poprzez stosowanie twardych powłok (np. AlCrN, TiAlN) i skuteczną filtrację chłodziwa.
- Zużycie dyfuzyjne i utlenieniowe – zachodzące przy wysokich temperaturach, skutkujące powstawaniem krateru na powierzchni natarcia. Ogranicza je stosowanie powłok odpornych na utlenianie oraz chłodzenie kriogeniczne.
- Zużycie zmęczeniowe – powstaje przy cyklicznych zmianach obciążenia i temperatury, powodując mikropęknięcia i wykruszenia. Odpowiednia geometria krawędzi i stabilne warunki chłodzenia ograniczają jego rozwój.
Smarowanie i chłodzenie
Smarowanie w procesach skrawania najczęściej odbywa się w reżimie granicznym lub mieszanym. Kluczową rolę odgrywają dodatki uszlachetniające (np. siarka, fosfor, estry), które tworzą na powierzchni warstwy ochronne. Popularne metody to:
- MQL (minimum quantity lubrication), które ogranicza adhezję i poprawia trwałość narzędzi,
- chłodzenie wysokociśnieniowe, skuteczne zwłaszcza w przypadku stopów niklu i stali nierdzewnych,
- obróbka na sucho, możliwa przy materiałach dobrze przewodzących ciepło, takich jak żeliwa,
- chłodzenie kriogeniczne, szczególnie przydatne przy obróbce stopów tytanu i Inconelu.
Materiały i powłoki narzędziowe
Dobór materiału narzędzia ma bezpośredni wpływ na zjawiska tribologiczne. Węgliki spiekane są najbardziej uniwersalne i w połączeniu z powłokami PVD/CVD zapewniają odporność na ścieranie. Cermety dają bardzo dobrą jakość powierzchni. Ceramiki i SiAlON sprawdzają się przy żeliwach i stopach żarowytrzymałych. PCBN są idealne do obróbki stali hartowanych, a PCD – do aluminium i miedzi. Powłoki specjalistyczne, jak DLC czy TiB₂, skutecznie ograniczają adhezję w aluminium i stopach lekkich.
Geometria i przygotowanie krawędzi
Geometria narzędzia silnie wpływa na tarcie. Dodatni kąt natarcia zmniejsza siły i ułatwia odprowadzanie wióra, lecz osłabia krawędź. Odpowiednie honingowanie krawędzi (zaokrąglenie rzędu kilkunastu mikrometrów) ogranicza powstawanie narostu i mikrowykruszeń. Mikro-fazki (K-land, T-land) stabilizują krawędź w trudnych warunkach, a teksturyzacja laserowa powierzchni natarcia dodatkowo poprawia warunki smarowania.
Tribologia – parametry procesu
- Wyższa prędkość skrawania redukuje narost, ale zwiększa zużycie kraterowe.
- Zbyt mały posuw przy dużym zaokrągleniu krawędzi sprzyja tarciu zamiast cięciu.
- Głębokość skrawania decyduje o wielkości powierzchni styku i ilości generowanego ciepła.
- Odpowiednie strategie toru narzędzia, jak frezowanie trochoidalne, zmniejszają średni czas kontaktu i stabilizują temperaturę.
Trwałość narzędzi i energetyka
Wzrost współczynnika tarcia prowadzi do wzrostu sił skrawania i temperatury, co przyspiesza zużycie narzędzia i zwiększa zużycie energii. Poprawa warunków tribologicznych pozwala nie tylko zwiększyć trwałość ostrzy, ale również obniżyć koszty energetyczne procesu.
Diagnostyka
Ocena zjawisk tribologicznych obejmuje pomiar sił skrawania, temperatury wióra i powierzchni, chropowatości oraz analiza zużycia narzędzi za pomocą mikroskopii i badań struktury warstwy wierzchniej. W praktyce stosuje się również metody planowania eksperymentu, które pozwalają optymalizować warunki procesu pod kątem tarcia i jakości.
Zalecenia dla wybranych materiałów
- Aluminium i stopy Al-Si: narzędzia PCD lub powlekane DLC/TiB₂, smarowanie MQL.
- Stale nierdzewne: powłoki AlCrN/AlTiN, dodatni kąt natarcia, chłodzenie wysokociśnieniowe.
- Stopy niklu: powłoki AlTiN, geometrie z fazką, chłodzenie HP lub kriogeniczne.
- Stopy tytanu: ostre krawędzie, chłodzenie kriogeniczne lub HP, dodatni kąt natarcia.
- Stale hartowane: narzędzia PCBN, obróbka na sucho, niewielkie parametry wykańczające.
Podsumowanie
Tarcie w obróbce skrawaniem to czynnik, który decyduje o jakości powierzchni, trwałości narzędzi i kosztach procesu. Dzięki odpowiedniemu doborowi materiału i geometrii narzędzia, właściwemu smarowaniu oraz optymalizacji parametrów można znacząco ograniczyć negatywny wpływ zjawisk tribologicznych. Świadome zarządzanie tarciem w procesie skrawania to droga do wyższej jakości, stabilnej produkcji i większej efektywności energetycznej.
