Obróbka stali – metody i materiały poddawane obróbce

Obróbka stali, czasem określana jako „obróbka metalurgiczna”, obejmuje szereg procesów mających na celu formowanie części o wymaganych wymiarach z surowych bloków stali. Współczesne metody przetwarzania tego stopu głównie polegają na technikach takich jak frezowanie, toczenie, szlifowanie oraz obróbka CNC (sterowanie numeryczne).

Te techniki różnią się pod względem procesu technologicznego, możliwości i ograniczeń, jednak wszystkie umożliwiają wytworzenie stalowych elementów zgodnie z określonymi specyfikacjami. Należy podkreślić, że najbardziej rozpowszechnioną formą obróbki jest przetwarzanie stali nierdzewnej, co wynika z popularności tego typu stopu. Proces ten jest zbliżony do obróbki innych rodzajów stali, takich jak stal narzędziowa, konstrukcyjna, specjalna czy dupleksowa.

Typy obróbki stali

W obróbce stali, podobnie jak w przypadku innych metali, wyróżniamy różne metody formowania części ze stalowych bloków:

1. Obróbka skrawaniem stali – skupia się na usuwaniu nadmiaru materiału, by uzyskać pożądaną formę. Do tej kategorii należą procesy takie jak frezowanie, toczenie, szlifowanie, cięcie laserowe i inne techniki obróbki skrawaniem.
2. Obróbka plastyczna stali – polega na kształtowaniu części pod wpływem ciśnienia, wykorzystując plastyczność stopu, często przy użyciu wysokiej temperatury. Do tej grupy zaliczamy procesy takie jak tłoczenie, gięcie, kucie, czy ciągnięcie.
3. Obróbka cieplna stali – koncentruje się na modyfikacji właściwości mechanicznych stali poprzez kontrolowane procesy ogrzewania i chłodzenia. Wśród tych procesów znajdują się impregnacja pierwiastkami, obróbka cieplna, hartowanie, czy wyżarzanie.

Podobnie jak w przypadku obróbki innych materiałów, takich jak metale, tworzywa sztuczne czy polimery, bloki wykonane z różnych stopów stali wymagają specyficznych metod obróbki i parametrów procesu. Innymi słowy, obróbka CNC stali nierdzewnej będzie wymagała innych ustawień niż ten sam proces przeprowadzony na innych rodzajach stopów.

Obróbka stali: Frezowanie, toczenie, szlifowanie

Obróbka części stalowych, uznawana za jedną z najpopularniejszych metod formowania stali, polega na usuwaniu nadmiaru materiału za pomocą specjalistycznych narzędzi, takich jak frezy czy wiertła, aby uzyskać żądany kształt części.

Po zakończeniu procesu obróbki, część jest lżejsza niż oryginalny blok, z którego została wytworzona. Należy zaznaczyć, że obróbka CNC stali wymaga użycia wysokiej jakości narzędzi z ostrzami pokrytymi węglikiem spiekanym, co zwiększa ich twardość.

Zakład produkcyjny specjalizujący się w usługach obróbki CNC zazwyczaj wyposażony jest w następujące urządzenia:

Maszyna	Opis	Charakterystyka	Zastosowanie
Tokarki	Umożliwiają usuwanie nadmiaru materiału za pomocą specjalnych bitów. Blok stali jest mocowany w obrotowym wrzecionie.	Precyzyjne toczenie cylindrycznych części, możliwość obróbki różnych materiałów, w tym stali nierdzewnej.	Produkcja cylindrycznych części stalowych, np. tuleje, wały, elementy maszyn.
Frezarki	Usuwają materiał za pomocą specjalnych noży umieszczonych na ruchomym wrzecionie.	Wysoka precyzja, umożliwia tworzenie niemal każdego kształtu, często wykorzystywane w połączeniu z technologią CNC.	Produkcja różnorodnych części i elementów, od małych detali po duże komponenty.
Szlifierki	Skupiają się na wykończeniu powierzchni obrabianych części.	Szlifowanie jest zazwyczaj ostatnim etapem w obróbce, umożliwia osiągnięcie gładkiej i równomiernej powierzchni.	Wykończenie powierzchni części stalowych, przygotowanie do dalszej obróbki lub użytkowania.

CNC w obróbce stali

Obróbka CNC stali stanowi technologiczne rozszerzenie tradycyjnych metod obróbki, jak wspomniano wcześniej. Różni się od nich głównie sposobem sterowania procesem, który w przypadku CNC odbywa się za pomocą specjalistycznych, numerycznie sterowanych urządzeń.

Podobieństwo obróbki CNC do klasycznych metod, takich jak frezowanie czy toczenie, jest znaczące, lecz kluczowa różnica tkwi w kontroli procesu. Tradycyjne metody, często automatyczne, opierają się na szablonach lub ręcznym sterowaniu.

W obróbce CNC cały proces jest kontrolowany przez komputer, który wykonuje serię zdefiniowanych poleceń, stąd nazwa: Computerized Numerical Control (skomputeryzowana kontrola numeryczna). Ta technologia umożliwia masową produkcję niemal identycznych części zgodnie ze specyfikacją oraz automatyzację całego procesu produkcyjnego.

Warto zauważyć, że obróbka CNC może przynieść znaczne oszczędności czasu i kosztów, szczególnie przy większych partiach produkcji. Chociaż przygotowanie procesu może być czasochłonne, oszczędności stają się widoczne przy produkcji serii powyżej 100 sztuk. Podobnie jak w metodach tradycyjnych, obróbka CNC wymaga użycia specjalistycznych narzędzi i wiedzy profesjonalnych operatorów, na przykład w zakresie frezowania CNC.

Obróbka plastyczna stali (gięcie, kucie, tłoczenie)

Obróbka plastyczna stali, wykorzystywana do zmiany kształtu elementów stalowych (takich jak rury, blachy, płyty) bez zmiany ich masy, obejmuje różne metody:

Proces	Opis	Narzędzia	Charakterystyka	Zastosowanie
Kucie	Polega na wywieraniu silnego nacisku na element metalowy, zmieniając jego strukturę krystaliczną.	Przecinaki, młotki, prasy mechaniczne/hydrauliczne	Elementy kute mają wysoką sztywność mechaniczną, ale są stosunkowo kruche.	Produkcja elementów wymagających wysokiej wytrzymałości, np. narzędzi, części maszyn.
Tłoczenie	Skupia się na spłaszczaniu elementów stalowych, często za pomocą prasy.	Prasy hydrauliczne lub mechaniczne	Metoda produkcji blach, efektywna i szybka.	Produkcja blach, elementów karoserii samochodowych, różnych komponentów metalowych.
Gięcie	Zmiana kształtu elementu stalowego poprzez zastosowanie dużej siły.	Prasy, giętarki	Technicznie prosta forma obróbki, wymaga jedynie siły.	Produkcja konstrukcji rur, elementów konstrukcyjnych, detali architektonicznych.

Obróbka plastyczna stali może być przeprowadzana zarówno na zimno, jak i na gorąco:

• Obróbka na gorąco poprawia elastyczność materiału, ale może negatywnie wpływać na sztywność kształtowanej części.
• Obróbka na zimno charakteryzuje się mniejszą elastycznością w procesie kształtowania, ale zwiększa sztywność mechaniczną i podnosi kruchość materiału.

Obróbka cieplna stali: Utwardzanie i nasycanie elementami

Obróbka cieplna stali skupia się na dodawaniu dodatkowych właściwości do już wyprodukowanych elementów. Niektóre metody służą poprawie twardości powierzchni, na przykład przez nasycanie elementami takimi jak stal zlewnicza lub chromowana, co zwiększa ich odporność na korozję. Inne procesy koncentrują się na modyfikacji struktury wewnętrznej części, jak na przykład utwardzanie czy wyżarzanie.

Zazwyczaj ten rodzaj obróbki jest końcowym etapem procesu produkcyjnego. Elementy poddane obróbce cieplnej zwykle mają już pożądany kształt i nie powinny być dalej mechanicznie obrabiane.

Przetwarzanie i obróbka różnych gatunków stali

W różnych branżach wykorzystywane są rozmaite gatunki stali, znane również jako „stopowe gatunki stali”, które oferują zróżnicowane właściwości. Różnice między tymi stopami wynikają z dodatków, które wpływają na ich wydajność i łatwość obróbki mechanicznej. Wśród wielu dostępnych gatunków stali, najistotniejsze z naszego punktu widzenia to:

Typ Stali	Zastosowanie	Przykłady	Charakterystyka
Stal konstrukcyjna	Budownictwo, produkcja łożysk, sprężyn	Niskostopowe stale	Charakteryzuje się dobrą wytrzymałością i elastycznością, odporna na obciążenia mechaniczne
Stal narzędziowa	Produkcja narzędzi, np. dłuta, pił, frezów	Stal węglowa, szybkotnąca	Wysoka sztywność, dobre właściwości mechaniczne, odporność na ścieranie i deformacje podczas obróbki
Stale specjalistyczne	Przemysł chemiczny, elektroniczny, konstrukcje narażone na działanie kwasów	Kwasoodporne, magnetyczne, nierdzewne	Odporność na korozję, działanie kwasów i zasad, właściwości magnetyczne, szerokie zastosowanie w przemyśle

Wśród najpopularniejszych gatunków stali nierdzewnej wyróżniamy:

• Austenityczna stal nierdzewna – stanowi około 70% wszystkich stali odpornych na korozję, znana również jako „18-10” ze względu na proporcje chromu i niklu w stopie. Ten gatunek jest wytrzymały na gięcie na zimno i kucie, ale wymaga wysokiej jakości narzędzi skrawających do obróbki, ponieważ różne formy obróbki mogą prowadzić do szybkiego zużycia narzędzi i obniżenia precyzji obróbki.
• Ferrytyczna stal nierdzewna – charakteryzuje się bardzo dobrą przewodnością cieplną, ale ma niższą sztywność mechaniczną niż stal typu „18-10”. Podczas obróbki ten rodzaj stali wymaga efektywnego systemu usuwania wiórów, ponieważ mogą one być długie i uszkadzać maszynę.
• Żelazo-austenityczna stal nierdzewna – czasami nazywana „dupleksową stalą nierdzewną”, jest to wysokowydajny stop stali, który ze względu na swoją wysoką twardość może być trudny w obróbce.

Autor: Damian Borek