Różnice między frezarką a tokarką

Elementy wykonane z różnych gatunków metalu są częściami większości maszyn, urządzeń i większych lub mniejszych konstrukcji. Szczególnie często są stosowane tam, gdzie niezbędne jest połączenie wysokiej precyzji wykonania oraz dużej wytrzymałości na obciążenia mechaniczne, termiczne oraz chemiczne.

Poza dobrymi parametrami fizyko-chemicznymi użyteczność różnych stopów metali wynika z ich podatności na obróbkę, która pozwala na uzyskiwanie złożonych kształtów i dokładnych wymiarów, a także na odpowiednie wykończenie powierzchni. Istnieje wiele sposobów obróbki metalu wykorzystywanych do osiągania potrzebnej w konkretnych zastosowaniach specyfikacji. Metale i ich stopy można poddawać obróbce plastycznej, termicznej lub termiczno-chemicznej, jednak za najpowszechniej używaną oraz najbardziej wszechstronną można uznać obróbkę ubytkową, a w jej ramach zwłaszcza toczenie i frezowanie metalu. Przyjrzyjmy się bliżej tym dwóm metodom oraz wykorzystywanym w nich urządzeniom i sprawdźmy, jakie są między nimi podobieństwa i różnice.

Metale oraz możliwości ich obróbki

Metale wykorzystywane do wykonywania elementów stosowanych do wytwarzania podzespołów maszyn, urządzeń oraz różnych pojazdów to głównie stopy składające się z kilku różnych pierwiastków. Pozwala to na uzyskanie o wiele lepszych parametrów użytkowych niż w przypadku czystego metalu, nadając im dodatkowe, wynikające z takiego połączenia cechy. Wśród najchętniej używanych stopów znajdują się przede wszystkim te, które zawierają znaczną ilość żelaza oraz węgla. Będą to różne odmiany żeliwa i staliwa, a także stal. Bardzo pożądane są również stopy metali nieżelaznych – aluminium oraz miedzi, w tym mosiądzu oraz różnych odmian brązów. Najczęściej wykorzystywane stopy zawierają też dodatki innych pierwiastków, głównie metali takich jak m.in. chrom, nikiel, molibden, tytan, kobalt, magnez, wolfram, cyna, cynk, ołów, ale również np. krzemu. Obecność dodatków stopowych wpływa na poprawę różnych cech uzyskiwanego stopu – związanych z odpornością mechaniczną, takich jak twardość, wytrzymałość na ścieranie czy sprężystość, łączących się z możliwymi sposobami obróbki – m.in. poprawę hartowności i spawalności, plastyczności, cech odlewniczych czy skrawalności.

Obróbka metalu pozwalająca na nadanie elementowi odpowiednich wymiarów może być realizowana na wiele sposobów, w zależności od przeznaczenia i kształtu, jaki ma zostać uzyskany. Szeroko wykorzystywane są metody metalurgiczne, umożliwiające odlewanie detali dzięki upłynnieniu metalu i wypełnieniu nim formy dokładnie odtwarzającej planowany element, wymagają one jednak dużej ilości energii i nie zawsze pozwalają na uzyskanie właściwej precyzji i stopnia wykończenia powierzchni. Korzysta się z różnych form obróbki plastycznej, a zatem odkształcania metalu pod wpływem dużego nacisku, który może być stosowany w podwyższonej temperaturze. Wśród sposobów obróbki plastycznej znajdują się różne odmiany kucia i walcowania, gięcie, przeciąganie i rozmaite rodzaje cięcia, w tym z użyciem wykrojników oraz wytłaczanie. Największe możliwości daje obróbka ubytkowa, za pomocą której można wpływać na geometrię przedmiotu obrabianego w niemal dowolny sposób, uzyskując jednocześnie wymaganą dokładność wymiarową i sposób wykończenia powierzchni.

Obróbka ubytkowa polega na kształtowaniu materiału dzięki usuwaniu naddatku, czyli jego zbędnych części, pozwalając na uzyskanie przedmiotu o założonej formie przestrzennej. Usuwanie naddatku może się odbywać metodami obróbki erozyjnej, tj. topienia, odparowywania lub roztwarzania metalu albo za pomocą skrawania, które jest wykonywane dzięki zastosowaniu materiału o większej twardości. Skrawanie może być prowadzone z użyciem ścierniwa – mamy wówczas do czynienia z obróbką ścierną – albo krawędzi tnących w postaci ostrzy, mówimy wtedy o obróbce wiórowej. Obróbka ścierna pozwala na usuwanie mniejszych ilości naddatku oraz uzyskiwanie dużej precyzji, jest więc często stosowana do wykańczania powierzchni. Przy obróbce wiórowej można w dość krótkim czasie usuwać większe jego ilości, a jednocześnie oddziaływać w znacznie szerszym zakresie niż podczas szlifowania.

Obróbka wiórowa może być prowadzona na różne sposoby, w zależności od rodzaju zastosowanej powierzchni tnącej oraz sposobu wzajemnego przemieszczania się narzędzia, a także przedmiotu obrabianego, możemy mówić o toczeniu, frezowaniu, wierceniu, przeciąganiu oraz dłutowaniu i struganiu.

Toczenie elementów metalowych

Toczenie to sposób obróbki materiału, w którym przedmiot obrabiany jest wprawiany w ruch obrotowy w jednej osi i porusza się z ustaloną prędkością. Naddatek jest usuwany przy użyciu narzędzia w postaci noża tokarskiego, wyposażonego w ostrze o większej twardości niż obrabiany materiał. Nóż tokarski może przemieszczać względem przedmiotu obrabianego na dwa sposoby – zbliżając się i oddalając od osi obrotu, co przy odspajaniu wiórów powoduje zmniejszanie średnicy powstającego wyrobu podczas toczenia, albo przesuwając się wzdłuż osi obrotu, co daje możliwość zmiany średnicy na całej długości wytwarzanego detalu.

W sytuacji, w której zamierzony kształt jest uzyskiwany wyłącznie przy użyciu zmiany położenia noża tokarskiego względem przedmiotu obrabianego, mówimy o toczeniu punktowym. Może ono być prowadzone wzdłużnie, poprzecznie oraz jednocześnie na oba te sposoby, co pozwala na uzyskanie bardziej złożonych kształtów, np. stożkowych lub półkolistych. Poza samą trajektorią, po której porusza się narzędzie, znaczenie ma również geometria używanej krawędzi tnącej. W takim przypadku toczenie jest nazywane toczeniem kształtowym, a uzyskiwana forma przestrzenna zależy od rodzaju użytego noża tokarskiego. Toczenie może być wykonywane na powierzchni przedmiotu, ale także do uzyskiwania kształtów cylindrycznych o rozmaitej grubości ścianek. Usuwanie naddatku w taki sposób określa się jako wytaczanie.

Toczenie jest wykonywane na urządzeniach nazywanych tokarkami. Pozwalają one na wprawienie przedmiotu obrabianego w ruch główny, czyli ruch obrotowy a narzędzia w ruch posuwowy. Materiał jest mocowany w specjalnych uchwytach, które jednocześnie służą do precyzyjnego pozycjonowania przedmiotu obrabianego. Do najczęściej stosowanych rozwiązań należy stosowanie uchwytów szczękowych, które zaciskają się na obwodzie przedmiotu obrabianego. Możliwe jest również mocowanie przy pomocy kłów mających postać stożków. Są one umieszczane w wykonanych po obu stronach przedmiotu obrabianego nakiełkach, czyli niewielkich wgłębieniach. Przedmiot obrabiany jest ustalany między kłem znajdującym się po stronie wrzeciona, czyli elementu przekazującego napęd, a kłem w koniku, czyli elemencie mocującym znajdującym się po przeciwnej stronie wrzeciona. Przedmiot obrabiany jest wprawiany w ruch obrotowy za sprawą obejmującego go zabieraka połączonego z rotującą tarczą zabierakową.

Wykorzystując tokarkę, można uzyskać przedmiot o kształcie niemal każdej bryły obrotowej. Najczęściej za pomocą tokarek wytwarza się wszelkiego rodzaju wałki, osie, wrzeciona, tuleje lub cylindry, a także koła pasowe, ślimaki i elementy gwintowane. Używając tokarek, przygotowuje się także elementy przeznaczone do dalszej obróbki przy pomocy innych metod, zazwyczaj wiercenia lub frezowania. Tokarki podobnie jak wszystkie rodzaje obrabiarek mogą być sterowane mechanicznie – co jednak zdarza się coraz rzadziej – lub cyfrowo. Tokarki CNC są obecnie podstawowym wyposażeniem większości firm zajmujących się obróbką metali.

Obróbka metali za pomocą frezowania

Frezowanie jest uważane za najbardziej wszechstronny rodzaj obróbki ubytkowej i może być stosowane do uzyskiwania niemal dowolnych form przestrzennych. W tym przypadku usuwanie naddatku odbywa się za pomocą narzędzia nazywanego frezem, które jest wprawiane w ruch obrotowy. Frez ma zazwyczaj kilka krawędzi tnących, a usuwanie materiału w celu osiągnięcia założonego kształtu może się odbywać za sprawą odpowiednio dobranej ścieżki, po której porusza się narzędzie, właściwie dobranej geometrii krawędzi tnących albo być połączeniem obu tych składowych. O ile w tokarkach w celu uzyskania zamierzonego efektu przemieszczało się wyłącznie narzędzie, o tyle przy frezowaniu, w zależności od konstrukcji konkretnego urządzenia, możliwy jest zarówno ruch głowicy roboczej, w której osadzony jest frez, jak i zmiana położenia przedmiotu obrabianego.

Przy frezowaniu można korzystać z frezów o różnej budowie i sposobie pracy. W przypadku frezów walcowych krawędzie tnące znajdują się na obwodzie, oś obrotu frezu będzie więc najczęściej ustawiona równolegle do obrabianej powierzchni. We frezach czołowych ostrza znajdują się na płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu, w czasie obróbki frez jest więc zazwyczaj ustawiany tak, by jego oś była prostopadle do obrabianej powierzchni. Stosowane są również frezy czołowo-boczne. W takim przypadku krawędzie tnące znajdują się zarówno na obwodzie, jak i płaszczyźnie równoległej do obrotu. Frezy mogą mieć również krawędzie tnące ustawione pod kątem, a także takie, których powierzchnia ma bardziej złożony kształt, co daje dodatkowe możliwości obróbki.

Podczas frezowania frez może się przemieszczać zarówno w płaszczyźnie równoległej do obrabianej powierzchni, jak i prostopadłej do niej, zbliżając się lub oddalając. W większości nowoczesnych frezarek istnieje też możliwość ustawiania frezu pod różnym kątem w stosunku do obrabianego przedmiotu dzięki możliwości jego ustawiania w przynajmniej dwóch osiach obrotu. Pozwala to na dowolne wybieranie ścieżki ruchu narzędzia, a tym samym uzyskiwanie niemal każdego kształtu gotowego wyrobu.

Frezowanie jest wykonywane na urządzeniach nazywanych frezarkami. Frez jest wprawiany w ruch obrotowy za sprawą wrzeciona, niezbędnymi elementami frezarki są także mechanizmy posuwu odpowiedzialne za wzajemne przemieszczanie materiału obrabianego i narzędzia. W klasycznych konstrukcjach za przemieszczanie przedmiotu obrabianego wzdłużnie i poprzecznie odpowiada układ zmieniający położenie stołu z zamocowanym na nim przedmiotem, który może również zmieniać kąt, pod którym jest on ustawiony. Przedmiot obrabiany może być mocowany na różne sposoby – w przypadku elementów walcowatych stosuje się układ składający się z podzielnicy i konika, co daje efekty podobne jak w przypadku tokarki, z tą różnicą, że element obrabiany nie jest poddawany rotacji. W przypadku innych detali często stosowane są imadła uchylno-obrotowe lub stoły uchylno-obrotowe do bezpośredniego mocowania.

Podobnie jak w przypadku tokarek współczesne frezarki to najczęściej urządzenia sterowane komputerowo. Korzystanie z frezarek CNC daje możliwość wykonywania różnych elementów – od frezowania rowków wpustowych i kanałów czy obróbki krawędzi aż po bardzo skomplikowane elementy korpusów maszyn lub całe bloki silników albo pomp. Frezowanie jest także używane do wytwarzania kół zębatych, elementów zaworów, form wtryskowych, matryc i wykrojników. Za pomocą frezarki można również wycinać elementy oraz nawiercać otwory.