Srovnání řezacích a tvářecích závitníků

Vnitřní závity je možné vyrábět různými nástroji: závitníky řezacími, tvářecími, frézami nebo sou-stružnickými noži. Kterým nástrojem se však dosáhne nejlepších výsledků? To si tento článek klade za cíl ukázat. Následné porovnání je provedeno s vysoce výkonnými nástroji na výrobu závitů firmy LMT Tools, a to nástroji monolitními, skládanými, případně modulárními. Porovnání je provedeno podle výkonu daného realizovatelnými řeznými podmínkami, trvanlivostí nástroje a hospodárností výroby.

Tam, kde je to možné, by se měly používat přednostně závitníky tvářecí. U nich se totiž netvoří žádné třísky, a tedy nedochází k těsnání třísek v díře ani k jejich navíjení na stopku nástroje, což se často stává u závitníků řezacích. Tento fakt se projevuje pozitivně také na spolehlivosti obrábění. Obráběný materiál je tvářen a zpevňován za studena, čímž se zvětšuje také pevnost vytvářeného závitu. Z těchto důvodů je použití tvářecího závitníku z hlediska zajištění bezpečnosti vyráběné součásti často přímo předepisováno. Díky leštění drážek tlakem je dosahováno vynikající kvality tvářeného závitu.

Další výhodou je možnost použití vysokých pracovních podmínek, jako je rychlost a z toho plynoucí krátké výrobní časy. Rychlost tváření je podstatně vyšší než řezná rychlost u srovnatelného závitníku řezacího. Leží v rozsahu od 20 až do 50 m.min^-1. Také trvanlivost nástroje je zpravidla značně vyšší. Přitom rozmanitost konstrukcí nástroje je menší, což působí pozitivně na skladové hospodářství.

Tvářecí závitník má ale oproti závitníku řezacímu také nevýhody. Například ho nelze použít pro všechny materiály. Materiál obrobku musí mít tažnost minimálně 8 % a pevnost menší než 1 400 N.mm^-2. Další nevýhodou jsou zvýšené požadavky na předvrtanou díru, jakož i požadovaný vyšší točivý moment, který při výrobě závitů větších průměrů může u standardních strojů překročit jejich výkon. Vyšší točivý moment je možné snížit vytvořením povlaku PVD na činné části nástroje, optimalizací geometrie nástroje nebo použitím chladicí emulze nebo oleje, případně použitím metody chlazení MMS (mazání minimálním množstvím). Všechny tyto metody slouží ke snížení tření mezi nástrojem a obrobkem. I přesto je však paleta použitelných průměrů omezena. Tvářecí závitníky se zpravidla používají do M20. Větší závity, jako M36 používané ve výrobě větrných elektráren nebo M85 používané ve výrobě lodních motorů, se vyrábějí výlučně závitníky řezacími.

Na obr. 2 jsou uvedeny točivé momenty při výrobě závitů M16 a M36 do materiálu 42CrMo4, kde lze použít oba typy závitníků. Teoretické pracovní podmínky pro tvářecí závitníky větších rozměrů závitů nejsou prakticky realizovatelné. Závity M85 do šedé litiny GG25 byly řezány řezacími závitníky.

Výkon a kvalita výroby závitů jsou dány především správně předvrtanou dírou. K tomu byly ve firmě LMT Tools vyvinuty vrtáky VHM X-Speed, jejichž průměr byl optimalizován pro výrobu závitů do oceli a litiny jak závitníky řezacími, tak závitníky tvářecími. Vrtáky je možné použít do hloubky díry od 3x D do 5x D, případně pro 8x D. Pro zajištění přesnosti předvrtané díry o větší hloubce vrtání je vhodné použít vrtáky s vodicími fazetkami. Rovněž je možné použít stupňovité vrtáky. S novým řezným materiálem, efektivnější geometrií a vhodným povlakem zajišťují tyto vysoce výkonné vrtáky přesné a bezpečné vrtání.

Pro stanovení správného průměru předvrtané díry DK pro závitník řezací nebo tvářecí slouží následující vzorce:

• závitník řezací D_K = D_jmen – P,
• závitník tvářecí D_K = D_jmen – (0,5 x P) + 0,05,

kde D_jmen je jmenovitý průměr závitu, P je stoupání závitu.

U tvářecích závitníků se ponechá odchylka průměru předvrtané díry o plus/minus setinu milimetru na plné vytvarování závitu. To ovlivňuje velikost nedotváření drážky závitu. Doporučená hodnota průměru předvrtané díry se proto volí pouze v plusové toleranci (m7/h8). Tím je také zabráněno zadření závitníku a jeho případnému zlomení nebo přetváření (poškození) vyráběného závitu. Je-li dodržen doporučený průměr předvrtané díry, pak se závit vyrábí v tolerančním poli podle DIN 13, část 50.

Obr. 3. Nový tvářecí závitník VHM Formmax zvyšuje kvalitu i trvanlivost.

Na základě nových poznatků z výzkumu a použití nástrojů na závity doplnila loni firma LMT Tools k veletrhu AMB svůj program o další nástroje. Patří k nim tvářecí závitník VHM Formmax, který je vyroben z nově vyvinutého jemnozrnného slinutého karbidu s optimální geometrií pro tváření. Pro další zvyšování kvality závitů a trvanlivosti nástroje zkoušela firma povlakovat činné části nástroje povlakem s malým třením. Všechny nástroje mají vnitřní přívod chladicí tekutiny tělesem. Přednostní oblast použití tvářecích závitníků je ve výrobě závitů do oceli, včetně korozivzdorných ocelí, a do neželezných kovových materiálů v sériové výrobě, např. v  automobilovém a dodavatelském průmyslu.

Protože u tvářecích závitníků nevznikají žádné třísky, je bezpečnost procesu o mnoho vyšší. Proto vývojoví pracovníci firmy LMT Fette hledali řešení, jak odstranit negativní působení třísek také u závitníků řezacích. Jako řešení byl na veletrhu AMB představen nový řezací závitník Chipbreaker. Jeho významným konstrukčním znakem je patentovaná fazetka na břitech závitníku. Tím se stávají minulostí dlouhé třísky při obrábění materiálů, jako jsou oceli C45, ST-52, 42CrMo4.

Díky vnitřnímu chlazení je navíc zaručen optimální odvod třísek z místa řezu a rovněž je zvýšena trvanlivost závitníku. Závitník je kromě toho vhodný také pro chlazení metodou MMS a dále k sériové výrobě v automobilovém průmyslu, ve výrobě strojů, ale i v malosériové a kusové výrobě.

Aby se odstranily nevýhody oproti tvářecím závitníkům, např. menší řezná rychlost a trvanlivost, nabízí LMT Tools modulární závitník X-Change. Ten je vyroben z houževnaté ocelové stopky a vyměnitelné závitové hlavy ze slinutého karbidu. Po opotřebení nástroje je bohužel nutné závitovou hlavu vyměnit. Hlavní výhodou tohoto závitořezného nástroje je možnost použití vyšší řezné rychlosti, což vede ke zkrácení výrobních časů a snížení strojních, případně výrobních nákladů. V praxi je možné zvýšit řeznou rychlost oproti závitníkům z rychlořezné oceli více než dvakrát. Tento modulární nástroj je navržen zejména pro řezání závitů do litiny GG a GGG, ale také pro materiály tvořící krátké třísky. Rovněž je možné řezat bez problémů závity do hliníkových materiálů obsahující více než 12 % křemíku. Příklady hospodárného použití těchto závitníků lze sledovat zejména ve velkosériové výrobě v automobilovém průmyslu, například při výrobě bloku motoru, převodovek, systému vstřikování paliva a skříní (litina a hliník), ale také při výrobě domácích spotřebičů, například praček.

Firma dodává automobilce ročně cca 100 000 kusů bloků motorů z materiálu GG25. Závit M8x1,25 je řezán do neprůchozí díry do hloubky 2,5 x D. Doposud používaný závitník z rychlořezné oceli HSS-E vyřezal standardně 18 450 závitů. Závitníkem X- Change je možné vyřezat 117 670 závitů. To odpovídá zvýšení o více než 500 %. Zvýšení výkonu oproti monolitním VHM závitníkům činilo přinejmenším ještě dalších 33 % (viz diagram). Z výpočtu hospodárnosti vyplývá snížení nákladů na nástroje X-Change oproti HSS-E o 50 % a oproti VHM o 20 %.

Již dříve byl vyvinut modulární tvářecí závitník HPF (High Performance Forming). Tento nástroj se v praxi osvědčil při opracování oceli a přinesl významné snížení výrobních nákladů.

Který závitník je tedy lepší: řezací, nebo tvářecí? Závisí na obráběném materiálu a na rozměru vyrá-běného závitu. Obě technologie, řezací i tváření, mají své výhody. Je nutné je znát a správně využí-vat. S tím uživatelům pomáhají experti z firmy LMT Tools.

Poznámky zpracovatele:

• Správný odvod třísek z místa řezu je u řezacích závitníků zajištěn zubovou mezerou vytvoře-nou ve šroubovici o optimálním úhlu.
• U tvářecích závitníků je (kromě předvrtané díry) velmi důležitá konstrukce tvářecího kužele. Nevýhodou těchto závitníků je nedotváření celé hloubky vrcholu vyráběného závitu.
• Použití závitníků ze slinutého karbidu je omezeno na řezání závitů do průchozích děr v litině. Při řezání závitů do neprůchozích děr dochází při změně smyslu otáčení závitníku k vylamování břitů. Rovněž při špatném odvodu třísek z místa řezu, kdy dochází k těsnání třísek v zubové mezeře, dojde k porušení břitů.

Das Industriemagazin č. 50/51, 2016, str. 26–28

Diethard Thomas, zpracoval: J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz