Narzędzia i parametry nadal odgrywają kluczową rolę w sukcesie obróbki skrawaniem

Seco 7572_HQ_IMG_How_To_Find_The_Correct_Tool_m

 

Chociaż producenci mają w pracy styczność z różnymi częściami, materiałami elementów obrabianych i procesami obróbki skrawaniem, ich wspólnym celem jest obróbka określonej liczby elementów o pożądanej jakości, w określonym czasie i za odpowiednią cenę.
Producenci zwykle osiągają wyznaczone przez siebie cele, postępując według zawężonego modelu, który obejmuje wybór i zastosowanie narzędzia oraz rozwiązywanie pojawiających się problemów w sposób reaktywny. Zmiana tego podejścia może zaowocować obniżeniem kosztów i wzrostem wydajności. Zamiast czekać, aż pojawią się problemy, a następnie korygować poszczególne operacje wykonywane podczas obróbki, producenci w pierwszej kolejności powinni skupić się na proaktywnym planowaniu wstępnym, którego celem jest wyeliminowanie wadliwych części i przestojów. Po wprowadzeniu stabilnego i niezawodnego procesu można przeprowadzić analizę ekonomiki produkcji, aby zrównoważyć jej tempo w stosunku do kosztów. Następnie, w oparciu o wybór odpowiednich narzędzi skrawających i parametrów obróbki, producenci mogą w pełni zoptymalizować operacje i zrealizować swoje cele produkcyjne.

 

Wybór narzędzi i warunków skrawania
Wybór narzędzia do skrawania metali zależy zwykle od jego zastosowania: warsztat szuka narzędzia do obróbki określonego materiału elementu obrabianego, takiego jak stal lub aluminium, albo do przeprowadzenia określonej operacji, takiej jak obróbka zgrubna lub wykańczająca. Więcej korzyści przynosi wybór narzędzia poprzedzony analizą miejsca operacji obróbki skrawaniem w całym procesie produkcji.
W przypadku takiego podejścia priorytetem jest zapewnienie niezawodności procesu i wyeliminowanie wadliwych części oraz nieplanowanych przestojów. Niezawodność jest, ogólnie rzecz ujmując, kwestią przestrzegania zasad. Jeśli warsztat nie uwzględnia wpływu, jaki wywierają na narzędzie siły skrawania oraz czynniki termiczne i chemiczne, niezawodność narzędzia zmniejszy się, co doprowadzi do jego uszkodzenia.
Po wprowadzeniu stabilnego procesu należy wybrać takie właściwości narzędzia i warunki skrawania, aby odpowiadały one ogólnym celom stawianym przez firmy zajmujące się obróbką metali. Na przykład w produkcji masowej prostych części priorytetem może być dążenie do maksymalizacji zdolności produkcyjnej przy minimalizacji kosztów. Z drugiej jednak strony przy wielu wariantach skomplikowanych części produkowanych w krótkich seriach należy przede wszystkim kłaść nacisk na zapewnienie całkowitej niezawodności i dokładności, licząc się przy tym z większymi kosztami produkcji. W przypadku systemów narzędzi stosowanych w produkcji krótkich serii wymagana jest elastyczność (patrz pasek boczny).
Jeśli głównym celem jest efektywność kosztów, narzędzia należy wybrać w oparciu o niski koszt krawędzi skrawającej, a wybór warunków skrawania musi być zgodny z wyborem narzędzi. Parametry obróbki skrawaniem powinny kłaść nacisk na trwałość narzędzia oraz niezawodność procesu. Jeśli priorytetem jest z kolei jakość elementu obrabianego, właściwym podejściem będzie stosowanie przy odpowiednich warunkach skrawania narzędzi precyzyjnych o wysokiej wydajności. Bez względu na cel różne założenia prowadzą do wyboru różnych warunków skrawania i narzędzi.

 

Seco 7572_PL_HQ_ILL_Tool_Selection_Criteria_m

 

Wybór i dostosowanie warunków skrawania
W początkowej fazie planowania obróbki skrawaniem nowej części wybór narzędzi i warunków skrawania należy zacząć od uwzględnienia metody obróbki oraz geometrii i materiału narzędzia. Te wymagania będzie w znacznym stopniu określać część poddawana obróbce. Na przykład element lotniczy ze stopu opartego na niklu może wymuszać frezowanie profilowe przy użyciu pełnowęglikowych frezów walcowo-czołowych o dodatniej geometrii. Wybór jest podyktowany podstawowymi celami warsztatu związanymi z tempem produkcji, kosztami i jakością elementów obrabianych i zależy od głębokości skrawania oraz prędkości posuwu i skrawania, które można zastosować w celu osiągnięcia tych założeń.
Do modyfikowania istniejących operacji wytwarzania części w celu uzyskania lepszych wyników w zakresie produktywności, kosztów lub niezawodności odpowiedni jest inny dobór narzędzi i parametrów. W takich przypadkach zalecane jest podejście etapowe, zgodnie z którym należy zacząć od zmiany warunków skrawania, a następnie geometrii, materiałów do skrawania, koncepcji narzędzia i wreszcie metod obróbki skrawaniem. Warto zwrócić uwagę, że większość warsztatów podejmuje te kroki w odwrotnej kolejności i próbując poprawić wyniki obróbki skrawaniem, najpierw rozważa zmianę narzędzi lub metod obróbki.
Znacznie łatwiejszym i zwykle skutecznym podejściem jest rozpoczęcie od zmiany parametrów skrawania. Warunki skrawania mają szeroki zakres wpływu i zmiana prędkości skrawania lub posuwu o określoną wartość nominalną może pomóc w rozwiązaniu problemów lub zwiększyć produktywność bez konieczności przeznaczania dodatkowych kosztów i czasu na zmianę narzędzi.
Jeśli modyfikacja parametrów skrawania nie przynosi pożądanego skutku, można zmienić geometrię narzędzia skrawającego. Ten krok jest jednak bardziej skomplikowany niż zwykła zmiana parametrów i będzie wymagał zastosowania nowych narzędzi, zwiększając związane z nimi koszty i wydłużając czas przeznaczony na obróbkę skrawaniem. Kolejną możliwością jest zmiana materiałów narzędzi skrawających, jest ona jednak również czasochłonna i wiąże się z dodatkowymi kosztami. Może być konieczna zmiana samych narzędzi skrawających lub oprawek, co otwiera możliwość przejścia na używanie narzędzi na specjalne zamówienie, które mogą jeszcze bardziej zwiększyć koszty produkcji.
Jeśli wszystkie opisane kroki nie przynoszą pożądanego rezultatu, może być konieczna zmiana metody obróbki skrawaniem. Najważniejsze jest to, aby uważnie, krok po kroku śledzić zmiany i móc dzięki temu wskazać, które czynniki przynoszą pożądany skutek.
Ponieważ ten sposób wydaje się szybki i łatwy, w celu wyboru odpowiednich narzędzi wiele warsztatów używa systemów CAM. Metoda ta jest skuteczna w wielu przypadkach, jednak nie musi gwarantować optymalnych wyników. System CAM nie uwzględnia pełnego zakresu poszczególnych właściwości roboczych. Na przykład zastosowanie głowicy frezerskiej nie polega wyłącznie na ustawieniu prędkości podłączania, prędkości posuwu i głębokości skrawania. Optymalne zastosowanie uwzględnia różne czynniki, począwszy od liczby zębów we frezie po stabilność frezarki. Należy koniecznie wziąć wszystkie te czynniki pod uwagę, aby w pełni osiągnąć założenia produkcyjne bez względu na to, czy dotyczą one prędkości usuwania materiału, trwałości narzędzia, chropowatości powierzchni czy kosztów.

 

Seco 7572_PL_HQ_ILL_Cutting_Conditions_And_Process_Results_m

 

Prędkość, posuw i głębokość skrawania
Wielu kierowników warsztatów uważa, że wystarczy zwiększyć prędkość skrawania, aby zwiększyć liczbę części obrabianych w tym samym czasie i w ten sposób obniżyć koszty produkcji. Na koszty produkcji składa się jednak więcej elementów niż sama zdolność produkcyjna. Przykładem jest operacja, w trakcie której nie można zmienić narzędzia, ponieważ miałoby to niekorzystny wpływ na jakość części i czas obróbki skrawaniem.
Zwiększenie prędkości skrawania skutkowałoby przyspieszeniem produkcji, lecz zmniejszyłoby trwałość narzędzia. Koszty obróbki skrawaniem wzrosłyby z powodu konieczności częstszej wymiany narzędzia i większego przestoju podczas zmian.
Zwiększenie prędkości skrawania zmniejsza trwałość narzędzia i może spowodować, że operacja będzie mniej stabilna, natomiast zmiana głębokości skrawania lub prędkości posuwu ma znikomy wpływ na trwałość narzędzia. Najlepsze wyniki daje więc zrównoważone podejście, na które składa się mniejsza prędkość skrawania w połączeniu z proporcjonalnie zwiększaną prędkością posuwu oraz głębokością skrawania. Zastosowanie możliwie największej głębokości skrawania pozwala na zmniejszenie liczby koniecznych przejść, co jednocześnie skraca czas obróbki skrawaniem. Zalecane jest stosowanie maksymalnej prędkości posuwu, należy jednak pamiętać, że zbyt duża prędkość może mieć wpływ na jakość elementu obrabianego oraz wykończenie powierzchni.
W uogólnionym przykładzie zwiększenie prędkości skrawania ze 180 m/min do 200 m/min spowoduje zwiększenie prędkości usuwania materiału jedynie o około 10%, lecz będzie miało niekorzystny wpływ na trwałość narzędzia. Zwiększenie prędkości posuwu z 0,2 mm/obr. do 0,3 mm/obr. spowoduje zwiększenie prędkości usuwania materiału o 50% przy co najwyżej znikomym wpływie na trwałość narzędzia.
W większości przypadków zwiększenie prędkości posuwu i głębokości skrawania przy tej samej lub niższej prędkości skrawania spowoduje zwiększenie prędkości usuwania materiału podczas operacji do poziomu osiąganego za pomocą samej wyższej prędkości skrawania. Jedną z korzyści płynących z pracy z niższą prędkością skrawania w połączeniu z wyższą prędkością posuwu i mniejszą głębokością skrawania jest też ograniczone zużycie energii.
Ostatnim etapem optymalizacji warunków skrawania jest wybór odpowiedniego kryterium w zakresie minimalnego kosztu lub maksymalnej produktywności i wyregulowanie prędkości skrawania tak, aby kryterium to zostało spełnione. W dokonaniu tego wyboru może pomóc model opracowany na początku XX wieku przez amerykańskiego inżyniera F. W. Taylora.
Model dowodzi, że dla danego połączenia głębokości skrawania i posuwu istnieje pewien zakres wartości prędkości skrawania, w którym zużycie narzędzia jest bezpieczne, przewidywalne i można je kontrolować. Pracując w tym zakresie, można obliczyć związek między prędkością skrawania, zużyciem narzędzia a jego trwałością. Celem jest większa prędkość skrawania, która zmniejsza koszty związane z czasem obróbki, lecz nie zwiększa nadmiernie kosztów związanych z narzędziami skrawającymi wynikających z szybszego zużycia narzędzi.

 

 

Seco 7572_HQ_IMG_Reprocessing_Cost_Time_And_Money_m

 

Substrat i geometria narzędzia
Dodatkowe etapy optymalizacji zastosowania narzędzia mogą obejmować regulację charakterystyki substratu i geometrii narzędzia. Tak jak dostosowanie warunków skrawania polega na znajdowaniu kompromisów w zależności od pożądanych wyników, maksymalizacja produktywności poprzez zmiany substratu narzędzia wymaga zachowania równowagi między właściwościami substratu.
Ponieważ krawędź skrawająca narzędzia musi być twardsza niż skrawany materiał, twardość jest główną właściwością narzędzia. Duża twardość, zwłaszcza przy podwyższonych temperaturach występujących podczas obróbki skrawaniem z dużymi prędkościami, zwiększy trwałość narzędzia. Twardsze narzędzie jest też jednak bardziej kruche. Zmienne siły skrawania występujące w obróbce zgrubnej, zwłaszcza w obróbce przerywanej surowej powierzchni lub przy zmiennych głębokościach skrawania mogą spowodować, że twarde narzędzie skrawające złamie się. Do uszkodzenia narzędzia może również prowadzić niestabilność obrabiarki, osprzętu lub elementu obrabianego.
Zwiększenie ciągliwości narzędzia poprzez na przykład zwiększenie procentowej zawartości kobaltu jako spoiwa zapewni z kolei odporność narzędzia na uderzenia. Mniejsza twardość powoduje jednocześnie, że narzędzie szybko ulega zużyciu i/lub odkształceniu, gdy jest używane podczas operacji z wyższą prędkością lub podczas obróbki skrawaniem ściernych elementów. Najważniejsze jest to, aby zrównoważyć właściwości narzędzia pod kątem materiału elementu obrabianego.
Wybór geometrii narzędzia również wymaga kompromisów. Dodatnia geometria skrawająca i ostra krawędź skrawająca zmniejsza siły skrawania i maksymalizuje spływ wióra. Ostra krawędź nie jest jednak tak mocna jak krawędź zaokrąglona. Można modyfikować cechy geometrii takie jak powierzchnie styku T i fazy w celu wzmocnienia krawędzi skrawającej.
Powierzchnia styku T – obszar wzmacniający za krawędzią skrawającą – ustawiona pod dodatnim kątem może zapewnić wystarczającą wytrzymałość podczas wykonywania określonych operacji oraz pracy z określonymi materiałami elementu obracanego, skutecznie minimalizując siły skrawania. Faza ucina pod kątem prostym najsłabszą część ostrej krawędzi skrawającej za cenę zwiększonych sił skrawania. Geometrie kontroli wiórów metali twardych prowadzą wióry pod stosunkowo ostrym kątem, co powoduje ich natychmiastowe zwijanie i łamanie. Geometrie te mogą być skuteczne w przypadku materiałów tworzących długie wióry, lecz zwiększają dodatkowo obciążenie krawędzi skrawającej. W przypadku geometrii kontroli wiórów metali miękkich obciążenie krawędzi skrawającej jest mniejsze, lecz tworzone są dłuższe wióry. W celu optymalizacji wydajności skrawania określonych materiałów elementów obrabianych można łączyć różne cechy geometrii, jak również sposoby zabezpieczenia krawędzi narzędzia, na przykład zaokrąglanie.

 

Koszty operacyjne
Modele kosztów obróbki można także postrzegać z perspektywy mikro i makro. Modele mikro rozważają procesy obróbki skrawaniem z zawężonego punktu widzenia, łącząc warunki obróbki skrawaniem z obniżaniem kosztów. Modele ekonomiczne makro o szerszej perspektywie uwzględniają całkowity czas potrzebny do wytworzenia elementu obrabianego.
Producenci mierzą tempo produkcji na różne sposoby, uwzględniając czas wykonania gotowego elementu obrabianego lub całkowity czas potrzebny do zakończenia operacji. Na tempo produkcji wpływa wiele czynników, w tym wymagania dotyczące geometrii elementu obrabianego i właściwości materiału, przepływ produktów w całym obiekcie, wkład pracy pracowników, konserwacja, urządzenia zewnętrzne oraz ochrona środowiska, recykling i kwestie bezpieczeństwa (patrz pasek boczny).
Niektóre składniki kosztów produkcji są stałe. Złożoność elementów obrabianych i ich materiał określa w ujęciu ogólnym rodzaj i liczbę operacji obróbki skrawaniem potrzebnych do wykonania danego elementu obrabianego. Kosztami stałymi są zwykle koszty nabycia i utrzymania obrabiarek w firmie oraz zasilania niezbędnego do ich pracy. Koszty robocizny zostawiają trochę pola manewru, i mają, przynajmniej krótkoterminowo, stałą wartość. Koszty te powinny być zsynchronizowane z przychodami ze sprzedaży obrobionych komponentów. Zwiększenie tempa produkcji — prędkości, z którą elementy obrabiane są przekształcane w gotowe produkty — może wpłynąć na wysokość stałych kosztów.

 

Wnioski
Należy zauważyć, że chociaż warunki skrawania i związana z nimi produktywność są ważne dla personelu produkcyjnego warsztatu, jak również inżynierów produkcji, kierownicy wyższego szczebla zwracają większą uwagę na cele biznesowe dotyczące całości procesu produkcji. Osoby odpowiedzialne za wybór warunków skrawania i narzędzi skrawających powinny pomyśleć w pierwszej kolejności o szerszych celach swojej firmy związanych z procesem produkcji i kierując się nimi, wybrać takie warunki skrawania i narzędzia, które zapewniają wydajność niezbędną do osiągnięcia tych celów.

 

Wszechstronność narzędzia w nowoczesnej produkcji
W wyniku szerszego wykorzystania strategii produkcji „we właściwym czasie” (just-in-time) i wzrostu outsourcingu następuje przesunięcie produkcji z wysokiej jakości produkcji masowej w kierunku większego zakresu wariantów i mniejszej liczby wytwarzanych egzemplarzy (HMLV). Podwykonawcy coraz częściej produkują mniejsze serie w regularnych odstępach czasu, lecz nie w sposób ciągły. Zrównoważenie produktywności i kosztów narzędzi wymaga oprzyrządowania, które zapewnia wszechstronność i elastyczność w szerokim zakresie zastosowań. Zminimalizowanie liczby różnych narzędzi w warsztacie skraca czas obsługi narzędzi i wydłuża czas, który można przeznaczyć na obróbkę skrawaniem.
Tradycyjnym sposobem na zwiększenie produktywności w przypadku określonej operacji obejmującej produkcję długoseryjną identycznych części jest zastosowanie narzędzi, które zostały zaprojektowane dokładnie w tym celu. Projektowanie i wdrażanie specjalnych narzędzi jest opłacalne, gdy koszty mogą zostać zamortyzowane przez długi proces produkcyjny.
Zrównoważenie produktywności i kosztów narzędzi w przypadku zmiennej produkcji mniejszych serii można jednak osiągnąć w lepszy sposób, dzięki wszechstronnym, „uniwersalnym” narzędziom zapewniającym elastyczność w szerokim zakresie zastosowań. Narzędzia te ograniczają przestoje, minimalizując czas potrzebny do wymiany narzędzia na nowe po zmianie elementu obrabianego. Eliminują również konieczność ustawiania i testowania nowych narzędzi.

 

 

Seco 7572_HQ_IMG_Uncontrolled_Chip_Formation_Creates_Unplanned_Downtime_m

Przykładem takich narzędzi jest seria głowic frezerskich Turbo firmy Seco. Narzędzia te zapewniają wszechstronność w szerokim zakresie zastosowań, łącząc oszczędność z wysoką wydajnością. Dodatnia geometria skrawająca głowic zmniejsza pobór mocy, zwiększając trwałość narzędzia i pozwalając na większą głębokość skrawania i posuwy.
Inne podejście do wszechstronnych narzędzi polega na stworzeniu zestawu narzędzi, które nadają się do wielu zastosowań. Narzędzia Seco Selection są skonstruowane tak, aby zapewnić elastyczność. Wybrana grupa składa się z ograniczonej liczby narzędzi, które nie muszą zapewniać maksymalnej produktywności ani oszczędności przy każdym zastosowaniu. Narzędzia będą jednak stanowić najlepszy i najoszczędniejszy wybór w przypadku, gdy potrzebna jest maksymalna elastyczność do obróbki szybko zmieniających się materiałów elementów obrabianych i podzespołów.

 

Autor: Patrick de Vos, menedżer ds. korporacyjnej edukacji technicznej, Seco Tools

Authors

Related posts

Góra
English