Narzędzia i parametry nadal odgrywają kluczową rolę w powodzeniu obróbki
Chociaż obrabiane części, materiały i procesy obróbki, znacznie się różnią, wszyscy producenci mają wspólny cel, jakim jest obróbka określonej liczby detali o pożądanej jakości, w określonym czasie, przy odpowiednich kosztach.Wprowadzenie
Chociaż obrabiane części, materiały i procesy obróbki, znacznie się różnią, wszyscy producenci mają wspólny cel, jakim jest obróbka określonej liczby detali o pożądanej jakości, w określonym czasie, przy odpowiednich kosztach.
Producenci zazwyczaj osiągają swoje cele, stosując model wąskiej perspektywy, który rozpoczyna się od wyboru i zastosowania narzędzia i rozwiązuje problemy na zasadzie reaktywnej. Odwrócenie tego podejścia doprowadzi do redukcji kosztów i zwiększenia wydajności. Zamiast czekać, aż pojawią się problemy, a następnie wprowadzać poprawki do poszczególnych operacji obróbki, producenci powinni najpierw skupić się na proaktywnym planowaniu wstępnym, mającym na celu wyeliminowanie odrzuconych części i przestojów. Po ustanowieniu stabilnego i niezawodnego procesu, koncepcje ekonomiki produkcji mogą być stosowane w celu osiągnięcia równowagi między tempem produkcji a kosztami wytwarzania. Następnie, dzięki starannemu doborowi narzędzi skrawających i parametrów obróbki, producenci mogą w pełni zoptymalizować swoje działania i zrealizować swoje cele produkcyjne.
Dobór narzędzi i parametrów skrawania
Wybór narzędzi skrawających do metalu jest zwykle zorientowany na zastosowanie: producent poszukuje narzędzia do obróbki określonego materiału obrabianego, takiego jak stal lub aluminium, lub do wykonania określonej operacji, takiej jak obróbka zgrubna lub wykańczająca. Bardziej korzystne podejście do wyboru narzędzi zaczyna się od rozważenia, w jaki sposób operacja obróbki wpasowuje się w ogólną działalność producenta.
Pierwszym priorytetem takiego podejścia jest zapewnienie niezawodności procesu oraz wyeliminowanie występowania odrzuconych części i nieplanowanych przestojów. Wiarygodność, ogólnie opisana, jest kwestią przestrzegania zasad. Jeśli producent nie rozpozna i nie uszanuje wpływu sił skrawających, termicznych i chemicznych na narzędzie, niezawodność zostanie zastąpiona awarią narzędzia.
Po ustaleniu stabilnego procesu, charakterystyki oprzyrządowania i warunki skrawania powinny być dobrane tak, aby odpowiadały ogólnym celom działalności związanej z obróbką metali. Na przykład maksymalizacja wydajności przy minimalnych kosztach może być głównym czynnikiem branym pod uwagę w masowej produkcji prostych części. Z drugiej jednak strony, w przypadku produkcji o dużej różnorodności i krótkich seriach złożonych części, przed zajęciem się kosztami produkcji należy położyć nacisk na całkowitą niezawodność i dokładność. Elastyczność jest wymogiem systemów narzędziowych stosowanych w takich scenariuszach małych partii (patrz pasek boczny).
Jeśli efektywność kosztowa jest głównym celem, oprzyrządowanie musi być dobrane w oparciu o niski koszt w przeliczeniu na krawędź skrawającą, a wybór warunków skrawania musi być zrównoważony z tym wyborem. Parametry obróbki powinny podkreślać długą żywotność narzędzia, a także niezawodność procesu. Z drugiej strony, jeśli jakość obrabianego przedmiotu jest najwyższym priorytetem, właściwym podejściem będzie wysokowydajne precyzyjne oprzyrządowanie stosowane w odpowiednich warunkach skrawania. Niezależnie od celu, każdy inny zestaw celów prowadzi do wyboru różnych warunków skrawania i narzędzi.
Wybór i regulacja parametrów skrawania
We wstępnym planowaniu obróbki nowej części wybór oprzyrządowania i parametrów skrawania należy rozpocząć od uwzględnienia metody obróbki, geometrii narzędzia i materiału narzędzia. Obrabiana część w dużej mierze determinuje te wymagania. Na przykład komponent lotniczy na bazie niklu może dyktować frezowanie profilowe za pomocą pełnowęglikowego frezu trzpieniowego o dodatniej geometrii. Wybór jest podyktowany podstawowymi celami warsztatu w zakresie szybkości produkcji, kosztów i jakości obrabianych przedmiotów i zależy od głębokości skrawania, prędkości posuwu i prędkości skrawania, które można zastosować do osiągnięcia tych celów.
Inny proces selekcji jest odpowiedni do modyfikacji istniejących operacji wytwarzania części w celu uzyskania lepszych wyników pod względem wydajności, ekonomii lub niezawodności. W takich przypadkach zaleca się podejście krok po kroku, zaczynając od zmian warunków skrawania, następnie geometrii, materiałów skrawających, koncepcji narzędzi, a na końcu metod obróbki. Warto zauważyć, że większość producentów pracuje w odwrotnej kolejności i najpierw rozważa zmianę narzędzi lub metod obróbki, próbując poprawić wyniki obróbki.
Znacznie łatwiejsze i zazwyczaj skuteczne podejście początkowe zaczyna się od zmiany parametrów skrawania. Warunki skrawania mają na nie szeroki wpływ, a zmiana prędkości skrawania lub posuwu o wartość nominalną może rozwiązać problem lub zwiększyć produktywność bez ponoszenia kosztów i poświęcania czasu na wymianę narzędzi.
Jeśli modyfikacja parametrów skrawania nie przyniesie pożądanego efektu, można wprowadzić zmiany w geometrii narzędzia skrawającego. Ten krok jest jednak bardziej skomplikowany niż zwykła zmiana parametrów, będzie wymagał zastosowania nowych narzędzi i zwiększy koszty narzędzi i czasu obrabiania. Inną alternatywą jest zmiana materiałów narzędzi skrawających, ale również wiąże się to z większymi nakładami czasu i pieniędzy. Wymiana samych narzędzi skrawających lub samych oprawek może być konieczna, ale stwarza to możliwość przejścia na narzędzia wykonane na zamówienie, co może dodatkowo zwiększyć koszty produkcji.
Jeśli wszystkie te kroki nie przyniosą pożądanego rezultatu, może być konieczna zmiana metody obróbki. Kluczem jest zbadanie zmian w sposób celowy, krok po kroku, który wyjaśni, jakie czynniki faktycznie przynoszą pożądany rezultat.
Ponieważ wydaje się, że jest to szybkie i łatwe podejście, wiele warsztatów korzysta z systemów CAM do wyboru narzędzi. Ta metoda jest skuteczna w wielu przypadkach, ale może nie zapewniać optymalnych rezultatów. System CAM nie uwzględnia pełnego zakresu indywidualnych charakterystyk operacyjnych. Na przykład zastosowanie frezu nie polega po prostu na połączeniu prędkości, posuwu i głębokości skrawania. Optymalne zastosowanie obejmuje różne czynniki, począwszy od ilości ostrzy we frezie, poprzez stopień odprowadzania wiórów i wytrzymałość narzędzia, aż po stabilność frezarki. Aby w pełni osiągnąć cele operacji produkcyjnej, konieczne jest rozpoznanie wszystkich tych czynników, niezależnie od tego, czy chodzi o szybkość skrawania, trwałość narzędzia, chropowatość powierzchni czy ekonomię.
Prędkość, posuw i głębokość skrawania
Wielu kierowników warsztatów uważa, że samo zwiększenie prędkości skrawania pozwoli wyprodukować więcej części w danym okresie, a tym samym obniżyć koszty produkcji. Na koszty wytworzenia składa się jednak więcej niż tylko wielkość produkcji. Przykładem może być operacja, w której zmiana narzędzia w trakcie pracy miałaby szkodliwy wpływ na jakość części i czas obróbki.
Zwiększenie prędkości skrawania doprowadziłoby do szybszej produkcji, ale zmniejszyłoby trwałość narzędzia. Koszty obróbki wzrosłyby ze względu na częstszą wymianę narzędzi i dłuższe przestoje maszyn podczas zmian.
Zwiększenie prędkości skrawania skraca trwałość narzędzia i może sprawić, że praca będzie mniej stabilna, podczas gdy zmiana głębokości skrawania lub prędkości posuwu ma minimalny wpływ na trwałość narzędzia. W związku z tym najlepsze wyniki uzyskuje się przy zastosowaniu zrównoważonego podejścia, które obejmuje zmniejszenie prędkości skrawania w połączeniu z proporcjonalnym wzrostem prędkości posuwu i głębokości skrawania. Zastosowanie jak największej głębokości skrawania zmniejsza liczbę wymaganych przejść skrawających, a tym samym skraca czas obróbki. Należy również zmaksymalizować prędkość posuwu, chociaż nadmierne prędkości posuwu mogą mieć wpływ na jakość obrabianego przedmiotu i wykończenie powierzchni.
W uogólnionym przykładzie zwiększenie prędkości skrawania ze 180 m/min do 200 m/min zwiększy wydajność skrawania tylko o około 10 procent, ale będzie miało negatywny wpływ na trwałość narzędzia. Zwiększenie posuwu z 0,2 mm/obr do 0,3 mm/obr zwiększy wydajność skrawania o 50 procent, przy minimalnym, jeśli w ogóle, wpływie na trwałość narzędzia.
W większości przypadków zwiększenie prędkości posuwu i głębokości skrawania przy tych samych lub niższych prędkościach skrawania spowoduje zwiększenie wydajności skrawania w danej operacji do poziomu osiąganego przy samych wyższych prędkościach skrawania. Jedną z zalet pracy w połączeniu z niższymi prędkościami skrawania z większymi posuwami i mniejszą głębokością skrawania jest mniejsze zużycie energii.
Ostatnim krokiem w optymalizacji parametrów skrawania jest wybór odpowiedniego kryterium pod względem minimalnego kosztu lub maksymalnej produktywności oraz wykorzystanie prędkości skrawania do precyzyjnego dostrojenia osiągnięcia tego kryterium. Model opracowany na początku XX wieku przez amerykańskiego inżyniera mechanika F.W. Taylora może pomóc w dokonaniu tego wyboru.
Model pokazuje, że dla danej kombinacji głębokości skrawania i posuwu istnieje pewien zakres prędkości skrawania, w którym pogorszenie jakości narzędzia jest bezpieczne, przewidywalne i kontrolowane. Podczas pracy w tym oknie można zakwalifikować i określić ilościowo zależność między prędkością skrawania, zużyciem narzędzia i trwałością narzędzia. Celem jest uzyskanie wyższej prędkości skrawania, która zmniejsza koszty czasu obrabiania, ale nie powoduje nadmiernego wzrostu kosztów narzędzi skrawających poprzez przyspieszone zużycie narzędzia.
Podłoże i geometria narzędzia
Dodatkowe kroki w optymalizacji aplikacji narzędzia mogą obejmować precyzyjne dostrojenie charakterystyki podłoża i geometrii narzędzia. Tak jak regulacja warunków skrawania wiąże się z kompromisami zależnymi od pożądanych wyników, tak maksymalizacja produktywności poprzez zmiany podłoża narzędzia wymaga równowagi między właściwościami podłoża.
Ponieważ krawędź tnąca narzędzia musi być twardsza niż cięty materiał, twardość jest kluczową cechą narzędzia. Wysoka twardość, szczególnie w podwyższonych temperaturach powstających podczas obróbki z dużą prędkością, wydłuża żywotność narzędzia. Twardsze narzędzie jest jednak również bardziej kruche. Nierównomierne siły skrawania występujące podczas obróbki zgrubnej, zwłaszcza w przypadku skrawania przerywanego z użyciem zgorzeliny lub zmiennej głębokości skrawania, mogą spowodować pęknięcie twardego narzędzia skrawającego. Niestabilność obrabiarki, mocowania lub przedmiotu obrabianego może również przyspieszyć awarię.
I odwrotnie, zwiększenie wytrzymałości narzędzia poprzez dodanie na przykład wyższego procentu spoiwa kobaltowego sprawi, że narzędzie będzie odporne na uderzenia. Jednocześnie zmniejszona twardość sprawia, że narzędzie jest narażone na szybkie zużycie i/lub odkształcenia podczas pracy z większą prędkością lub podczas obróbki przedmiotów ściernych. Kluczem jest zrównoważenie właściwości narzędzia w świetle obrabianego przedmiotu.
Wybór geometrii narzędzia wiąże się również z kompromisami. Dodatnia geometria skrawania i ostra krawędź skrawająca zmniejszają siły skrawania i maksymalizują spływ wiórów. Jednak ostra krawędź nie jest tak mocna jak zaokrąglona. Elementami geometrycznymi, takimi jak punkty styku T i fazy, można manipulować w celu wzmocnienia krawędzi skrawającej.
Krawędź styku w kształcie litery T – obszar wzmacniający za krawędzią skrawającą – ustawiona pod kątem dodatnim może zapewnić wystarczającą wytrzymałość do obsługi określonych operacji i materiałów obrabianych oraz maksymalnie zminimalizować siły skrawania. Fazowanie wyrównuje najsłabszą część ostrej krawędzi skrawającej, kosztem zwiększonych sił skrawania. "Twarde" geometrie kontroli wiórów prowadzą wióry pod stosunkowo ostrym kątem, aby natychmiast je zwijać i łamać. Geometrie te mogą być skuteczne w przypadku materiałów generujących długie wióry, ale dodatkowo obciążają krawędź skrawającą. "Miękkie" geometrie kontroli wiórów zmniejszają obciążenie krawędzi skrawającej, ale generują dłuższe wióry. Różne cechy geometryczne – a także obróbka krawędzi narzędzia, taka jak ostrza – mogą być łączone w celu optymalizacji wydajności skrawania w określonych materiałach obrabianych.
Konkluzja
Należy zauważyć, że podczas gdy pracownicy hali produkcyjnej i być może inżynierowie produkcji są bardzo zainteresowani parametrami skrawania i wydajnością, którą reprezentują, menedżerowie wyższego szczebla nie są tak zainteresowani tymi liczbami, jak celami biznesowymi operacji produkcyjnych jako całości. Ci, którzy dokonują wyboru parametrów skrawania i narzędzi skrawających, powinni najpierw pomyśleć o szerszych celach operacji obróbki skrawaniem w swojej firmie i wykorzystać je do kierowania wyborem warunków skrawania i narzędzi, które zapewniają wydajność, która umożliwi osiągnięcie tych celów.
Wszechstronność narzędzi dla nowoczesnych scenariuszy produkcyjnych
Produkcja przechodzi od produkcji masowej o dużej objętości do scenariuszy obróbki o dużej różnorodności i krótszych seriach w wyniku zwiększonego wykorzystania strategii produkcji just-in-time i rozwoju outsourcingu. Podwykonawcy coraz częściej produkują mniejsze partie w sposób przerywany, ale powtarzalny. Zrównoważenie produktywności i kosztów narzędzi wymaga oprzyrządowania, które zapewnia wszechstronność i elastyczność w szerokim zakresie zastosowań. Minimalizacja liczby różnych narzędzi w warsztacie skraca czas obsługi narzędzi i wydłuża czas dostępny na operacje obróbki.
Tradycyjnym sposobem na zwiększenie produktywności w pojedynczej operacji obejmującej długie serie identycznych części jest zastosowanie narzędzi specjalnie zaprojektowanych dla tego konkretnego procesu. Projektowanie i wdrażanie specjalnego oprzyrządowania jest opłacalne, gdy wydatek może zostać zamortyzowany w długim cyklu produkcyjnym.
Jednak zrównoważenie produktywności i kosztów narzędzi w zmiennych, mniejszych seriach jest lepiej osiągnięte dzięki wszechstronnym "uniwersalnym" narzędziom, które oferują elastyczność w szerokim zakresie zastosowań. Narzędzia te skracają czas przestoju, minimalizując czas potrzebny na zmianę nowego narzędzia w przypadku zmiany obrabianego przedmiotu. Eliminują również potrzebę konfigurowania i testowania nowych narzędzi.
Przykładem takich narzędzi jest seria frezów Seco Turbo. Narzędzia te oferują wszechstronność w szerokim zakresie zastosowań, zapewniając połączenie opłacalności i wysokiej wydajności. Pozytywna geometria frezów zmniejsza zużycie energii, co przekłada się na większą trwałość narzędzia oraz możliwość zwiększenia głębokości skrawania i posuwów.
Innym podejściem do uniwersalnych narzędzi jest skompletowanie zestawu narzędzi, które nadają się do różnych zastosowań. Narzędzia Seco Selection zostały zaprojektowane z myślą o zapewnieniu elastyczności. Wybrana grupa obejmuje ograniczoną liczbę narzędzi, które niekoniecznie muszą zapewniać absolutnie maksymalną produktywność lub efektywność kosztową w każdym zastosowaniu. Narzędzia te będą jednak najlepszym i najbardziej ekonomicznym wyborem, gdy wymagana jest maksymalna elastyczność w obróbce szybko zmieniającej się różnorodności materiałów i komponentów obrabianych detali.
