Иновации в сферата на инструментите

• Индустрията за производство на инструменти успява да поддържа високо ниво на иновации, които позволяват повишаване на конкурентоспособността чрез реализиране на спестявания, увеличение на производителността и капацитета, както и подобрение на качеството
  
  
• През последните години се наблюдава нарастваща тенденция за по-сложни “формовани” (не шлифовани) геометрии на вложките, които не могат да бъдат създадени посредством просто едноосно захващане
  
  
• Софтуерът за избор на инструменти допринася за ускорено внедряване на по-нови решения с още по-добри експлоатационни характеристики

Инструментите за металообработка, под една или друга форма, съществуват откакто човечеството за първи път изработва метални предмети. До началните етапи на индустриалната ера повечето инструменти се изработват от някакъв вид закалена стомана, а основните видове инструменти – струговащи, фрезоващи и пробивни, всеки с различни подкатегории, се разграничават ясно в зависимост от геометриите им.

Може би най-значимото събитие, което променя почти изцяло света на инструментите е създаването на металокерамичната твърда сплав – карбид. През следващите няколко десетилетия се наблюдава вълна от иновации, които подобряват експлоатационните характеристики на карбидните инструменти и разширяват диапазона им на приложение.

Повечето от ключовите технологии в областта съществуват вече в продължение на няколко десетилетия, което очаквано води до стандартизация в определена степен при някои продуктови групи и пазари. Индустрията за производство на инструменти обаче успява да поддържа високо ниво на иновации в повечето от областите си, които позволяват повишаване на конкурентоспособността чрез реализиране на спестявания, увеличение на производителността и капацитета, а в някои случаи и подобрение на качеството.

Движещите сили

Няколко икономически и технически фактора осигуряват възможността за развитието на сектора, комерсиализирането на иновациите като продукти или като услуги, насърчаващи тяхното приложение.

Крайните потребители на инструментите са под непрекъснат натиск да редуцират разходите за механична обработка и да оптимизират допуските или повърхностния финиш на детайлите. Ако използването на по-усъвършенствани инструменти ще позволи постигането на тези цели, то потребителите са силно стимулирани да внедрят тези решения. В допълнение, ако се отчетат общите разходи, включително за амортизация на металорежещите машини и оперативни разходи за охлаждащи течности, пряк и косвен труд, комунални услуги и др., разходите за инструменти представляват много малък процент от тях.

Оптималният размер на всички други разходи обаче зависи предимно от това какви инструменти се използват и при какви параметри на механична обработка. Това важи с особена сила в случаи с ограничен капацитет, когато търсенето на продукти надвишава ефективния капацитет.

От гледна точка на производителите на инструменти движещата сила е високата конкуренция в сектора и множеството компании, стремящи се да предложат по-добри продукти и услуги на клиентите си. Производителите разработват нови и оптимизират наличните си продукти, работейки в сътрудничество с доставчиците на оборудване и технологии и с крайните потребители, които тестват новите решения.

Машиностроителите също имат ключова роля за развитието на сектора. По-високоскоростните и/или по-мощните стругове, фрезови машини или обработващи центри позволяват използването на съвременни инструменти при високи нива на отнемане на метал и обратно – инструментите с по-добри експлоатационни характеристики са подходящи за по-мощни машини, предлагащи повече възможности. Освен това някои геометрии могат да се реализират само с многоосни металорежещи машини с ЦПУ. При закупуването на нова металорежеща машина инвестицията отразява както качеството на детайлите, така и целевата продължителност на циклите. За да се отговори на тези изисквания често се налага специфицирането на най-новите инструменти.

Усъвършенствани макрогеометрии

Металорежещите карбидни вложки със стружкочупещи геометрии от една или от две страни се използват от няколко десетилетия, докато шлифоването се прилага за създаването на по-сложни геометрии. През последните години се наблюдава нарастваща тенденция за по-сложни “формовани” (не шлифовани) геометрии на вложките, които не могат да бъдат създадени посредством просто едноосно захващане. Адитивното производство също има роля в тази тенденция.

Движещата сила на този тренд от гледна точка на производителя на инструменти е възможността да предложи по-сложни геометрии, същевременно избягвайки свързаните с шлифоването високи разходи, както и да изработи геометрии, които не биха могли да се получат чрез шлифоване. За крайния потребител тези инструменти предлагат по-голям брой режещи ръбове за една вложка, в някои случаи в комбинация с по-стабилно захващане към държача.

Прецизни микрогеометрии

По-голямата част от инструментите са с хонингован ръб, който, макар да понижава малко режещите сили, в действителност е с по-висока якост и осигурява по-добра стабилност по отношение на размерите на детайла, като подобрява и адхезията на покритието върху режещия ръб. Тъй като обработката на режещия ръб не е видима и често не е специфицирана открито, е лесно да се подцени значимостта на тази характеристика на инструментите.

По отношение на експлоатационните показатели обаче, тя може да е също толкова важна, колкото по-видими характеристики като макрогеометрията и покритието. Чрез контролиране на размерите при обработката на режещия ръб в по-тесни граници, ще се постигне съответно подобрение в стабилността.

Друга новост в тази област е прилагането на хонинговане в различна степен по отделните участъци на режещия ръб. По-слабото хонинговане в зоните на режещия ръб, които влизат в детайла по време на рязане и които са под напрежение на натиск, води до редуциране на режещите сили, което ограничава пластичната деформация и генерирането на топлина. По-силното хонинговане в дълбочина на режещата линия пък осигурява по-висока якост на инструмента в зоните, в които това е необходимо. При правилно приложение на тази техника тя позволява реализиране на по-високи скорости на отнемане на метал, удължаване на експлоатационния живот на инструмента и подобряване на повърхностния финиш на детайла.

Нестандартни вложки за машини с ЦПУ

Повечето стандартни металорежещи вложки съответстват на условните означения по ANSI/ISO – поредица от букви обозначава физичната форма на вложката и нивата на допуск, а серия от цифри дава информация за основните й физични размери. Тези вложки обикновено са подходящи за прости металорежещи операции, но ако е необходимо изпълняването на множество операции, типично се налага извършването на една или повече смени на инструмента, което води до удължаване на цикъла на механична обработка.

Нестандартните по ANSI/ISO вложки от много години се използват в резбонарязването, нарязването на канали или отрязването, като повечето от тях могат да се приложат и при прости стругови операции.

Някои производители обаче стигат по-далеч, предлагайки вложки с геометрия собствена разработка, съвместно със съответните държачи и CNC програми, които при използване на струго-фрезова машина позволяват изпълнението на множество операции. Това елиминира необходимостта от една или повече смени на инструмента и редуцира циклите на обработка за комплексни стругови операции.

Усъвършенствано PVD покритие

Покритието, нанесено посредством физично отлагане на пари (PVD), е почти повсеместно сред цилиндричните инструменти от бързорезна стомана и карбид, но е широко разпространено и при вложките. Основното му предимство е, че поради полагането му при ниски температури под точката на отгряване на субстрата, се поддържат напрежения на натиск, които го уякчават. Същевременно и напрегнатото състояние на самото покритие е натисково.

В резултат ръбовете на инструмента са по-здрави, дори ако са остри или с много слабо хонинговане. Недостатъкът на PVD покритието в сравнение със CVD (отлагане на химически пари), а именно трудното полагане на прилепващи плътни покрития или такива, осигуряващи химическа стабилност, е сведен до минимум посредством иновации при захранванията и системите за управление. Тези иновации дават възможност за гладки прилепващи (и, ако е необходимо, плътни) покрития с контролирано напрегнато състояние и висока износоустойчивост. Тази новост при съвременните инструменти с PVD покритие им позволява работа при по-високи скорости с трудни за обработка материали.

Иновативни керамични материали

Керамичните инструменти се използват предимно за механичната обработка на три много различни класа материали за детайли – чугун, твърди стомани и базирани на никел суперсплави. Тяхното основно предимство пред карбидите е възможността за високи скорости на обработка.

Ранните Al2O3 базирани инструменти, поради своята ниска якост, се използват главно за непрекъснати процеси на струговане на чугун и твърди стомани. Последващото разработване на Si3N4/SiAlON и подсилен със силициев карбид Al2O3 съществено разширява областта на приложение на керамичните материали заради по-високата им якост и устойчивост на термична умора. Новите керамични материали продължават тенденцията към все по-високи скорости на рязане и отнемане на метал.

Свръхтвърди инструменти

Свръхтвърдите инструменти продължават да увеличават дяла си на пазара на металорежещи решения поради изменения в използваните за детайлите материали (използването на повече леки сплави и неметали води до повишено търсене на поликристални диамантени инструменти например) и технологичния напредък в областта.

Поликристалните кубични бор-нитридни (PCBN) инструменти пък са особено подходящи за струговане на твърди черни метали.

Цилиндрични инструменти с усъвършенствани геометрии

Цилиндричните карбидни инструменти и тези от бързорезна стомана, обикновено с PVD покритие, се използват за повечето операции по пробиване на отвори с по-малки диаметри и фрезоване. Интегрирани отвори позволяват използването на охлаждащи течности при машини, оборудвани със система за охлаждане през шпиндела, като така се поддържат ниски температури и добро отвеждане на стружките.

Степента на геометрична сложност и диференциране, която може да бъде получена, е доста впечатляваща, като се има предвид, че инструментът представлява на практика прост цилиндър от твърд материал. С увеличаването на прецизността на съвременните шлифовъчни машини, добавянето на още оси и интегрираното проектиране с шлифовъчни програми става възможно реализирането на още по-усъвършенствани инструменти.

Модулни цилиндрични инструменти

Карбидните цилиндрични инструменти са широко разпространени и са предпочитаният избор за множество операции, но те имат два недостатъка – за изработката на целия инструмент, включително на края, който влиза в държача и дори не е изложен на топлина и износване, се използва скъпоструващ материал и поради високата им цена тези инструменти се възстановяват няколкократно, което е свързано с допълнителни усложнения при управлението на наличностите. Поради тези причини модулните цилиндрични инструменти, най-вече свредла, придобиват все по-голяма популярност.

Модулните фрези са по-малко разпространени от свредлата, основно заради факта, че много от тях се използват за операции, изискващи наличието на почти цялата дължина на инструмента, но и поради високите странични натоварвания, които затрудняват проектирането и производството на такива решения. Напоследък обаче се появяват модулни фрези, при които този проблем е отстранен и те предлагат аналогични експлоатационни характеристики на тези на карбидните им аналози.

Софтуерни новости

В исторически план изборът на инструменти се води от комбинация от съществуващи практики, съвети от специалисти и параметрите на рязане в каталозите на производителите или на уеб страниците им. Въпреки че този подход дава резултати, той отнема много време, дори и на висококвалифицираните и опитни инженери. В рамките на последните няколко години някои производители обединяват всичко това и други познания в “експертни системи”, позволяващи на крайния потребител, конструктора на машини или дори инженерния екип на компанията производител да въведе данни за материала на детайла и мощността на металорежещата машина в софтуерна програма. Софтуерът, от своя страна, връща списък на препоръчителни инструменти и параметри на механична обработка.

Освен че спестява време за всички страни, софтуерът допринася за ускорено внедряване на по-нови инструменти с още по-добри експлоатационни характеристики, което носи ползи както за производителите на инструменти, така и за крайните потребители.