Иновациите, променящи света на инструментите

• Сред производителите на инструменти има силна конкуренция, като всеки работи усилено, за да спечели по-голям пазарен дял, предлагайки по-добри продукти или услуги
  
  
• Инструментите с отвори за смазочно-охлаждаща течност гарантират оптимална точност по отношение на специфичното направление на потока директно към зоната на рязане
  
  
• Lights-out механичната обработка (без присъствието на оператор) е концепция, която много компании прилагат, но чиято реализация невинаги е успешна

Няколко са икономическите и техническите фактори в областта на инструментите, които или дават възможност за иновации, или са двигател за тяхната комерсиализация под формата на продукти или услуги, насърчавайки тяхната употреба. Потребителите на инструментите пък са под непрекъснат натиск да намалят разходите за механична обработка и да подобрят пространствените допуски или финишната обработка на детайлите. Ако използването на по-усъвършенствани инструменти им позволява да постигнат това, то стимулът за внедряване на такива инструменти, разбира се, е огромен. Освен това, ако общите разходи за обработката се обмислят внимателно, включително амортизационните разходи на металообработващите машини и оперативните разходи за смазочно-охлаждащи течности, пряк и косвен труд, комунални услуги, заемано пространство и детайли, разходите за инструменти всъщност са много малък дял от цялото. Видът на използваните инструменти и параметрите на обработка обаче оказват съществено въздействие при максималното оптимизиране на останалите разходи. Това важи с особена сила за случаите, когато капацитетът е ограничен и търсенето надвишава ефективния капацитет, освен ако той не бъде разширен чрез редуциране на времената между различните етапи на обработка.

От друга страна, факт е, че сред производителите на инструменти има силна конкуренция, като всеки работи усилено, за да спечели по-голям пазарен дял, предлагайки по-добри продукти или услуги. Производителите на инструменти разработват нови и оптимизират съществуващи продукти чрез творческата дейност на персонала, работа в партньорство с доставчиците и крайните потребители.

В допълнение машиностроителите също играят критична роля в разработването и прилагането на инструментите, като те също са в симбиоза с производителите на карбидни инструменти и крайните потребители. По-високоскоростните и/или по-мощни стругове, фезови машини или обработващи центри позволяват използването на съвременна инструментална екипировка при високи скорости на отнемане, но същевременно тези инструменти изискват по-мощни и по-функционални машини. Освен това някои съвременни геометрии са съвместими само с многоосни металообработващи машини с ЦПУ. Когато крайните потребители закупуват нови металообработващи машини, обикновено се отчитат целите за качество на детайлите и продължителност на циклите, но често, за да се постигнат тези цели, е необходимо специфицирането на най-новите инструменти.

3D принтиране

При необходимост от получаване на уникална геометрия на детайл, за която не са налични стандартни инструменти, машинните инженери понякога сами си изработват такива и ръчно струговат детайла до желаната форма. Много експерти си задават въпроса дали адитивното производство би могло да елиминира тази практика. Някои са скептични и смятат, че въпреки че възможността да се принтира цял режещ инструмент ще предложи огромен потенциал за нови продуктови дизайни, издръжливостта, твърдостта и якостта, необходими за операциите по обработка, просто не могат да бъдат осигурени от 3D принтирани материали, поне засега. В допълнение един от най-важните аспекти на механичната обработка е доброто стружкоотвеждане, а тъй като 3D принтираните материали често са много порьозни в сравнение с полираните повърхности, отстраняването на стружките от режещата зона може да бъде затруднено. Някои водещи производители на инструменти вече представиха 3D принтирани решения, сред които: фрезови глави с олекотени адаптери за много специфични приложения; разстъргващ инструмент за производител на компоненти за електрически превозни средства; поликристални диамантени “сачмени” инструменти за механична обработка на съединители за хидравлични маркучи и др. Тези примери за 3D принтиране на карбидни режещи инструменти са интересни и удовлетворяват определени потребности, но приложенията им са нишови и повечето специалисти очакват в краткосрочен план адитивното производство на инструменти да запази тези си ограничения.

Един от производителите обаче разработва адитивен процес, който не само осигурява качеството на произвежданите продукти, но и позволява на компанията да отговори по-добре на изискванията на клиентите. В процеса могат да бъдат използвани полимери, качук, стомана, специфични видове закалена керамика, труднотопими метали и металокерамика. Производителят е изправен пред характерните за 3D принтирането предизвикателства – постигане на желаната точност, форма на детайла, качество на повърхността и др.

Недостатък на 3D печата, че инструментите излизат от камерата на принтера в полуготово състояние, тъй като е необходимо да бъдат синтеровани във високотемпературна пещ преди да бъдат струговани. В момента германска компания работи именно по технология, която ще елиминира етапа на синтероване. Целта е да се произведат 3D принтирани сменяеми пластини и свредла от волфрамов карбид и кобалт(WC-Co). Технологията все още не е комерсиализирана, но се очаква това да стане реалност към края на проекта през 2023 г. В допълнение чрез процеса на лазерно стапяне в прахово легло (laser powder bed fusion, LPBF) могат да се създадат интегрирани, специфични за приложението охлаждащи канали, които биха могли да удължат експлоатационния живот на тези инструменти. Тъй като обаче WC-Co е композитен материал с изключително високо съдържание на волфрам, лазерното синтероване би било предизвикателство.

Решението е радикалното регулиране на параметрите на изграждане. Докато принтирането на твърди материали чрез LPBF типично изисква предварително подгряване на основната плоча, компанията експериментира с температури до 900°C, близо два пъти повече отколкото при конвенционалните LPBF принтери. По този начин обаче се получават негативни ефекти по отношение на микроструктурата на материала. От друга страна, по-ниските температури на предварително подгряване допринасят за дефекти като пукнатини или липса на спояване. Затова екипът решава да използва NIR устройство за подгряване на праховото легло от горната му страна в комбинация с конвенционалния нагревател на основата. Така се редуцира общото количество топлина, преминаващо през принтирания детайл при изграждането му, което се очаква да ограничи появата на дефекти.

Впоследствие технологията може да се прилага и с други предизвикателни материали като високоякостни никел базирани сплави, труднотопими метали и интерметали – вид сплави с кристалографска структура, осигуряваща по-добри механични свойства при по-високи температури.

Новости при охлаждането

Доставянето на смазочно-охлаждаща течност до режещия ръб е от критично значение за всяко производствено приложение. То допринася за охлаждане на зоната на рязане, осигурява необходимото смазване и може да подпомогне стружкочупенето. В много случаи се използват външни линии, които доставят смазочно-охлаждащата течност близо до работната зона. Дългите стружки обаче могат да повлияят на този метод на охлаждане, като избутат маркучите встрани. В допълнение, ако е необходима смяна на инструмент или пластина, охлаждащите линии могат да бъдат преместени с цел получаване на по-добър достъп до инструмента. Дори когато се върнат в предходната им позиция обаче, доставката на смазочно-охлаждаща никога вече няма да протича както е било първоначално. Инструментите с отвори за смазочно-охлаждаща течност гарантират оптимална точност по отношение на специфичното направление на потока директно към зоната на рязане. При тази технология доставката на смазочно-охлаждаща течност не се влияе от стружкоотделянето и в някои случаи, ако се приложи високо налягане, отчупването на стружките дори може да се улесни. Има и приложения, при които този метод на охлаждане дава възможност за значително удължаване на експлоатационния живот на инструмента.

Технологията се реализира благодарение на голямата промяна по отношение на способността за пробиване на отвори с малък диаметър и много голяма дълбочина. Отчасти това се дължи на пробивните машини, които могат да достигнат необходимите скорости, и на държачите, които осигуряват по-стабилно захващане и редуцират биенето. Останалата част се дължи на инструментите, проектирани специално за това приложение. Има случаи, в които отворите са с диаметър около 1 до 1,5 мм и дълбочина от 10 до 20 пъти големината на диаметъра. В такива случаи може да бъде добавен материал в зоните, където е необходима допълнителна якост, която да позволи прецизното пробиване на пресичащите се отвори за смазочно-охлаждаща течност.

По-високи скорости

Машините и инструментите са в непрекъснато съревнование, но експертите смятат, че понастоящем водят инструментите, които могат да издържат на изключително висока повърхностна скорост. Това е възможно главно благодарение на покритията и технологиите им за нанасяне. Покритията продължават да еволюират, с повече слоеве и различни материали. Това са фактори, с които всички производители експериментират до известна степен. Промените в технологията на нанасяне са малко по-ограничени и не всички експериментират с това.

Един от процесите е високоенергийното импулсно магнетронно разпрашаване (high-power impulse magnetron sputtering или HiPIMS), което позволява металът да йонизира до наночастици, които да бъдат нанесени върху инструментите. Този процес осигурява по-добра адхезия и твърдост на покритието, като същевременно се поддържа отлично ниво на мазилност. В допълнение, благодарение на процеса могат съществено да се редуцират напреженията при натиск, което дава възможност за производството на по-остри инструменти. Това, от своя страна, предоставя по-голяма свобода на механична обработка, както и по-дълъг живот на инструмента.

Спестяване на време

Подобренията по отношение на експлоатационния живот се натрупват – удължаването му позволява да се понижат разходите за производството на един детайл, но в повечето случаи тези спестявания не водят до висока възвръщаемост. Една от причините за този ограничаващ фактор е продължителността на смяната на инструмента, която всъщност е загуба на време за обработка. Понякога тази загуба е малка, например около 5 минути, но в други случаи може да достигне 30 или повече минути. Ако има възможност да се внедри подлежаща на бърза смяна инструментална екипировка, например в рамките на 1 – 2 минути, спестяванията се натрупват много бързо. Машините от швейцарски тип предлагат голям потенциал в това отношение, тъй като смяната на една вложка може да отнеме 15 минути на инструмент. Ако в една работна смяна се подменят три инструмента, това прави 45 минути загуба на производствено време. Ако смяната се извършва за 2 минути 3 пъти дневно, това са 6 минути загуба. Тоест производителят може да си върне около 40 минути производствено време. Ако се пресметне за цяла седмица при две работни смени, спестяванията възлизат на близо 400 минути. Това може да бъде ключово при вземането на решение дали е необходимо допълнително оборудване или е възможно да се оптимизира експлоатацията на машините, с които производителят вече разполага.

Lights-out обработка

Lights-out механичната обработка (без присъствието на оператор) е концепция, която много компании прилагат, но чиято реализация невинаги е успешна. Понякога инструментите се забавят нарочно с цел да се удължи експлоатационният им живот и да се постигне цяла работна смяна, без да е нужно присъствието на оператор.

Това обаче невинаги е правилният подход. Инструментите се проектират за рязане в определен диапазон от параметри и експлоатационният им живот може да бъде прогнозиран само за този диапазон. Единствено когато е възможно да се прогнозира този параметър, може да започне обмислянето на работа без оператор.

Друга причина инструментите да се използват при подходящите параметри е управлението на стружките. Ако към инструмента не се подава достатъчно материал за обработка, може да се стигне до преждевременно износване, тъй като триенето ще е повече от рязането, както и до формирането на по-дълги стружки, които да блокират потока от смазочно-охлаждаща течност и да се причинят неизправности и при други инструменти.