Новости при металорежещите инструменти

Инструменти, материалиСп. Инженеринг ревю - брой 1/2020 • 18.02.2020

Най-новите разработки при металорежещите и металообработващите инструменти са свързани с налагането на все по-стриктни стандарти и изисквания за качество, устойчивост, ефективност и производителност в индустриалното производство. Последните достижения при средствата за автоматизация и дигиталните технологии разкриват множество нови възможности в съвременните приложения за рязане на метали. Все по-комплексната геометрия на изделията, произвеждани в редица отрасли, създава и нови предизвикателства пред решенията за металообработка. В допълнение, механичните свойства на продуктите (например твърдостта) непрекъснато се подобряват. Ето защо е от изключителна важност цялостен и целенасочен процес на оптимизиране характеристиките на режещите инструменти да следва тази логична еволюция в хода на металообработващите процеси.

Усъвършенстването на функционалността на режещите инструменти е ключово изискване за повишаване на механичните им свойства особено в натоварващи производствени сценарии като високоскоростна обработка с голяма продължителност. Дизайнът, геометрията, формата, покритието, прогнозният експлоатационен живот и материалът за изработка на режещия инструмент са важни параметри, които влияят директно върху цената и качеството на продукта. Технологичният напредък в областта и постиженията в материалознанието позволяват непрекъснатото разработване на нови сплави и материали за металорежещи и металообработващи инструменти. Съществува голям потенциал за конструктивни модификации на инструменталната екипировка, нанасяне на иновативни покрития, нови стратегии за обработка и цифрови решения, които доближават обработващите цехове максимално до динамичните изисквания на съвременния пазар.

 

Нови технологии при материалите и покритията

Развитието на инструменталната технология е неделимо от прогреса при материалите за изработка, включително покритията, подобряващи повърхностните свойства на инструментите. Основно достижение в сферата на високоскоростното рязане (HSC) е праховата стомана за високоскоростни приложения (HSS). Конвенционално произведената чрез топене бързорезна стомана съдържа големи карбидни частици с ивична форма, има склонност към деформация по време на закаляване и ограничена якост на огъване и здравина. Бързорезната стомана, произведена по метода на праховата металургия, от друга страна, съдържа много малки и еднообразни карбидни частици. Тя притежава подобрени качества като висока твърдост и износоустойчивост, повишена якост на огъване и здравина (обикновено с 20 до 50% по-висока от конвенционалната бързорезна стомана). Това я прави подходяща за производството на инструменти, подложени на ударни натоварвания, като фрези, ножове за зъбонарязване, хобели и др.

На пазара се налагат и инструменти, изработени от напълно нови материали, например червячни фрези, които не са произведени нито от типична бързорезна стомана, нито от твърда сплав. Новият материал не съдържа въглерод, инструментът не е закален по метода на металните сплави, но се характеризира с възрастово втвърдяване, което подобрява износоустойчивостта на материала. Инструментите за зъбонарязване, изработени на базата на тази технология, могат да увеличат скоростта на рязане с повече от 50% в сравнение с конвенционалните бързорезни стоманени фрезови инструменти и дори с 30% спрямо съществуващите бързорезни стомани, произведени по метода на праховата металургия (HSS-PM).

Водеща тенденция при високоефективните материали е усъвършенстване на частиците и добавяне на микроелементи за подобряване свойствата на материала. И макар наноматериализацията при инструменталните материали все още да е по-скоро в лабораторен етап и да не е съвсем комерсиализирана, през следващите години се очаква нанотехнологичните материали за инструментална екипировка постепенно да навлязат във фаза на приложение.

Актуални проучвания на възможностите при твърдите карбидни и индексируеми вложки, микросвредлата и микрофрезите с диаметри под 0,1 mm показват, че в този сегмент вече се използват т. нар. суб-нано материали с размер на частиците около 0,7 mm. В други материали, като твърдите металокерамични сплави, се влагат частици с размери от 1 до 1,3 mm, които попадат в графата микрочастици. Финозърнестата твърда металокерамика показва в практиката много голяма здравина и използването й е свързано с възможности за значително подобряване работата на режещите инструменти.

Изключително бързо през последните години се развиват и технологиите при покритията. Най-широко прилаганите методи за покритие на режещи инструменти включват химическо отлагане на пари (CVD) и физично отлагане на пари (PVD). Понастоящем индексируемите карбидни вложки за обработка на детайли от стомана и чугун, по-специално струговите вложки, използват главно CVD покрития. При други типове инструменти, включително твърдите карбидни модели, се залага основно на PVD покрития. Основната тенденция е да се контролира посоката на растеж и размерът на частиците в комбинация с добавяне на микроелементи към покритието, за да се оптимизира работата му или да се подобри триенето между основата на инструмента и детайла. При някои модели преди нанасяне на покритието или след това се извършва допълнителна фина обработка, за да се подобрят характеристиките на рязане на инструмента.

PCD инструментите (от поликристален диамант) са сред областите, в които непрекъснато се наблюдават иновации. Популярно схващане е, че PCD технологията се прилага само за довършителна обработка, но някои PCD инструменти за рязане вече са достатъчно издръжливи, за да се използват в много по-широк спектър от приложения. По-честата обработка на алуминий в автомобилната промишленост и въздухоплаването са примери за приложения, които стимулират технологичното развитие и все по-широкото използване на PCD инструменти.

Разпространението на композитните материали, подсилени с въглеродни влакна, в аерокосмическата промишленост и вятърната енергетика, е друга тенденция, която се явява стимул за развитие в сегмента. Експертите прогнозират, че при покритията от алуминиев оксид (Al2O3) постепенно ще се наложат методи за отлагане на по-дебел а-фазен слой, контролирани техники за растеж, ориентирани към нуклеиране на частиците, техники за пречистване, намаляване и елиминиране на микропукнатините и капчиците в покритията и т. н.

Развитието при PVD технологията също е доста разнообразно. Специалистите отчитат ръст на разработките с цел подобряване износоустойчивостта на покритието, повишаване топлоустойчивостта му и намаляване триенето при триещите двойки “покритие-стружка” или “покритие-работна повърхност”. Възможно е в бъдеще значително да се редуцират характеристиките на пренос на топлина към инструмента при рязане. Съществува потенциал и за подобряване на механичните и химичните свойства на самото покритие чрез рафиниране на съставящите го частици.

 

Иновации при режещите ръбове и средствата за затягане

Дизайнът на режещите ръбове, включително пасивацията, е друг важен фактор за гарантиране производителността на инструмента. Прекъсвачите за стружки са често срещано предизвикателство при вложките за струговане. В миналото, поради ограниченията на процесите, ножовете от диамант или кубичен борен нитрид почти не разполагат с прекъсвачи на стружки. С непрекъснатото развитие на производствените технологии през последните години в остриетата от свръхтвърди материали се оформят лазерно гравирани вдлъбнатини или заварени издатини за отделяне на стружките. Някои производители разработват специализирани модели инструменти, като комбинират специален прекъсвач за стружки с два високопроизводителни PCBN материала (поликристален кубичен бор нитрид). Това позволява да се контролира напълно проблемът с намотаването на стружките, който се появява при по-сложни обработки.

Стабилното затягане на ножа също е една от предпоставките за безпроблемно и високоефективно рязане. През последните години производителите на металорежещи инструменти доказаха, че в методите на затягане на остриетата могат да се интегрират множество нови технологии. Ето и един пример от практиката. При груба обработка, характеризираща се с голяма дълбочина на рязане (4-10 mm) и голямо подаване (0,4-1,0 mm/r), за справяне с прекъсванията и голямата сила на рязане традиционно се избира устройство с горно затягане. За обработка се използват едностранни вложки с голям размер. Това е така, защото острието на едностранната вложка е малко, което го прави икономично, а горната плоча би могла да възпрепятства плавното изхвърляне на стружките.

За преодоляването на това ограничение някои компании разработват иновативни решения за позициониране от типа “лястовича опашка”, комбинирани с лостов механизъм за затягане. Новата система осигурява закрепване с висока устойчивост на двустранните вложки със сигурно захващане, като същевременно се избягва затягащата конструкция с горно притискане, която да блокира потока от стружки. Острието има клиновидно затягане от двете страни и системата за затягане е стабилна. Жлебът за позициониране на “лястовичата опашка” пасва на съответната позиционираща част на острието, което гарантира избягване на измятане на острието поради силата на рязане по време на процеса на обработка.

Редица иновации се наблюдават и при инструментите за рязане с пентагонални вложки (с пет режещи ръба). В сравнение с класическите петточкови остриета, някои нови серии на пазара имат по-дълбоки жлебове и по-голям диаметър на рязане. Освен позиционирането с “лястовича опашка”, острието и тялото са в повърхностен контакт, което прави затягането по-сигурно и стабилно. Острието е в състояние да понесе и страничната сила при довършителни работи. Ножовете за обработка и рязане с извити или правоъгълни рамена са все по-популярен начин да се предпазят режещите ръбове от износване със стружки.

 

Технологии за охлаждане на инструмента

Нови технологии за охлаждане на инструментите се използват главно при труднообработваемите материали. Прилагат се техники като охлаждане с високо налягане, охлаждане с течен азот и атмосферно охлаждане. Някои нови инструменти са базирани на технология, която директно доставя охлаждаща течност между стружките и предния ъгъл на ножа – под формата на флуид, разпръскван с висока скорост. Охлаждащият и смазващ ефект директно действа върху първата зона на деформация, където температурата на рязане на лицевата страна на острието е най-висока, като увеличаването на деформацията на стружките прави отчупването им по-лесно.

Технологията “dual-flight” при някои съвременни модели на пазара е подобрение на оригиналната технология “fly-flow” (летящ поток). Тя не само продължава да доставя с висока скорост течност за охлаждане по лицето на режещия ръб, но също така увеличава количеството на течността, която се разпръсква с висока скорост по фланговете му. Подобно на технологията “fly-flow”, това допълнително количество охлаждащ флуид се доставя директно между фланга и обработваната повърхност, като намалява триенето във вторичната зона на деформация и забавя износването на страничната част на инструмента. Срещат се и вариации с двойно подсигуряване – “double-flight flow”, които допълнително намаляват триенето във вторичните зони на деформация. Така износванията в ямките, във връзката, на страничното тяло и по следата от рязане значително се редуцират, а ръбът продължава да реже ефективно. Голямото намаляване на температурата редуцира риска от пластична деформация, което извежда тази технология сред водещите решения за намаляване на износването на инструментите.

 

Технология за азотно охлаждане с криогенна система

Тя може да се комбинира с използване на маслена мъгла (MMS) в зависимост от различните изисквания за обработка, за да се намали триенето и сцеплението между инструмента и стружките. Според производителите на металорежещи инструменти, базирани на такава технология, течният азот протича при температура -196°С през основния вал, корпуса и тръбата вътре в режещото тяло в нискотемпературната обработваща система на машината и след това преминава през изхода в режещата вложка, за да достигне по-малко от 1 mm от равнината на срязване. Такава нискотемпературна течност има изключително голям капацитет на охлаждане за високата температура, генерирана по време на рязане и може ефективно да попречи на топлината от рязането да се предаде на режещия ръб на ножа.

Причината за ефективността на тази система е, че центърът на материала на режещия инструмент се охлажда директно от шпиндела, така че охлаждащият ефект е концентриран върху тялото на острието.

Технологията за охлаждане с течен азот може значително да подобри ефективността на производството при труднообработваеми материали като титан, сплави на никелова основа, пластично желязо или уплътнено графитно желязо. В аерокосмическата, автомобилната промишленост и енергетиката използването на такива инструменти може значително да увеличи скоростта на рязане и да удължи живота на инструмента. Статистиките от проучвания показват, че използването на тази технология за фрезоване на вермикуларно графитно желязо (CGI) може да увеличи скоростта на рязане на металокерамичните инструменти с 60% и скоростта на рязане на инструментите от поликристален диамант (PCD) до три пъти.

Охлаждането на целия инструмент също е традиционно конструктивно предизвикателство за дизайнерите. Разработват се специални термични патронници, които могат да впръскват охлаждащата течност директно към режещия ръб. Техните многобройни кръгови дюзи под различни ъгли образуват струя, която намалява използването на охлаждащата течност със 70% и ефективно удължава живота на инструмента, като подобрява качеството на обработваната повърхност. В същото време тя не позволява на стружките да влизат в контакт с режещия ръб, така че да не се налагат вторични разходи за обработка.

Друг иновативен патронник, представен на пазара, има диск, върху който е оформен пръстеновиден прорез от разлика в диаметъра по посока на ножа. Охладителната течност се натрупва в резервоара в този точка, създавайки много високо налягане. От тази малка камера охлаждащата течност протича с високо налягане през пръстеновидния процеп като водопад през целия вал на инструмента. В края на инструменталния вал охлаждащата течност се стича под налягане в каналче, отмива се и след това директно се насочва към режещия ръб на инструмента с висока скорост, за да го охлади (в този процес охлаждащата течност не се разпръсква).

Системата има очевидното предимство да не изисква допълнителна втулка или отделно спомагателно устройство и да не налага извършването на допълнителни операции по време на зареждане на инструмента с цел оптимално охлаждане.

 

Мониторинг на състоянието на инструмента

В съвременните индиректни методи за мониторинг на състоянието на металорежещите инструменти се прилагат усъвършенствани сензори и анализиращи технологии за обработка на външни сигнали, които събират и обработват данни като сила на рязане, вибрационни характеристики, акустични емисии, температури и повърхностни характеристики. Тези технологии вече са приложими в реалното производство, а не само в тестови среди.

Шарките и цветовете на стружките, акустиката и разпространението на искри при металорязането също са фактори, които могат да предскажат хода на износване на инструмента. Сред нововъведенията в сегмента е система, базирана именно на измерването на два сравнително рядко изследвани фактора: цвят на стружките и разпространение на искрите. Тестовете откриват значителна връзка между тези фактори и живота на инструмента. Експериментите в областта непрекъснато разширяват набора от данни, които могат да бъдат взети предвид при разработването на платформи за мониторинг на режещите инструменти. Създават се все повече приложения, подходящи за решаване с машинно обучение, при което се използват голям брой променливи и входни данни, за да се прогнозира измерим резултат.

В тази област все по-масово навлиза и изкуственият интелект. Разработчиците от доста време правят опити да използват изкуствени невронни мрежи (ANN) в технологиите за мониторинг на режещи инструменти. Последните достижения в тази област са тествани в голямо разнообразие от среди и документират над 92% точност при прогнозиране на износването на инструмента. Разработените решения са подходящи както за различни обработващи операции като фрезоване, пробиване, разпробиване и оформяне, така и за широко разнообразие от режещи инструменти и материали за обработка.

 

Top