Високопрецизна обработка на повърхности

Осигуряването на оптимално качество на обработваните повърхности в комбинация с намаляване на сроковете и разходите за изпълнение е възможно единствено чрез оптимизиране на целия процес.

Съвременните достижения при инструменталната екипировка и технологиите за машинна обработка на повърхности позволяват постигането на грапавост на повърхнините от порядъка на няколко нанометра, което свежда до минимум или дори елиминира нуждата от полиране. За приложения, в които се търси още по-прецизно качество, подходящо решение е роботизираното полиране, при което времето за първоначална настройка и програмиране може да бъде спестено при множество компоненти, а сроковете за изпълнение стават с до 50% по-кратки.

Подобряване на качеството

Днес в множество сектори на промишлеността е необходимо изключително високо качество на обработваните повърхности на компонентите и изделията. Такива са оптичната индустрия, производството на инструменти, щанци и пресформи и др.

Сред взискателните приложения, налагащи постигането на нанометрична повърхностна грапавост, е гарантирането на уплътнителна функция между две повърхнини, обработката на незалепващи повърхности и повърхности с нисък коефициент на триене (например при компонентите за турбини или частите за двигатели) и др. При шприцформите за производство на високопрецизни пластмасови компоненти и изделия грапавостта на повърхнините (измервана чрез средноаритметичното отклонение на профила - Ra) варира от 0,03 до 0,05 mm.

При оптичните лещи Ra е със стойности в диапазона 1-5 nm. Подобни резултати при финишната обработка често са възможни единствено чрез ръчно полиране. Постигането на необходимото високо качество в комбинация с оптимизиране на сроковете и разходите за изпълнение налага въвеждането на ефективни технологии за високопрецизна обработка на повърхности.

Предизвикателства

Ръчното полиране е все още често прилаган, но твърде времеемък метод за повърхностна обработка, който на практика оскъпява процеса по производство на дадено изделие, а крайният резултат пряко зависи от сръчността и опита на ангажирания със задачата специалист. Ръчната повърхностна обработка на леярски форми и матрици например отнема близо половината от общото време за изработка на такива изделия, като представлява 12 до 15% от общия бюджет.

Намаляването на производствените срокове и разходи е възможно посредством прилагането на два подхода: оптимизиране процесите на машинна обработка, елиминирайки нуждата от полиране, или въвеждане на иновации в самия процес. И двете решения вече намират широко практическо приложение.

По отношение на финишната обработка, подобрените шлифовъчни технологии и използването на оптимизирани, често специално изработени шлифовъчни глави и дискове, спомагат за постигане на Ra=0,025 mm. Посредством електрохимична обработка тези стойности могат да бъдат сведени до 0,020 mm. В замяна на ръчното полиране, все по-масово се използват ротационни виброшлайфове (за грапавост от порядъка на 0,020 mm) или полировъчни валци, при които е възможно до 40% редуциране на Ra след струговане. В допълнение към тези широко прилагани техники, е възможно разработването и на други иновативни технологии, базирани на някоя от двете гореспоменати стратегии.

Високопрецизната обработка на повърхности с грапавост от микрометричен порядък на петосна фрезова машина, например, налага познаване, управление и оптимизиране на всички процесни параметри и условия, които влияят върху резултата. В много случаи подобно високо качество на повърхностите може да бъде постигнато чрез множество кратки цикли на обработка вместо един непрекъснат.

Необходимо е идентифицирането на фактори като точността на позициониране на машинната ос, точността на затягане, точността на еталонната точка, точността на диаметъра на инструмента, условията на обработка, работната среда и т. н. Фрезоването на цветни метали с монокристални и поликристални диаманти позволява постигането на изключително ниска повърхностна грапавост в сравнение с машинната обработка с карбидни инструменти. Възможни са високи резултати както при челно фрезоване, така и при фрезоване на свободни форми (free-form milling).

Условия и стратегии

Обработващият инструмент представлява само едната половина на уравнението. Работните условия и стратегиите за фрезоване са също толкова критични при високопрецизната обработка на повърхности. Тестовете при черни метали, които не са подходящи за машинна обработка посредством диамантени инструменти, спомагат за разработването на оптимизирани стратегии за постигане на висококачествени повърхности с помощта на твърдосплавни инструменти. При фрезоване в свободна форма на титан (Ti6Al4V) е възможно постигането на Ra=0,331 mm, а при неръждаема стомана 316L – 0,367 mm.

През последните години много проучвания в областта на високопрецизната обработка на повърхности са фокусирани върху тестването и прилагането на хибридни технологии с химичен или физичен процес, който да подпомогне основния процес на металообработка. Една такава обещаваща технология с вече реално пазарно приложение е ултразвуковото шлифоване (UAG). Методът е базиран на цилиндричен инструмент с диамантена паста за отнемане на материал, който се върти с висока скорост на фрезоване и вибрира с ултразвукова честота. При твърди и закалени материали обикновено е възможно постигането на RaЈ0,003 mm.

Шлифоването на твърди и крехки материали с грапавост от порядъка на Ra=0,005 mm може да бъде осъществено посредством силно абразивни шлифовъчни кръгове. По време на процеса тези абразивни колела подлежат на високо натоварване и постепенно заглаждане, което води до получаването на пукнатини и увреждания под повърхността.

Иновативният процес на шлифоване ELID (electrolytic in-process dressing, в превод “електролитно заточване по време на обработка”), е разработен именно да преодолява подобни проблеми. При него шлифовъчният кръг непрекъснато се заточва, докато трае абразивното третиране на детайла. Този процес свежда до минимум проблемите във връзка с високото натоварване и изглаждането на шлифовъчните кръгове, като същевременно позволява непрекъсната обработка и постигане на огледален финиш при трудно обработваеми повърхности, неподходящи за шлифоване с финозърнести дискове (6000 – 8000).

В приложения, при които полирането не може да бъде избегнато, могат да бъдат прилагани нови технологии като плазмено или лазерно полиране. Лазерът топи повърхността, а плазмата отстранява металните йони по време на електрохимичния процес. И при двата метода може да бъде постигната грапавост от порядъка на 0,05 mm.

Ако все пак се налага конвенционално полиране, процесът може да бъде автоматизиран. Роботизираното полиране е метод за високопрецизна обработка на повърхности, при който резултатите са подобни на тези при ръчното полиране, но с еднократно програмиране на системата тези резултати могат да бъдат възпроизвеждани многократно и с постоянно високо качество.

Сред множеството процеси за повърхностна обработка, които могат да бъдат извършени в зависимост от приложението на компонента или изделието, са: боядисване, механична, електрическа и химична обработка (анодиране, електро- и химическо никелиране, хромиране, електролитно нанасяне на медно покритие, цинково фосфатиране, прахово и пясъчно бластиране, вибрационно шлайфане, ултразвуково почистване, месингово отгряване, ецване и т. н.).

Моделиране и малки партиди

В зависимост от желаната степен на прецизност при обработката на повърхности е възможно прилагането на комбинация от хардуерни и софтуерни решения с цел оптимизиране на резултатите. Обикновено е необходима регулярна проверка на точността на металообработващата машина. Необходими са и комплексни измервателни и симулационни инструменти, когато е нужно да се работи с по-висока от базовата прецизност.

В много приложения, при които водещо е високото качество на обработваните повърхности, инструменталната екипировка се използва само до определен момент, след който е налице риск от компрометиране на точността. Когато се търси оптимална разходна ефективност, обаче, е необходимо въвеждането на допълнителни технологии като виртуална симулация и компенсация на износването на инструмента.

Моделирането на процеса на високопрецизна обработка чрез дигитални платформи позволява внимателен подбор на хардуерните и софтуерни решения и фино конфигуриране на работните параметри с цел постигане на оптимален резултат. Усъвършенстваното управление на процеса на обработка и оборудването на базата на големи обеми събрани данни е една от многото възможности на Индустрия 4.0, благодарение на които системата може автоматично да реагира преди настъпването на каквито и да било отклонения от работната програма и да предотврати бракуването на компоненти и цели партиди.

С цел постигането на високо качество на обработваните повърхности е важно предварителното елиминиране на възможно най-много проблеми и потенциални грешки посредством производствена симулация. В допълнение, е препоръчително осъществяването на непрекъснат мониторинг на състоянието на машините и поведението на материалите по време на процеса на обработка. По този начин е възможно превантивното отстраняване на потенциални неизправности чрез подходящи и навременни коригиращи мерки.

След финализиране на дизайна и валидиране на прототипи, прецизните компоненти обикновено се произвеждат в малки или по-големи серии. И ако по време на прототипирането все още са допустими грешки и ръчни корекции, то при фактическото производство е необходимо гарантиране на оптимална прецизност с цел осигуряване на разходно ефективна работа.

Предвид факта, че условията на обработка могат силно да варират по време на серийното производство (например вследствие загряване или износване на инструментите), факторите, водещи до потенциални отклонения, е необходимо да бъдат стриктно проследявани, а отклоненията – предотвратявани. Обикновено това се постига чрез автоматизиране, но на такова подлежат само процеси, които могат да бъдат надеждно възпроизвеждани и/или напълно управлявани.

С намаляването на партидите потребността от предварително елиминиране на потенциалните грешки нараства. И докато едросерийното производство позволява отделяне на повече време за проектиране, разработване и усъвършенстване на процесите, за производствата в малки партиди и серии качеството на готовите компоненти е необходимо да бъде гарантирано от самото начало.

Управление на процеса и машината

По време на машинната обработка могат да се използват различни сигнали като индикатори за даден резултат. Всеки модерен обработващ център с ЦПУ разполага с индикация на моментните стойности на прилаганата сила и използваната мощност за обработка на материала. На тяхна база, обаче, трудно могат да се изчислят и предвидят комплексни аспекти на процеса като износването на инструмента. Най-съвременните разработки в областта залагат на прецизиране на машинните индикатори с цел по-ефективно управление на процесите на повърхностна обработка и оборудването.

Сред прилаганите решения са проследяване на износването чрез изследване на акустичните емисии на машината в комбинация с данните от индикаторите за прилагана сила. Сравняването на високочестотните акустични емисии с износването на инструмента по време на обработка открива стриктна корелация между двете, която се влияе от вида на инструмента, обработвания материал и работните параметри.

Ето защо една система за мониторинг на акустичните емисии на металообработващата машина може да бъде използвана и като инструмент за проследяване износването на инструментите, но с въвеждане на референтни граници в зависимост от инструменталната екипировка, работните условия и обработваните материали. Когато са налице отклонения, това би бил сигурен сигнал за оператора, че е време за смяна на инструмента, за да се избегне неговото счупване или повреждане. Основно предимство от въвеждането на подобен тип мониторинг е, че чрез него могат да се контролират по-стриктно процесите на високопрецизна обработка на повърхности, тъй като с увеличаване на износването се увеличава и грапавостта на повърхнината.

С прилагането на широк диапазон от сили и движения при фрезоване обработващите машини често постепенно губят точността си с времето. Появяват се малки отклонения в работата им, които обаче биха могли да доведат до сериозни проблеми при повърхностната обработка. Ключови в такива сценарии са превантивната поддръжка и регулярните проверки на точността на машината.

Компоненти с близка до крайната форма

Съвременните технологии за машинна обработка позволяват производството на т. нар. near-net shape (NNS) компоненти или такива с близка до крайната форма, в един производствен цикъл. При тях обаче също са необходими процеси на финишна обработка с цел постигане на желаното високо качество на повърхнините.

Иновативни технологии, като триизмерното лазерно сканиране, повторното напасване (realignment) и най-съвременните решения при приспособленията за затягане на инструментите и захващане на детайлите, спомагат за осъществяване на паралел между адитивното и конвенционалното производство на изделия и компоненти чрез отнемане на материал.

Благодарение на този технологичен напредък, свободата на дизайна, постигната благодарение на триизмерния печат, намира все повече приложения и при високопрецизните компоненти.

Изделия с близка до крайната форма, които се изработват чрез адитивно натрупване на прахови материали, се използват все по-масово в съвременното машиностроене, в автомобилния и медицинския сектор.

Макар адитивните технологии на този етап все още да не са в състояние да осигурят високо качество на повърхностите при най-прецизните компоненти, използвани в тези индустрии, те предоставят база за разработването на гъвкави и разходно ефективни хибридни производствени платформи, комбиниращи адитивни методи и техники за следмашинна обработка.

Петосното фрезоване позволява директно производство на прецизни детайли чрез използване на стандартни обработващи инструменти. Въпреки това, за да бъде гарантирана желаната висока прецизност, е необходимо стриктно познаване, управление и оптимизиране на всички процесни параметри, влияещи върху точността на крайния продукт. Конвенционалното 5-осно фрезоване трябва да бъде извършвано с нивото на точност на шлифоване с цел постигане на микрометричен порядък при грапавините на повърхностите.

Добавяне на функционалност

Повърхностната функционалност е важно качество на високотехнологичните съвременни компоненти и изделия. Тя добавя стойност към продукта, подобрява ефективността им и дори разширява приложенията им.

Най-общо, “функционализирането” на повърхността може да бъде определено като добавяне на нови свойства и функции на даден детайл чрез обработка на неговите повърхнини.

Пример за такава повърхността функционалност е хидрофобността или свойството да се отблъскват водни маси. Увеличеният ъгъл на контакт с водата гарантира, че водните молекули няма да образуват филм върху повърхността на детайла или изделието, а по-скоро капчици, които лесно ще се отделят или търкулнат.

Това означава, че те няма да могат да се превърнат в лепкав слой върху повърхнината, когато носят в себе си прахови частици и замърсявания. Така на практика повърхността ще може да се самопочиства, предотвратявайки образуването на лед или биофилм. Това свойство е особено важно при техниката в хигиенно изпълнение за хранително-вкусовата промишленост, медицинския сектор и т. н.

Друго свойство, което може да бъде добавено посредством повърхностна обработка, е аеродинамичността – чрез формиране на слоеве, намаляващи турбулентността. Създаването на повърхностна текстура, например ефект “топка за голф”, може да промени коефициента на триене на повърхнината, а мини вдлъбнатините да се превърнат в локални депа за смазочно-охлаждащи флуиди по време на машинна обработка.

Това значително би редуцирало износването на подвижни елементи и механизми като оси и предавки. Посредством високопрецизна обработка на повърхностите би могло да бъде променено поведението на даден детайл при топлинно натоварване, да се подобри естетичният му вид или пък да се добавят хаптични свойства като мекота при докосване.