Внимание към детайла: прецизна обработка на метали

Начало > Машини > Статии > Специален брой: Производство на детайли от метал и пластмаса > 15.06.2023

  • С динамичното развитие на приложенията и технологиите в сферата на металообработката непрекъснато се изменят и стандартите за точност на детайлите

  • Все по-популярни при изделията с най-строги изисквания по отношение на допуските стават иновативни стратегии като ултрапрецизната обработка

  • Основен метод за изработката на прецизни метални изделия в модерните цехове е механичната обработка с ЦПУ

 

Сдинамичното развитие на приложенията и технологиите в сферата на металообработката непрекъснато се изменят и стандартите за точност на детайлите, както и изискванията за качество на повърхностите. Това неминуемо повлиява методите, оборудването и инструментите за прецизна обработка на метални заготовки.

Последните тенденции в сегмента в контекста на интелигентното производство и дигитализацията са свързани с възможностите за повишаване на степента на автоматизация, оптимизиране на работните параметри, подобряване на точността при класическите операции за металорязане и металообработване, редуциране на загубите на материал, както и с прилагането на иновативни стратегии като ултрапрецизна обработка.

 

Технологично развитие в сегмента

Технологиите в областта на механичната обработка на метали непрекъснато еволюират в епохата на Industry 4.0. Поръчките стават все по-сложни и нехомогенни, клиентските спецификации относно изделията все по-често включват детайлна персонализация, а сроковете за изпълнение са все по-кратки. Глобалната икономическа криза във връзка с COVID пандемията допълнително усложни обстановката, като зададе нови изисквания по отношение на пълноценното оползотворяване на материалите и намаляването на загубите.

Всичко това поставя множество сериозни предизвикателства пред компаниите, чиято дейност е в сегмента на прецизната обработка. За да запазят своята конкурентоспособност на този динамичен и наситен пазар и рентабилно да произвеждат специализирани продукти с високо качество, е необходимо да изберат правилното съчетание от методи, оборудване, инструментална екипировка и технологични операции.

Възможностите са много и най-разнообразни, като в зависимост от изходния метал или метална сплав, типа на заготовката, геометрията на детайла и наличното оборудване могат да се прилагат самостоятелно или в различни комбинации класически техники като фрезоване, струговане, пробиване, зъбонарязване, хонинговане, шлифоване и др.

Основен метод за изработката на прецизни метални изделия е механичната обработка с ЦПУ поради множеството предимства, които компютърното управление осигурява в процеса. На практика всяка машина с ЦПУ може да бъде програмирана да обработва прецизно и да придаде необходимите фини повърхности и специализирани характеристики на детайла, които често е практически невъзможно да се постигнат чрез конвенционална обработка.

В съвременните металообработващи цехове за такива приложения се използват различни типове системи с централно програмно управление, предимно фрези, стругове, машини за лазерно и плазмено рязане и електроерозийни машини. Все по-популярно решение са обработващите центри и машините за многошпинделна и многоосна обработка, които с мултифункционалните си възможности и опциите за едновременно манипулиране с повече от една заготовка позволяват гъвкаво и високоефективно производство на готови изделия в един работен цикъл – с едно захващане и на една работна станция.

В модерните предприятия непрекъснато набират скорост и иновативните хибридни центри, които комбинират класическа механична обработка (с отнемане на материал) с адитивно производство. При тях за минимален времеви период и с минимални загуби на материал могат да се произведат изцяло завършени изделия, които не изискват довършителна обработка.

 

Съвременни възможности, предимства и приложения

Що се отнася до дизайна на прецизните метални изделия, все по-масово се налагат тенденции като миниатюризацията, модуларизацията и т. нар. “Near net shape” производство на продукти с максимално близки до финалния вид геометрия, размери и допуски. Най-взискателните приложения през последните години наложиха и развиха потребности и от специален клас ултрапрецизни компоненти, при които изискванията при допуските са дори още по-високи от тези при стандартните прецизни метални изделия. За целта се прилагат специални методи за ултрапрецизна обработка, като една от иновативните съвременни възможности е използването на йонен лъч за постигането на изключително висока точност от порядъка на нанометри и резолюция дори под нанометровата – атомната скала.

За ултрапрецизно рязане се изисква изключително висока енергийна плътност, еквивалентна на енергията, която свързва атомите. Конвенционалните инструменти не разполагат нито със силата да издържат на такава енергия, нито твърдостта да понесат износването. Ето защо за ултрапрецизна обработка обикновено се използват специализирани варианти от монокристален диамант (SCD) или изключително фини абразиви за лепинговане или полиране.

С развитието на технологиите в контекста на четвъртата индустриална революция методите на прецизна обработка е необходимо своевременно да се адаптират към всички промени в изискванията и приложенията. Последните разработки в сегмента обединяват усилия на експерти в проектирането и специализирани инженери, които търсят оптималните стратегии за изработката на изключително фини и прецизни детайли с комплексни геометрии.

Посредством прецизно обработване могат да се произведат повърхности с различно качество и степен на гладкост. Допуските обикновено варират в диапазона от ±0,005 до ±0,01 мм. Прецизните метални изделия днес намират широко приложение в редица сектори като производството на електронни и полупроводникови компоненти, автомобилостроенето, оптиката, медицината и биотехнологиите, прецизното машино- и приборостроене, авиокосмическия сектор, отбраната и т. н.

Богат арсенал от метали и сплави позволяват прецизна обработка, а някои от най-използваните сред тях са: алуминий, месинг, бронз, мед, въглеродна, неръждаема и инструментална стомана, титан, както и някои от т. нар. “екзотични” сплави.

Прецизната обработка позволява много по-висока разходна ефективност в сравнение с голяма част от конвенционалните методи. Възможностите за оптимално оползотворяване на материала позволяват свеждане до минимум на загубите, а компютърното управление на процеса елиминира рисковете от човешка грешка.

Съществено предимство на технологията е високата й ефективност, която позволява да се изработват детайли с висока повторяемост и при висока скорост. Нещо повече – високата степен на автоматизация на съвременните системи с ЦПУ прави прецизната обработка и много по-безопасна от редица други традиционни техники.

 

Класически операции и иновативни стратегии

След като траекторията на обработващия инструмент веднъж е програмирана, практически всяка машина с ЦПУ може да мащабира производството до големи обеми и серии с висока повторяемост. В съвременните цехове прецизни метални детайли се произвеждат основно посредством фрезоване, 3-, 4- или 5-осно вертикално или хоризонтално струговане, обработка на струг от т. нар. швейцарски тип (специализиран в изработката на фини и високоточни компоненти) и др.

Фрезоването под различни ъгли на 2- до 5-осни конфигурации поначало се счита за прецизна обработка, а темповете на отнемане на материал са сравнително високи в сравнение със струговането или обработката на напречностъргателна или надлъжношлифовъчна машина. Много съвременни предприятия залагат и на високоскоростни стругово-фрезови операции, които постепенно се налагат сред водещите производствени методи за обработка на ротационно симетрични детайли.

Прецизното шлифоване е друга техника за постигане на високо качество на повърхностите и малки допуски при размерите. Използва се като основна или финална операция за изработката на даден детайл. Тъй като се счита за сравнително скъпа технология, обикновено се прилага основно за материали и дизайни, които се нуждаят от по-фина довършителна обработка.

Прецизни варианти съществуват и при редица от другите популярни методи за металообработка, включително рязане, щанцоване, пробиване, формоване и др. Машините за прецизно щанцоване например позволяват висока повторяемост, но за целта е необходимо високо ниво на контрол при променливи като налягането, скоростта и подравняването.

Популярни в практиката са специализираните машини за шлайфане и полиране чрез абразивна лента на листов материал, профили, тръби и прокат, които на модулен принцип могат да бъдат конфигурирани за различни приложения и гарантират високо качество на готовите метални изделия.

През последните години се наблюдава изключителен интерес към прецизната високоскоростна обработка. Прецизното леене, шприцването на метал и 3D принтирането пък гарантират, че се произвеждат детайли с много близки до крайните допуски и геометрии. В резултат на това намалява необходимостта от отнемане на голям обем материал чрез груба обработка.

При производството на матрици и пресформи използването на високоскоростна обработка като средство за съкращаване на работните цикли осигурява жизнеспособна алтернатива на традиционните методи. В космическата индустрия рязането на твърди и труднообработваеми топлоустойчиви суперсплави с керамични инструменти при изключително високи скорости и с малко количество отнет материал вече е сред предпочитаните практики. Що се отнася до производството на прецизни алуминиеви компоненти, високоскоростната обработка (HSM) в съвременните цехове е равносилна на “златен стандарт”.

 

Иновации и пазарни тенденции

Автоматизацията категорично е технологична тенденция без аналог по отношение на обхвата и силата си на влияние си върху модерната индустрия. В сферата на прецизната обработка тя се е превърнала в незаменимо условие за рентабилна, ефективна и качествена продукция. В прехода си към четвъртата индустриална революция все повече металообработващи предприятия се обръщат към фундаментални иновации като Industrial Internet of Things (IIoT) платформите, които чрез интегрираните в прецизните машини с ЦПУ сензори позволяват детайлен мониторинг на работните процеси в реално време, свеждайки до абсолютния минимум необходимостта от намеса на оператор. IIoT технологиите позволяват и висока степен на синхронизация между отделните машини в цеха, което допълнително редуцира нужните усилия от страна на персонала и повишава безопасността му.

Необходимостта от метални детайли с все по-прецизни допуски в редица взискателни приложения води до сериозен ръст в използването на 4- и 5-осни фрезови конфигурации. При петосното рязане са налице многократно по-висока ефективност, по-кратки цикли на обработка и много по-малко загуби на материал. За да повишат допълнително прецизността на продукцията си, все повече цехове въвеждат и оборудване за 6-осна обработка с ЦПУ за производството на компоненти с най-високите изисквания по отношение на скоростта, допуските и качеството на повърхностите.

При инструменталната екипировка през последните години се наблюдава ръст в търсенето и предлагането на специализирани решения за прецизна и ултрапрецизна обработка, което от своя страна логично води и до разширяване на кръга от приложения на метода. Същевременно нараства фокусът върху още по-стриктно ограничаване на загубите на материал. Производителите на оборудване предлагат иновативни решения на това предизвикателство – хибридни конфигурации, които комбинират отнемане на материал с адитивни техники, например струговане и фрезоване с директно метално лазерно синтероване или друг аналогичен процес.

Сред иновациите в сферата на прецизната обработка в епохата на Industry 4.0 са и облачните технологии, които позволяват интегрирането на усъвършенствани роботизирани системи, платформи с изкуствен интелект и високотехнологични решения за интуитивна колаборация на ниво човек-машина или машина-машина.
Изобилието от данни в интелигентната и опосредствана от сензори, IoT устройства, изкуствен интелект и машинно самообучение модерна металообработка е сред най-съществените ползи във връзка с възможностите за прецизиране на допуските и качеството на повърхностите.

Ключова е ролята и на т. нар. мултифункционални металообработващи машини и центри с ЦПУ, които разполагат с високоавтоматизирани системи за смяна на инструмента и позволяват на една конфигурация (и дори едновременно) да се извършват множество различни операции, като фрезоване, струговане, пробиване, резбонарязване, райбероване, зенкероване и др. Все по-търсени са и системите с възможности за многостранна (многоъгълна) и многошпинделна обработка.

В контекста на глобалния стремеж към декарбонизация на индустрията се популяризират и все повече технологии за повишаване на енергийната ефективност, мониторинг, измерване и редуциране на въглеродните емисии във връзка с производството на прецизни метални детайли.


Вижте още от Машини


Ключови думи: прецизна обработка, механична обработка, ЦПУ, метални детайли, прецизни компоненти, прецизно машиностроене, Industry 4.0



Редактор на статията:

Пепа Петрунова

Пепа Петрунова

Редактор

  • Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";

 

  • Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;

 

  • Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от тематични области.

 

Пепа Петрунова в LinkedIn

Новият Специален брой: Продукти и решения за енeргоспестяващо и устойчиво производство/2024

Специален брой: Продукти и решения за енeргоспестяващо  и устойчиво производство-2024

  ЧЕТЕТЕ БРОЯ ОНЛАЙН

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top