Współczesne trendy rozwojowe w obróbce skrawaniem

Obróbka skrawaniem w technologii maszyn zajmuje miejsce w grupie obróbki kształtowej – ubytkowej. Jest wiodącą techniką wytwarzania i na razie nic nie wskazuje na to, aby miało się to zmienić. Zastosowanie obróbki skrawaniem jest bardzo szerokie i pozwala na uzyskanie gotowych elementów maszyn o wysokiej precyzji wykonania i można ją znaleźć praktycznie w każdej gałęzi przemysłu maszynowego. Ciągły rozwój obróbki skrawaniem oraz obrabiarek umożliwia uzyskiwanie coraz to większych dokładności geometrycznych, a także nadawanie wymaganych właściwości fizycznych warstwie wierzchniej. Poprzez zastosowanie nowoczesnych materiałów narzędziowych i narzędzi oraz nowoczesnego parku maszynowego sposoby skrawania są ciągle doskonalone, a uzyskiwane efekty obróbki coraz bardziej zadowalające. Poprzez aplikowanie najnowszych rozwiązań z zakresu obróbki skrawaniem możliwe jest obecnie wytwarzanie części maszyn szybciej, dokładniej i taniej. Najbliższe prognozy w zakresie technologii kształtujących przypisują obróbce skrawaniem jedną z dominujących ról.

Dotychczasowe trendy rozwojowe

W ostatnich latach napisano wiele na temat trendów rozwojowych w obróbce skrawaniem. Trendy te pokrywały się z aktualnym zapotrzebowaniem rynku na nowe technologie oraz z wymogami, jakie ten rynek definiował w stosunku do technologii kształtujących.

Jako przykład mogą tu posłużyć obróbki HSM (obróbka z dużymi prędkościami skrawania) i HPC (obróbka wysokowydajna), które od kilkunastu lat z powodzeniem są stosowane w polskich firmach produkcyjnych. Początki wdrożenia tych technologii na polskim rynku kojarzone były z niepewnością i ryzykiem. Dzisiaj dla wielu polskich firm technologie te stały się powszechne i nie sprawiają aplikacyjnych problemów.

Autor pracy [1] w 1998 roku zdefiniował podstawowe obszary rozwoju obróbki skrawaniem, które są następujące:

• obróbka z dużymi prędkościami,
• obróbka wysoko wydajna,
• obróbka na sucho,
• obróbka na twardo,
• obróbka kompletna.

Tak wyglądała sytuacja w polskich firmach pod koniec XX wieku. Niektóre z tych trendów były rozwijane już od wielu lat, jak np. obróbka na twardo, czyli obróbka stali zahartowanych o twardościach powyżej 45 HRC. Ciągły rozwój materiałów narzędziowych oraz obrabiarek, szczególnie intensywny w początkach XXI wieku, sprawił, że w przeciągu krótkiego czasu zmieniły się priorytety i dużego znaczenia nabrały technologie takie jak: obróbka hybrydowa, obróbka z zastosowaniem narzędzi wielozadaniowych lub specjalnych („inteligentnych”), mikroobróbka i obróbka superdokładna. Duże znaczenie w rozwoju obrabiarek i obróbki skrawaniem ma też rozwój technologii cyfrowej, szczególnie w sterowaniu obrabiarkami. Dzięki technologii cyfrowej w znacznym stopniu rozwinęły się systemy wspomagające wytwarzanie (głównie systemy CAM), przez co wzrosły możliwości obróbki skrawaniem w kształtowaniu skomplikowanych powierzchni.

Współczesne trendy rozwojowe

W 2018 roku na łamach miesięcznika „Mechanik” ukazał się artykuł [2], w którym autor dokonał następującej klasyfikacji:

• materiały narzędziowe i powłoki ochronne,
• narzędzia zespołowe,
• narzędzia sterowane i mechatroniczne,
• wspomaganie skrawania płynami obróbkowymi,
• kształtowanie kompozytów,
• kształtowanie kół zębatych,
• diagnostykę i nadzorowanie,
• nowe strategie skrawania,
• technologie hybrydowe.

Jak widać, autor [2] skupił swoją uwagę na nowoczesnych narzędziach i materiałach narzędziowych. Jako nowość podaje też kształtowanie kół zębatych, w przypadku którego coraz częściej stosuje się wysokowydajne frezy ślimakowe i tarczowe do obróbki obwiedniowej, a ponadto w narzędziach kształtowych stosuje się wymienne ostrza. Jako nowe strategie wskazuje głównie skrawanie z dużymi prędkościami skrawania i dużymi posuwami, przedstawiając te zagadnienia w różnym aspekcie.

Podziały

Współcześnie w literaturze przedmiotu istnieją różne podziały ze względu na tendencje i kierunki rozwoju. Autor niniejszego opracowania różni się optyką patrzenia na sposoby klasyfikowania współczesnych tendencji w zakresie obróbki skrawaniem i proponuje następujący podział:

• obróbka hybrydowa,
• mikroobróbka, obróbka superdokładna,
• obróbka z zastosowaniem narzędzi mechatronicznych lub specjalnych,
• obróbka skrawaniem w technologiach przyrostowych,
• monitorowanie procesu skrawania,
• obróbka wspomagana cieczami technologicznymi.

Obróbka hybrydowa

W odniesieniu do obróbki ubytkowej procesem hybrydowym nazywa się taką metodę obróbki, w której różne lub w różny sposób wytworzone formy energii zostają jednocześnie, tzn. w jednym zabiegu obróbkowym, wprzęgnięte w strefę jej oddziaływania na obrabiany materiał.

Wyraźne rozgraniczenie procesu konwencjonalnego od hybrydowego jest w wielu przypadkach trudne, ponieważ często występują dalsze formy energii, które jednakże nie są wnoszone do procesu przez źródło zewnętrzne. Przykładem tego może być samoindukowane skrawanie na gorąco, w którym zależne od procesu obróbkowego nagrzewanie zmniejsza umocnienie materiału w strefie skrawania i czyni go łatwiej obrabialnym. Energia pochodzi w tym przypadku od samego procesu skrawania i nie jest wnoszona przez dodatkowe źródło ciepła podczas realizacji procesu hybrydowego.

Do procesów hybrydowych nie można także zaliczać zarówno kinematycznego połączenia sposobów obróbki, w rodzaju np. frezotoczenia, jak też kombinacji sposobów, przy których różne technologie są sekwencyjnie stosowane na danym stanowisku roboczym, jak np. tłoczenie i wycinanie laserowe czy realizowane po sobie zabiegi, np.: toczenia, frezowania i wiercenia na centrum obróbkowym przy jednym zamocowaniu przedmiotu w ramach tzw. obróbki kompletnej. Szczegółowo problem ten został omówiony w pracy [3], w której autor w obszerny sposób pokazuje, czym jest obróbka hybrydowa w szerokim zakresie stosowania.

Przykład obróbki hybrydowej (obróbka skrawaniem)

Typowy przykład obróbki hybrydowej (toczenie wspomagane laserem) pokazano na rys. 1, na którym w jednym zabiegu obróbkowym zastosowano dwie różne formy energii, tzn. mechaniczną i cieplną. Przykład ten dotyczy toczenia ceramiki technicznej ostrzami diamentowymi. Zastosowana wiązka lasera ma za zadanie zmiękczyć materiał obrabiany i w ten sposób polepszyć jego skrawalność. Na rys. 2 pokazano, jak temperatura w miejscu padania wiązki lasera wpływa na zużycie ostrza podczas toczenia ceramiki technicznej ostrzem diamentowym. Im wyższa jest temperatura, tym materiał staje się bardziej miękki, dzięki czemu maleją opory skrawania, współczynnik tarcia itp., co bezpośrednio ma wpływ na trwałość ostrza.

Obróbka hybrydowa to nie tylko wspomaganie procesu skrawania, ale także innych technik wytwórczych. Na rys. 3 pokazano, jakie mogą być kombinacje procesów podstawowych i wspomagających.

Ponadto możliwość łączenia różnych technik, tak by jedna z nich wspierała drugą, pozwala na przeprowadzanie następujących obróbek hybrydowych [6]:

• obróbka udarowo-ścierna – luźne ścierniwo jest przemieszczane poprzez narzędzie, którego kształt odwzorowuje zarys wybrania do wykonania w przedmiocie,
• obróbka magnetyczno-ścierna MAF – wykorzystywana głównie do usuwania zadziorów,
• obróbka wysokociśnieniowa strugą wodno-ścierną,
• obróbka przetłoczno-ścierna wspomagana obróbką roztwarzania elektrochemicznego,
• różne inne kombinacje Ultrasonic – Laser Beam Machining – obróbka skrawaniem,
• technika druku 3D i frezo­wanie.