Współczesne trendy rozwojowe w obróbce skrawaniem

Mikroobróbka skrawaniem, obróbka superdokładna

Mikrowytwarzanie jest definiowane jako wytwarzanie komponentów o składowych rozmiarach od kilkuset mikrometrów do kilku milimetrów [7]. W przypadku np. frezowania o mikroobróbce mówimy wtedy, gdy średnica narzędzia nie przekracza 1 mm [8, 9]. Intensywny rozwój mikroobróbki jest głównie stymulowany ze strony przemysłu medycznego i elektronicznego. Mikroobróbka, a szczególnie mikrofrezowanie w dużej mierze podobne jest do frezowania konwencjonalnego, jednak ze względu na inną skalę pewne czynniki mogą zmieniać charakterystykę procesu. Z kolei obróbka superdokładna ma wiele wspólnego z mikroobróbką, jeśli chodzi o stosowaną strategię obróbki, a szczególnie o wartości posuwu na ostrze. W obu wymienionych technikach bardzo ważną rolę odgrywa promień zaokrąglenia głównej krawędzi skrawającej r_n.

Wydaje się rzeczą oczywistą, że im mniejszy jest promień r_n, tym lepiej i tym bardziej dokładnie będzie obrobiona powierzchnia. Ale, jak mówi przysłowie, „każdy kij ma dwa końce”. Im mniejszy jest promień r_n, tym mniejsza jest trwałość ostrza (w ogólnym tego słowa znaczeniu). Jednak w przypadku obróbki superprecyzyjnej wymagamy osiągnięcia odpowiednich parametrów mikronierówności powierzchni obrobionej i trwałość ostrza schodzi na drugi plan. I z tego powodu w warunkach obróbki superprecyzyjnej staramy się uzyskać narzędzia o jak najmniejszym promieniu r_n. Ogólnie przyjęło się stwierdzenie, że im mniejsza jest wartość promienia r_n, tym narzędzie jest bardziej ostre, ale trwałościowo niekoniecznie musi być lepsze. Z tego powodu firmy narzędziowe, wiedząc o tym, polecają inne narzędzia do obróbki dokładnej, a inne do obróbki zgrubnej, mimo iż na pierwszy rzut oka niczym się one nie różnią.

Minimalna grubość warstwy skrawanej

W mikroobróbce i obróbce superdokładnej bardzo ważną rolę odgrywa pojęcie minimalnej grubości warstwy skrawanej. Powszechnie jest wiadomo, że aby zmniejszyć chropowatość powierzchni obrobionej, wystarczy zmniejszyć wartość posuwu na obrót lub posuwu na ostrze. Nie każdy chce to robić, ponieważ zmniejszenie posuwu skutkuje zmniejszeniem wydajności. Należy więc iść na kompromis i zmniejszyć posuw do takich wartości, aby to się opłacało. Zmniejszenie posuwu zawsze będzie skutkowało zmniejszeniem wydajności, więc w grę wchodzi przeliczenie opłacalności przedsięwzięcia. Pomijając to, nam jednak chodzi o uzyskanie mikronierówności o jak najmniejszych amplitudach. Dodatkowo, aby poprawić chropowatość powierzchni obrobionej, można zmniejszyć pomocniczy kąt przystawienia, ale i tak w bardzo wąskim zakresie.

Rosnące w ostatnich latach zapotrzebowanie na produkcję zminiaturyzowanych części przyczyniło się do wzrostu popularności tzw. mikroobróbki. Technika ta obejmuje głównie procesy toczenia, wiercenia i frezowania. Należy podkreślić, że procesy mikroskrawania mogą być realizowane w zakresie obróbki precyzyjnej i ultraprecyzyjnej [9] (rys. 4). Dzięki tej technologii będziemy w stanie obrabiać przedmioty o chropowatości powierzchni obrobionej poniżej 100 nm. Związane jest to w dużej mierze z rozwojem obrabiarek do obróbki precyzyjnej i z postępem w technologii narzędzi skrawających. Gdyby rozwój obrabiarek nie był tak dynamiczny i nie skupiał się na osiąganiu coraz większych dokładności, to obróbka skrawaniem nie odnosiłaby takich spektakularnych sukcesów jak obecnie.

Wytyczne: obróbka superdokładna

W zakresie obróbki superdokładnej już dawno przeterminowały się wytyczne dotyczące sposobu osiągania założonej dokładności wyrobów. W wielu podręcznikach z tego zakresu podaje się wytyczne dotyczące możliwości osiągania założonej dokładności w stosunku do powierzchni obrabianej. Dane te są powielane w wielu podręcznikach i nie mają nic wspólnego z obecną rzeczywistością (rys. 5).

Obróbka superdokładna wiąże się z możliwościami zastosowanej obrabiarki i parametrami narzędzi skrawających. Dlatego też rozwój i postęp w tej dziedzinie stanowią doskonały przykład synergii obróbki skrawaniem i obrabiarek.

Obróbka z zastosowaniem narzędzi mechatronicznych lub specjalnych

W tej dziedzinie niekwestionowanym krajowym autorytetem jest prof. Piotr Cichosz. Wiele przeglądowych prac dotyczących narzędzi mechatronicznych i tzw. narzędzi inteligentnych ukazało się pod jego nazwiskiem. Narzędzia mechatroniczne pozwalają znacznie zwiększyć efektywność i dokładność obróbki, a także w wielu przypadkach poprawić jej elastyczność. Ich zastosowanie rozszerza znacznie możliwości kształtowania przedmiotów na obrabiarkach [10]. Na rys. 6 pokazano schematycznie interakcje obszarów dziedziny wiedzy i stosowane techniki w konstruowaniu i eksploatacji narzędzi mechatronicznych.

Bardzo często są to narzędzia technologicznie zaawansowane i na ogół przedstawiają dużą wartość materialną. Dlatego też obróbka z zastosowaniem tych narzędzi ma sens w warunkach produkcji seryjnej.

Firmy zajmujące się narzędziami mechatronicznymi na polskim rynku to głównie: D’andrea, Komet i Mapal, a ich przykładowe rozwiązania pokazano na rys. 7-8.

W ostatnich latach rynek narzędzi mechatronicznych rozwija się bardzo dynamicznie, a ich stosowanie w znacznym stopniu zwiększa konkurencyjność firm. Mimo to, jak do tej pory, ich podstawową wadą jest cena. Decydując się więc na wdrożenie narzędzi mechatronicznych, należy przeprowadzić szczegółową kalkulację finansową. Trzeba wziąć pod uwagę wszystkie plusy i minusy ich eksploatacji.

Obróbka skrawaniem w technologiach przyrostowych

Technologie przyrostowe są znane od dawna (np. napawanie). Jednak w tym artykule chodzi o tzw. druk 3D (właściwa nazwa to stereolitografia), który, jakby nie patrzeć, jest technologią przyrostową. W tej technologii stosowany jest szeroki zakres materiałów takich jak:

• polipropylen,
• akryl,
• guma,
• tworzywa przeźroczyste,
• polistyren,
• ABS
• oraz stopy metali, jak: stal narzędziowa, tytan, stal nierdzewna, aluminium.

Obecnie tą technologią wykonuje się szereg mniejszych lub większych elementów części maszyn, a przykładowe pokazano na rys. 10. Aktualnie pięć na dziesięć drukowanych elementów są to gotowe elementy. Wszędzie tam, gdzie występują różnorodność produktowa, indywidualność produkcyjna i krótkie serie, wytwarzanie przyrostowe jest korzystnym rozwiązaniem.

Druk 3D jako nowa technika został opracowany w 1984 roku przez Amerykanina Charlesa Hulla. Polega na tym, że wiązka lasera utwardza w selektywny sposób żywicę światłoutwardzalną, tworząc w ten sposób obiekt przestrzenny. Tę koncepcję stosuje się do dziś. W przypadku wielu materiałów polega ona na nakładaniu materiału budulcowego warstwa po warstwie, a także jego selektywnym spajaniu. Technika przyrostowa (addytywna) jest zatem odwrotnością techniki ubytkowej. Stosowana jest najczęściej do prototypowania lub też krótkich serii produkcyjnych, w przeciwieństwie do metod tradycyjnych stosowanych w produkcji seryjnej i masowej.

Istnieje wiele różnych rodzajów druków 3D, w zależności od materiału, jaki ma zostać nałożony. Jednak w przypadku budowy maszyn, póki co, najpopularniejszymi materiałami konstrukcyjnymi są stal i stopy metali kolorowych. W tym przypadku najczęściej stosuje się metodę SLS – selektywne spiekanie laserowe, której zasada działania schematycznie pokazana jest na rys. 11 (druk 3D ze sproszkowanych metali topionych laserem).