Współczesne trendy rozwojowe w obróbce skrawaniem

Obrabiarki dostępne na rynku polskim

Na polskim rynku są dostępne obrabiarki, na których można stosować techniki przyrostowe i obróbkę skrawaniem. Jako przykład na rys. 12 pokazano LASERTEC 65 3D firmy DMG MORI. Obrabiarka ta jest dobrym przykładem połączenia procesu obróbki frezarskiej z produkcją przyrostową. Głowica lasera jest obsługiwana w pełni automatycznie. Realizuje funkcję 5-osiowego nakładania materiału przez dyszę współosiową w celu równomiernego rozprowadzania proszku, niezależnie od kierunku napawania laserowego.

Właśnie w tego typu zastosowaniach obróbka skrawaniem widzi lukę, którą może wypełnić. W technologii budowy maszyn bardzo często wymagane są duże dokładności nieosiągalne za pomocą technik przyrostowych (przynajmniej obecnie). Dlatego też połączenie tych technik na jednej obrabiarce jest odpowiedzią na potrzeby obecnego rynku. Wydaje się, że rozwój w tym kierunku jest bardzo przyszłościowy, a obróbka skrawaniem będzie jego jednym z nierozerwalnych ogniw.

Przenieśmy się na chwilę w kosmos. Naukowcy z NASA uważają, że technologia druku 3D będzie sposobem na rozwiązanie wielu problemów. Ostatnio Międzynarodowej Stacji Kosmicznej dostarczono rodzaj drukarki 3D, która potrafi przetwarzać przedmioty, a także produkować niezbędne części. Ponadto użycie technologii drukowania przestrzennego może znacznie uprościć tworzenie bazy na Księżycu – uważają naukowcy z Europejskiej Agencji Kosmicznej. Dzięki niej zamiast przywozić elementy konstrukcji z Ziemi, astronauci mogliby do budowy wykorzystać księżycowy pył. W takiej sytuacji rola obróbki skrawaniem polegałaby na wytwarzaniu części o dokładnościach nieosiągalnych dla technologii przyrostowej.

Monitorowanie procesu obróbki skrawaniem

W ostatnich kilkunastu latach w procesach produkcyjnych stosowane są coraz powszechniej obrabiarki o dużej elastyczności technologicznej, sterowane układami cyfrowymi (CNC). Dzięki możliwościom stwarzanym przez układy cyfrowe mogą one teoretycznie realizować nawet najbardziej złożone zadania obróbkowe w sposób bardzo efektywny. Głównymi kryteriami oceny ich pracy jest zdolność do zapewnienia stałej i wysokiej jakości obrabianych elementów przy jednoczesnej minimalizacji kosztów obróbki.

Coraz więcej współczesnych obrabiarek standardowo jest wyposażana w różnego rodzaju czujniki do monitorowania ich stanu technicznego i stanu ostrza skrawającego, szczególnie w trakcie pracy. Zagadnienia te nabrały szczególnego znaczenia w ostatnich latach, gdy pojawiła się rewolucja związana z Przemysłem 4.0. Pojawia się coraz więcej różnego typu czujników mierzących takie wielkości fizyczne jak: siły, drgania, przemieszczenia, temperatura czy też emisja akustyczna itp. Sygnały z tych czujników są wstępnie przetwarzane za pomocą różnych urządzeń pomiarowych. Następnie trafiają do komputera, gdzie dominującą rolę przejmują systemy sztucznej inteligencji. Wszystko to po to, aby zapewnić ciągłość i bezawaryjność pracy współczesnym obrabiarkom i aby w porę wykryć niedopuszczalne zużycie ostrza. Założenie to jest zgodne z tym, co podają inni autorzy [16]. Głównym celem układów monitorujących jest zabezpieczenie obrabiarki, narzędzia, a także przedmiotu przed uszkodzeniami wynikającymi z nieprawidłowego przebiegu procesu skrawania realizowanego bez ciągłego nadzoru operatora.

Struktura układu przemysłowego do monitorowania obróbki skrawaniem

Obecnie dostępne są gotowe układy przemysłowe do monitorowania obrabiarki i procesu skrawania takich firm jak: Artis, Brankamp, Kistler, Montronix, Nordmann, Prometec czy też Schunk [16].

Na rys. 14 pokazano przemysłową wersję układu do wykrywania wyłamania ostrza w oparciu o pomiar mocy. Z kolei na rys. 15 przedstawiono „inteligentną” oprawkę narzędziową firmy SCHUNK.

Oprawki te w pełni wykorzystują potencjał zintegrowanego monitorowania procesu bezpośrednio w miejscu formowania wiórów. Firma SCHUNK podsumowuje tę strategię określeniem „jak najbliżej detalu”. Inteligentne urządzenie umieszczone jest w pierwszym niezużywającym się elemencie osprzętu obrabiarki, znajdującym się najbliżej detalu. Inteligentne urządzenie umożliwia pełną dokumentację stabilności procesu, bezobsługowe monitorowanie wartości granicznych, wykrywanie uszkodzenia narzędzia, a także sterowanie prędkością obrotu i posuwem w czasie rzeczywistym.

Intensywny rozwój w dziedzinie monitorowania obrabiarek i procesu skrawania wymusiła rewolucja, czyli tzw. Przemysł 4.0. Zmiany te zakładają powszechną cyfryzację w przemyśle opartą m.in. na czujnikach i systemach kontrolujących. Należy się więc spodziewać w najbliższych latach intensyfikacji działań w kierunku monitorowania procesu skrawania i stanu technicznego obrabiarek. Nadrzędnym celem tych zmian jest wyeliminowanie człowieka z funkcji operatora maszyn CNC.

Obróbka skrawaniem wspomagana cieczami technologicznymi

Cel stosowania cieczy chłodząco-smarujących jest oczywisty: zmniejszenie temperatury procesu skrawania i współczynnika tarcia pomiędzy ostrzem i przedmiotem obrabianym. Ponadto stosowanie cieczy ułatwia usuwanie wiórów ze strefy skrawania, przeciwdziała powstawaniu narostu i zabezpiecza antykorozyjnie przedmiot obrabiany i obrabiarkę.

Czytaj też >> Olej na dłużej. Filtracja olejów technologicznych

W latach 90. XX wieku pojawiła się tendencja obróbki na sucho, bez udziału cieczy chłodząco-smarujących. Głównymi powodami takiej strategii były ekonomia i ekologia. Jeśli z powodów technologicznych nie można było zastosować obróbki na sucho, alternatywą była obróbka ze zminimalizowanym chłodzeniem i smarowaniem, stosowana do dziś. Polega ona na doprowadzeniu w określonym czasie możliwie najmniejszej ilości czynnika smarującego do miejsca skrawania, często w ilości mniejszej niż 80 ml/godz. Trend, aby stosować obróbkę na sucho, zachował się do dzisiaj. Ponadto, oprócz tradycyjnej zalewowej, pojawiły się nowe koncepcje związane z cieczami chłodząco-smarującymi pokazane w tab. 1 [19, 20].

Obecnie zgodnie z tym, co podaje autor publikacji [19], można wyróżnić następujące metody skrawania ze wspomaganiem mediami technologicznymi:

• obróbkę z doprowadzeniem cieczy chłodząco-smarujących pod dużym ciśnieniem,
• obróbkę z minimalnym wydatkiem cieczy chłodząco-smarujących MQL,
• obróbki kriogeniczne:

• obróbka kriogeniczna z użyciem oziębionego CO₂,
• obróbka kriogeniczna z użyciem schłodzonego azotu LN₂.

Zarówno obróbka z doprowadzeniem cieczy pod dużym ciśnieniem, jak i obróbki kriogeniczne są głównie stosowane podczas skrawania materiałów trudno obrabialnych, np. żarowytrzymałe stopy niklu, stopy tytanu. Główną zaletą ich stosowania jest zwiększenie trwałości ostrza, co przy obróbce tych materiałów jest priorytetem. Ponadto można zwiększyć np. efektywność wytwarzania przy toczeniu wykończeniowym stopu
Ti-6Al-4V przez zastosowanie wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej [21].

Zagadnienia związane z obróbką skrawaniem wspomaganą cieczami technologicznymi są ciągle rozwijane, a technologia ta jest udoskonalana. Zastosowanie któregokolwiek z tych rozwiązań wiąże się z kosztami inwestycyjnymi. Dlatego też przed dokonaniem wyboru należy starannie przeanalizować wszystkie czynniki, jak np. wybór odpowiedniej metody chłodzenia dopasowany optymalnie do materiału obrabianego.