Ograniczenia tradycyjnego procesu toczenia

61

W przypadku stosowania tradycyjnych metod toczenia przy obróbce materiałów twardych i odpornych na wysokie temperatury, takich jak nadstopy, w początkowej i końcowej fazie może wystąpić duży kąt natarcia i niejednorodny spływ wióra. Tradycyjne metody wgłębiania noża mogą tu skutkować nieregularnością obrabianej powierzchni

Co więcej, tradycyjne metody toczenia mogą powodować zbyt duże obciążenie narzędzia, duże i nieregularne siły cięcia, powstawanie wibracji i utrudnione odprowadzanie wiórów1. Przy szybkiej obróbce twardych materiałów, a zwłaszcza przy obróbce elementów wysokiej jakości ważne jest zapewnienie jednorodnego spływu wióra, pozwalające wydłużyć żywotność narzędzi. Przy zbyt szybkim lub zbyt wolnym spływie wióra narzędzia zużywają się szybciej powodując wiele niepożądanych efektów, takich jak powstawanie wiórów o rozmiarach utrudniających ich odpowiednio szybkie odprowadzanie. Dla przykładu, zbyt duże zagłębienie narzędzia w szczelinie utrudnia odprowadzanie wiórów, co może doprowadzić do jego złamania. Z kolei zbyt wolny spływ wióra może powodować tarcie i nagrzewanie się zarówno materiału, jak i narzędzia, drastycznie skracając jego żywotność. Dlatego też zapewnienie jednorodnego spływu wióra jest kluczowe w procesie produkcji.

Rys. 1. Tradycyjne metody wgłębiania narzędzia charakteryzują się bardzo dużym kątem natarcia, nieregularną siłą cięcia i nierówną powierzchnią materiału

1 Zobacz film Sandvik Coromant: Grooving – trochoidal turning pod adresem youtube.com/watch?v=sJnQnsz0cN8

Możliwości ProfitTurning™
ESPRIT wprowadza nową, innowacyjną strategię obróbki ProfitTurning™, pozwalającą wyeliminować niekorzystne efekty występujące w przypadku metod tradycyjnych. ProfitTurning™ to metoda szybkiej obróbki, uzupełniająca stosowane przez ESPRIT cykle obróbki zgrubnej i rowkowania. Jest metodą efektywną i bezpieczną, pozwalającą producentom, dzięki zapewnieniu stałego spływu wióra, uzyskać mniejsze zużycie narzędzi i krótszy czas cyklu. Osiągnięto to dzięki nowo opracowanemu algorytmowi prowadzenia narzędzia z uwzględnieniem jego zagłębienia, pozwalającemu zapewnić stałą siłę cięcia i możliwie największą produktywność.

Kontrola wgłębienia: mniejsze i stałe wgłębienie narzędzia przez cały czas cyklu

Innym sposobem na eliminację niekorzystnych efektów związanych z tradycyjnym wgłębianiem jest zredukowane i stałe zaangażowanie narzędzia. ProfitTurning™ dzieli obrabianą powierzchnię na zarządzalne segmenty i wykorzystuje okrągłe płytki do zapewnienia lepszej kontroli zaangażowania na wejściu i wyjściu. Dzięki łagodnym ruchom w fazie wejścia w materiał i mniejszemu posuwowi, siła cięcia może być znacznie ograniczona i zachowana na stałym poziomie. Posuw zostaje zwiększony podczas ruchów po liniach prostych – zwanych ruchami równoległymi – zapewniając równomierne zaangażowanie, a następnie zmniejszony w fazie końcowej.

mniejszy fn       maks.                               mniejszy fn         maks.
fn maks.

                                             

Rys. 2. ProfitTurning™ dzieli ruch na segmenty o różnym posuwie, obejmujące wejście w materiał, ruchy równoległe i wyjście z materiału2

Łatwa obróbka małych obszarów
Nie wszystkie powierzchnie są łatwo dostępne, co pokazano na rysunku 3. Na szczęście, ProfitTurning™ oferuje strategie obróbki dla wszystkich małych i niejednolitych obszarów. Są one często definiowane profilami części, łukami wejścia/wyjścia z materiału i minimalnym promieniem trochoidalnym. Promień ten wyznacza użytkownik w celu ograniczenia rozmiaru ruchów trochoidalnych w najmniejszych rogach będących poza zasięgiem obróbki. Innym wyzwaniem w trudno dostępnych obszarach jest zapewnienie stałego zaangażowania narzędzia powodującego ograniczającego promień wejścia. ProfitTurning™ wykonuje obróbkę trochoidalną wewnątrz tych najmniejszych obszarów, aż do granicy minimalnego promienia trochoidalnego definiowanego przez użytkownika, określającego rozmiary naroży nieobrabialnych. Dosuw jest redukowany tak, aby zapewnić stałe zaangażowanie narzędzia

                                                       

Obszar regularnego przejścia

Promień wejścia-wyjścia

Przejście trochoidalne

Minimalny promień trochoidalny

Obszar nieobrabiany

Rys. 3. Głębokość obróbki dla ścieżki ProfitTurning™ w małych obszarach ulega progresywnemu zmniejszaniu

2 Obejrzyj film: CAM Programming Tip: Trochoidal Turning Sandvik Coromant pod adresem youtube.com/watch?v=HRtSpY0SdB

Alternatywny kierunek obróbki i łagodne przejścia
ProfitTurning™ pozwala zmieniać kierunek obróbki tak, aby wyeliminować ruchy wsteczne (Rys. 4).

Rys. 4. Funkcja “Alternate Cut Direction” aktywna, “Smooth Transitions” nieaktywna

“Smooth Transition” zastępuje ruchy łączące łagodnymi łukami. Zbyt duże łuki mieszane w narożach również mogą być zastąpione tym segmentem.

Rys. 5. Funkcje “Alternate Cut Direction” i “Smooth Transitions” aktywne

Zalety ProfitTurning™
ProfitTurning™ korzysta z płytek okrągłych lub z pełnego promienia narzędzi do rowków, zapewniając szybki posuw pozwalający uzyskać stałą lub bliską stałej szybkość spływu wióra. Dodatkowo, ProfitTurning™ zmniejsza wibracje i nieregularność siły obróbki, mogące skutkować niedokładnym wykończeniem powierzchni i uszkodzeniem narzędzia, poprzez zastosowanie płytek okrągłych z regulacją zaangażowania. Dzięki temu ProfitTurning™ nadaje się idealnie do obróbki twardych materiałów i nadstopów o cienkich ściankach, co pokazano na poniższych rysunkach 6 i 7.
W połowie średnicy płytki (Rys. 6) posuw na ząb i grubość wióra są identyczne dla płytki okrągłej. Podobnie jest dla noża 90°. Gdy kąt natarcia zmienia się i maleje głębokość cięcia (Rys. 7), posuw może zostać zwiększony dla zapewnienia właściwej grubości wióra. Gdy głębokość cięcia jest mniejsza, użytkownik może zwiększyć posuw, co zapewnia większą produktywność3.


f = posuw
h = grubość wióra

Rys. 6. W połowie średnicy płytki okrągłej, posuw na ząb jest równy grubości wióra3


f = posuw
h = grubość wióra

Rys. 6. W połowie średnicy płytki okrągłej, posuw na ząb jest równy grubości wióra3

3Zobacz film Sandvik Coromant: lead/entering angle round inserts pod adresem youtube.com/watch?v=9CCr78Z60U4

Przejdźmy do testów!
Badania porównawcze ESPRIT ProfitTurning™ z konwencjonalnymi metodami toczenia przeprowadzono we współpracy z partnerami ESPRIT. Jako punkt odniesienia przyjęto konwencjonalną strategię obróbki ZigZag, którą następnie porównywano z ESPRIT ProfitTurning™. Otrzymane wyniki wskazują na 25-procentowe skrócenie czasu cyklu przy użyciu ProfitTurning™ w porównaniu z metodą tradycyjną.

Kolejnym celem testu była ocena trwałości narzędzi przy zastosowaniu ESPRIT ProfitTurning™ w porównaniu z tradycyjnymi strategiami obróbki. Do cięcia testowego wykorzystano pojedynczy wał z dwoma identycznymi wycięciami, z których jedno było obrabiane tradycyjną techniką ZigZag, a drugie z wykorzystaniem ProfitTurning™. W trakcie testów moc wrzeciona była monitorowana z wykorzystaniem systemu TMAC4 (Tool Monitoring Adaptive Control) firmy Caron Engineering. Firma ta posiada ponad 30-letnie doświadczenie w zakresie monitorowania i sterowania maszyn CNC, a TMAC jest tylko jednym z jej produktów. TMAC opiera się na zasadzie, że moc wymagana do obróbki zwiększa się wraz ze skracaniem się trwałości narzędzia. Wykorzystując TMAC zmierzono różnice poboru mocy pomiędzy ProfitTurning™ i konwencjonalnymi strategiami ZigZag. Dla każdej strategii pomiar rozpoczynał się przed wejściem narzędzia w materiał i obejmował pomiary mocy przy każdym przejściu. Wyniki były następnie uśredniane i pokazywały ogólne zużycie mocy dla obu wycięć.

Pomarańczowe słupki na rys. 8 wskazują na stopniowy, 5-procentowy wzrost poboru mocy pomiędzy kolejnymi rowkami przy zastosowaniu konwencjonalnej metody ZigZag (wraz ze zużywaniem się narzędzia maszyna pobiera coraz większą moc do obróbki). Analogiczne dane zebrano dla ProfitTurning™, co ilustrują słupki niebieskie. Porównując te dwie strategie zebrane podczas obróbki 8 detali widać, że przyrost mocy w przypadku ProfitTurning™ wynosi 10,26%, a dla konwencjonalnej metody ZigZag 31,3%. Wyniki zobrazowane graficznie w postaci linii trendu pokazują, że w porównaniu z konwencjonalną metodą ZigZag użytkownicy mogą zapewnić trzykrotnie dłuższą żywotność narzędzi i rzadszą potrzebę wymiany wkładek w przypadku ProfitTurning™.

Porównanie szybkości zużycia narzędzi

Suma (ProfitTurning) 10.26%
Suma (metoda konwencjonalna) 31.3%

(3.047x mniejsze średnie zużycie dla 8 części)

Porównanie linii trendów przy obróbce 8 części. Szybkość zużycia narzędzia dla ProfitTurning wynosi 32% wartości występującej przy obróbce konwencjonalnej

 

ProfitTurning
Metoda konwencjonalna
Aproksymacja liniowa (ProfitTurning)
Aproksymacja liniowa (Metoda konwencjonalna)

dłuższy czas życia narzędzi

Rys. 8. Porównanie szybkości zużycia narzędzi dla ProfitTurning™ i metody konwencjonalnej ZigZag

4 informacje o TMAC (Tool Monitoring Adaptive Control) firmy Caron Engineering są dostępne na stronie caroneng.com

Wybór narzędzi ProfitTurning™
ProfitTurning™ wykorzystuje płytki okrągłe lub pełen promień narzędzi do rowków. W przypadku użycia płytek okrągłych może być wykorzystana cała obwodowa krawędź tnąca, a kierunek ścieżki może być zmieniany tak, aby zmaksymalizować wykorzystanie narzędzia i wydłużyć jego czas życia. Płytki okrągłe mogą również służyć do obróbki bocznej, do której regularne płytki prostokątne zazwyczaj się nie nadają. Ponadto, płytki okrągłe nadają się do obróbki materiałów o klasie twardości ISO-S i H5, takich jak nadstopy żaroodporne.

Porównując płytki okrągłe z kwadratowymi należy brać też pod uwagę ich sztywność. Generalnie, płytki okrągłe są mocniejsze, co zmniejsza wytwarzanie harmonicznych przy obróbce i pozwala zwiększyć produktywność. Dla przykładu, komponenty lotnicze odznaczają się zazwyczaj dużymi gabarytami oraz dużymi promieniami i profilami przejściowymi, mającymi wyeliminować punkty dużych naprężeń, dlatego też płytki okrągłe doskonale nadają się do ich obróbki.

Zalety płytek okrągłych:
-Możliwość wykorzystania całego obwodu cięcia przy obróbce
-Możliwość zmiany kierunku cięcia
-Efektywna kontrola zagłębienia przy wejściu/wyjściu z materiału
-Mocniejsza krawędź cięcia do obróbki twardych materiałów
-Większy posuw
-Obróbka boczna

ProfitTurning™ Applications
Na rys. 9 przedstawiono przykładowe zastosowania ProfitTurning™ przy profilowaniu i głębokim rowkowaniu, gdzie wymagane są długie i wąskie narzędzia. W elementach widocznych na diagramach znajdują się głębokie przestrzenie, które muszą być wykonane w bloku lub wykończone po spawaniu. Podczas obróbki tych komponentów powstają silne tendencje do wibracji, a same wycięcia charakteryzują się bardzo dużym współczynnikiem głębokości do szerokości. Adaptując metodę ProfitTurning™, użytkownicy mogą optymalizować pracę maszyny tak, aby zapewnić maksymalną sztywność i minimalizować wibracje, co pozwala na zwiększenie produktywności. Dodatkowe przykłady aplikacji ProfitTurning™ przedstawiono na rysunku 106.

Rys. 9. Przykład zastosowania ProfitTurning™ – głębokie rowkowanie grooving

5 Zobacz ofertę płytek ujemnych w broszurze Sandvik Coromant – Turning tools 2012, dostępnej pod adresem sandvik.coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads/global/catalogues/en-gb/turning/turn_a.pdf

6 Zobacz rozwiązania dla przemysłu lotniczego w broszurze Sandvik Coromant – Application Guide – Heat resistant super alloys.pdf, dostępnej pod adresem sandvik.coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads/global/technical%20guides/en-us/c-2920-034.pdf

Rys. 10. Więcej przykładów zastosowań ProfitTurning™

Wyniki testów
Pierwsze testy obróbki przeprowadzono w Mazak Technology Center w Gardena w Kalifornii. Miały one na celu sprawdzenie, czy ruch po zaplanowanej ścieżce odbywa się prawidłowo z odpowiednim posuwem. Zarówno kontur, jak i rowek czołowy były obrabiane z włączonym parametrem “alternate”. Warunki obróbki konturu i rezultaty końcowe okazały się prawidłowe, a wykończenie powierzchni jednorodne przy szybkim cyklu obróbki zgrubnej.

Przykład 1 
Lokalizacja                             Mazak Technology Center, Gardena, California, USA
Materiał                                 316 Stainless, Annealed (6” Diameter, ~149 Brinell)
Narzędzie                               Mazak Quick Turn Nexus 200 II
Sterowanie                             Mazatrol Matrix Nexus 2
Płytka                                    Sandvik N123L2-0800-RO 1125
Średnica narzędzia (cale)         0.315
Strategia                               ProfitTurning™
Szybkość obr., CSS                 800
Posuw, IPR                           0.032
Głębokość cięcia (in, %)         0.025, 7
Promień Roll In/Out (in, %)    0.394, 125
Alternate                               Nie/Tak
Chłodziwo                             Tak
Ilustracje

Przykład 2  
Lokalizacja                               Okuma Partners in THINC facility, Charlotte, NC
Materiał                                   D2 Tool Steel annealed, ~23 HRC 2.5″ OD x ~36″ OL
Narzędzie                                 Okuma Genos L300
Sterowanie
Płytka                                      ISCAR GDMY 840 IC 808
Średnica narzędzia (cale)           0.315
Strategia                                  ProfitTurning™
Szybkość obr., CSS                   550
Posuw, IPR                              0.05
Głębokość cięcia (in, %)            0.04, 13
Promień Roll In/Out (in, %)       0.394, 125
Alternate                                 Nie/Tak
Chłodziwo                               Tak
Link wideo                               youtube.com/watch?v=GP4ft3rjqcw
Ilustracje

Wyniki      Czas cyklu: 22 sek. z ProfitTurning™ zapewnia oszczędność 19 s w porównaniu z czasem toczenia tradycyjnego, wynoszącym od 41 s.

Kalkulacja biznesowa
W obecnych zastosowaniach produkcyjnych znaczne koszty pochłaniają adaptacja i opracowywanie nowych technologii. Użytkownik musi stale podejmować decyzje o tym, czy adaptować te technologie, czy pozostać przy tradycyjnych. Adaptacja ProfitTurning™ może zwiększyć posuw i skrócić czas obróbki, ale jaki jest koszt zastosowania nowej technologii w porównaniu z metodami tradycyjnymi? Użyliśmy kalkulatora Sandvik Turning, pozwalającego oszacować koszty strategii obróbki. Koszty obliczone w przeliczeniu na pojedynczy element, przy zastosowaniu płytek okrągłych przedstawia tabela 1 dla ProfitTurning™ oraz tabela 2 dla tradycyjnej metody ZigZag. Jak widać, koszt w przypadku ProfitTurning™ jest mniejszy o 60% od metody tradycyjnej.

 

  Koszt narzędzi

Dane do kalkulacji biznesowej

Roczna liczba detali 5,000
Koszt godziny pracy maszyny ($) $50
Czas obróbki detalu (s) 22
Koszt wkładki ($) $45
Czas życia wkładki (liczba detali) 24
Liczba krawędzi tnących we wkładce 2
Liczba wkładek na narzędz e 1
Koszt głowicy $150
Maks. indeks wkładki 1
Koszt obróbki na element ($) $7.49
Całkowity koszt roczny ($)   $37,465

Tabela 1. Szacunek kosztów przy użyciu metody ProfitTurning™

Roczna liczba detali 5,000
Koszt godziny pracy maszyny ($) $50
Czas obróbki detalu (s) 41
Koszt wkładki ($) $45
Czas życia wkładki (liczba detali) 8
Liczba krawędzi tnących we wkładce 2
Liczba wkładek na narzędz e 1
Koszt głowicy $150
Maks. indeks wkładki 1
Koszt obróbki na element ($) $22.13
Całkowity koszt roczny ($)   $110,660

Tabela 2. Szacunek kosztów przy użyciu tradycyjnej metody ZigZag

6Kalkulator parametrów toczenia firmy Sandvik Coromant jest dostępny pod adresem
sandvik.coromant.com/en-gb/knowledge/calculators_and_software/apps_for_download/Pages/turning-calculator.aspx

Wnioski
Strategia ProfitTurning™ opiera się na wyznaczeniu ruchu narzędzia po ścieżce pozwalającej na uzyskanie stałego spływu wióra i stałej siły, a w konsekwencji większej szybkości obróbki. Poprzez zastosowanie płytek okrągłych z regulacją zaangażowania narzędzia, ścieżka ProfitTurning™ pozwala też zredukować wibracje i naprężenia, co czyni tą metodę szczególnie użyteczną do obróbki cienkich ścianek lub twardych materiałów, takich jak nadstopy. Ta innowacyjna strategia obróbki pozwala znacznie skrócić czas cyklu i koszt obróbki w przeliczeniu na element, pozwalając na zwiększenie produktywności.

O firmie ESPRIT
ESPRIT jest światowym liderem w dziedzinie oprogramowania do komputerowego wspomagania wytwarzania (CAM – computer-aided manufacturing). Oprogramowanie CAD/CAM ESPRIT, obsługujące usługi przetwarzania w chmurze jest kompatybilne z szeroką gamą obrabiarek z wielu sektorów przemysłu. Oferuje pełnozakresowe programowanie frezarek 2-5 osi, tokarek 2-22 osi, elektrodrążarek drutowych WEDM, maszyn wielozadaniowych, tokarko-frezarek, automatów wzdłużnych, maszyn z osią B oraz szybkiej obróbki 3- i 5-osiowej. Oferując certyfikowane postprocesory, dopasowany do obrabiarek G-kod oraz globalny program wsparcia klienta jest najwyższej jakości narzędziem do sterowania pracą obrabiarek.

O firmie DP Technology
DP Technology Corp., producent oprogramowania CAD/CAM ESPRIT posiada siedz
ibę główną w Camarillo w Kalifornii i zespoły projektowe w Kalifornii, we Florencji we Włoszech i w Berlinie w Niemczech. Oddziały sprzedaży i wsparcia technicznego znajdują się w Europie, Azji oraz Ameryce Północnej i Południowej.W celu uzyskania dodatkowych informacji o firmie DP Technology i oprogramowaniu ESPRIT zadzwoń pod numer telefonu +1 805 388 6000, wyślij email na adres esprit@dptechnology.com lub wejdź na stronę
www.espritcam.com.