MMC Magazine

W produkcji samolotów coraz częściej stosowane są materiały trudnoskrawalne. Niestety materiały te znacznie skracają trwałość narzędzia. W odpowiedzi na zapotrzebowanie rynku na bardziej innowacyjne metody skrawania, których zastosowanie radykalnie wydłuży trwałość narzędzia, Mitsubishi Materials koncentruje swe prace na opracowaniu nowej generacji narzędzi z obrotowymi płytkami. Artykuł ten poświęcony jest dwóm spośród nich: narzędziom z napędzanymi ostrzami stosowanymi w obrabiarkach wielozadaniowych oraz pasywnym narzędziom obrotowym stosowanym w uniwersalnych centrach obróbczych

PROJEKT 1 : Wprawić same narzędzie w ruch

Skonstruowanie pasywnych narzędzi z obrotowymi płytkami, 
wykorzystując możliwości obrabiarek wielozadaniowych

Około 20 lat temu firma Mitsubishi Materials jako pierwsza opracowała narzędzia skrawające z obrotowymi płytkami do tokarek. Zastosowano wtedy innowacyjny mechanizm, gdzie obrót płytki następował wskutek oporów skrawania. To znacznie zmniejszyło zużycie ścierne brzegu płytki, główną przyczynę niższej trwałości narzędzia podczas obróbki materiałów trudnoskrawalnych. Mimo, że te pierwsze oprawki nowej generacji cieszyły się dużym uznaniem, skomplikowany mechanizm obniżał sztywność oraz były one droższe 
od standardowych oprawek.  Niektórzy klienci wciąż z nich korzystali, ale popyt stopniowo spadał.

W tym czasie byliśmy już w trakcie opracowania nowych narzędzi tego typu. Wykorzystaliśmy wtedy know-how zgromadzone dzięki doświadczeniom zdobytym przy pierwszych narzędziach. Na konstrukcję nowego mechanizmu obrotu duży wpływ wywarło pojawienie się obrabiarek wielozadaniowych. 
W pierwszych narzędziach z obrotowymi płytkami, obrót płytek uzyskano, wykorzystując opór powstający podczas skrawania, który zależnie od warunków, powodował zmiany momentu obrotowego i trudności w zapewnieniu stabilności obróbki. Sądziliśmy, że jeśli udałoby się uzyskać stabilny, określony z góry moment obrotowy, niezależny od warunków skrawania, mogłoby to skutecznie doprowadzić do opracowania narzędzia obrotowego nowego typu. Przymiarki do skonstruowania nowych narzędzi obrotowych czyniono ok. 10 lat temu. Mniej więcej w tym samym czasie na Uniwersytecie Rolniczo-Technologicznym w Tokio badania nad narzędziami obrotowymi płytkami prowadził profesor Sasahara. Przez pewien czas konsultowano się z nim w tej sprawie, po czym trzy lata temu rozpoczęto wspólne badania na pełną skalę. Wykorzystując obrabiarki wielozadaniowe, udało się uzyskać samoistną regulację obrotów narzędzia, co wytyczyło drogę do opracowania narzędzi z ostrzami napędzanymi.

Obrabiarka wielozadaniowa nie tylko pozwala na regulację obrotów narzędzia, ale także dowolne ustawianie kątów kontaktu. W związku z tym poszukiwano najlepszej kombinacji parametrów skrawania i kątów kontaktu narzędzia.  

Oprócz częstotliwości obrotów (prędkości obrotowej płytek), istotne jest określenie najlepszego kąta kontaktu. Grubość wióra, mająca duży wpływ na trwałość narzędzia i kierunek spływu, zależy od podstawowych parametrów: prędkości, posuwu i głębokości skrawania. Biorąc pod uwagę te uwarunkowania, w nowej konstrukcji zastosowano różne kąty nachylenia, co mogło spowodować trudności w znalezieniu najlepszej kombinacji parametrów skrawania. W związku z tym, aby określić najlepsze parametry, zwróciliśmy się do profesora Sasahary z prośbą o wykonanie teoretycznej analizy parametrów. 

W międzyczasie największym wyzwaniem przy opracowaniu kształtu narzędzi byłą minimalizacja niewspółosiowości środków przy mocowaniu płytki w oprawce. Większa niewspółosiowość powoduje mimośrodowy obrót względem osi obrotu narzędzia, co powoduje zmianę głębokości skrawania i niezgodność między żądanym a rzeczywistym wymiarem obrabianego detalu. Dodatkowo, zmiany głębokości skrawania powodują zmiany oporu skrawania, powstawanie drgań samowzbudnych i zniszczenie płytek. 

Po wielokrotnych próbach udało się zmniejszyć niewspółosiowość płytki i oprawki do poniżej 0.01 mm.

Inny istotny element nowego narzędzia to wewnętrzny kanał chłodziwa. Narzędzie zaprojektowano w tak sposób, że chłodziwo jest podawane z miejsca pomiędzy otworem płytki a śrubą mocującą. Mechanizm ten zapewnia zmniejszenie siły docisku przy montażu płytki w oprawce, a mimo tego konstrukcja ta zapewnia niezbędną siłę mocowania. Płytka cały czas sama się obraca, co zapewnia równomierne rozpraszanie ciepła wytwarzanego podczas skrawania na całym jej obwodzie. Podawanie chłodziwa z wewnętrznego kanału w oprawce umożliwia skuteczne chłodzenie całej płytki i płynne usuwanie wióra. 
 

Uzyskanie 10-krotnie większej trwałości narzędzia niż w przypadku oprawek ze zwykłymi płytkami

Zalety nowo opracowanych narzędzi z ostrzami napędzanymi są następujące:

1. Wykorzystanie całego obwodu płytki powodujące zmniejszenie zużycia ściernego 
i zwiększenie trwałości narzędzia. 

2. Stabilne obroty samej płytki skutecznie rozpraszają ciepło skrawania, a wewnętrzny kanał chłodziwa znacznie redukuje zużycie ścierne. 

3. Unikatowa konstrukcja mechanizmu zapewnia wysoką dokładność i  sztywność zamocowania, oraz wysoką wydajność obróbki. 

Cechy te spowodowały radykalne wydłużenie trwałości narzędzia podczas obróbki Inconelu 718 w porównaniu 
z narzędziami standardowymi. Dodatkowo, narzędzia z ostrzami napędzanymi są przeznaczone nie tylko do obróbki materiałów trudnoskrawalnych takich, jak stopy żaroodporne, ale także do obróbki materiałów kompozytowych zawierających aluminium i stal. W szczególności, skutecznie wpływają one na zmniejszenie całkowitych kosztów eksploatacji poprzez wydłużenie trwałości narzędzia, czyli zmniejszenie częstości wymiany płytek podczas obróbki bezobsługowej lub możliwość obsługi jednocześnie kilku obrabiarek przez mniejszą liczbę operatorów. 

Czy można było rozwiązać pojawiające się problemy podczas pierwszych prac nad narzędziami z obrotowymi płytkami?

Analizując ogólny współczynnik spęczenia wióra (CR) sądzono, że idealna prędkość obrotowa płytki, umożliwiająca zmniejszenie zużycia powierzchni przyłożenia, często występującego podczas skrawania materiałów trudnoobrabialnych, wynosi około jednej trzeciej prędkości skrawania. W pierwszych narzędziach z obrotowymi płytkami, płytka obracała się wskutek oporów skrawania, co uniemożliwiało regulację tej prędkości. Dlatego wtedy nie wykonano szczegółowej analizy tej hipotezy. 

Dla nowych narzędzi z obrotowymi płytkami mamy kilka parametrów, co utrudnia określenie optymalnych warunków skrawania. Chociaż dla zastosowań ogólnych określone zostały zalecane parametry skrawania należy pamiętać, że optymalna prędkość obrotowa płytki w stosunku do prędkości skrawania detalu aktualnie wynosi jedną trzecią prędkości przyjętej dla pierwszych narzędzi z obrotowymi płytkami. Narzędzia z ostrzami napędzanymi są aktualnie 
w trakcie opracowywania, a ich debiut rynkowy planowany jest na rok 2017.

PROJEKT 2 : Pasywny frez z płytkami obracającymi się samoczynnie podczas skrawania

Obliczenie teoretycznego momentu obrotowego płytki

Nowy, pasywny frez z obrotowymi płytkami został opracowany z wykorzystaniem know-how zdobytej dzięki doświadczeniom z pierwszym narzędziem tego typu.

Podobnie jak w pierwszym narzędziu z obrotowymi płytkami, firma Mitsubishi Materials stosowała mechanizm powodujący obrót płytki wskutek oporu skrawania we frezach trzpieniowych i czołowych. Wydaje się to niemożliwe, jednak z powodu rozmiarów, we frezach trudno było zamontować mechanizm obrotowy zastosowany w tym pierwszym narzędziu.

Jednak zastosowanie materiałów trudnoskrawalnych w wielu innych branżach, spowodowało konieczność dalszego udoskonalenia wydajności skrawania, jak również wydłużenia trwałości narzędzia.  Około 10 lat temu firma Mitsubishi Materials, wykorzystując podobne rozwiązanie dla frezów, wspólnie z Uniwersytetem Nagoya i Mitsubishi Heavy Industries Ltd., rozpoczęła wspólne prace nad opracowaniem narzędzi z obrotowymi płytkami. 

Pierwszym wyzwaniem było określenie idealnego kąta, przy którym opór skrawania powoduje obrót płytki i zapewnienie optymalnego momentu obrotowego. Jeśli opór skrawania jest za niski, moment powodujący obracanie się płytki jest niewystarczający. Jeśli jest za duży, powoduje powstawanie drgań podczas obróbki i prowadzi do zniszczenia oprawki lub płytki. Musieliśmy określić kąt, przy którym na pewno opory skrawania wystarczałyby do wymuszenia obrotu płytki, dla szerokiego zakresu parametrów skrawania. 

Zadanie to z powodzeniem wykonał zespół 
z Uniwersytetu Nagoya. Stosując skomplikowane obliczenia, inżynierom udało się określić optymalny kąt ustawienia umożliwiający obroty płytki. W porównaniu z metodą prób i błędów zastosowaną przy opracowaniu pierwszych narzędzi z obrotowymi płytkami, teoretyczne obliczenie optymalnych parametrów znacznie skróciło niezbędny czas prac. 

Uzyskanie 8- do 10-krotnie większej trwałości narzędzia niż dotychczasowych narzędziach Mitsubishi Materials

Kolejnym, bardzo trudnym wyzwaniem, było umieszczenie płytki w bardzo wąskim miejscu. Trzeba było skonstruować mechanizm obrotowy, który mógłby być tu zamontowany. Wymagało to optymalizacji luzu między otworem płytki a śrubą dociskową, aby zapewnić płynny obrót płytki podczas obróbki. Jeśli luz byłby za mały, płytka nie obracałaby się, jeśli za duży, powstałyby drgania. Oprócz tego, dla uzyskania wystarczającej sztywności istotne jest, aby zapewnić najlepszą średnicę śruby dociskowej dla płytki o danej wielkości. Po wielokrotnych próbach, analizach, wykonaniu kilku prototypów i wielu eksperymentach, opracowano mechanizm obrotowy ze śrubą mocującą i sprężyną, posiadający zarówno odpowiedni luz, jak i niezbędną wytrzymałość. Jednak gdy koniec prac nad mechanizmem obrotowym był już bliski, trzeba było stawić czoła kolejnemu wyzwaniu. Podczas obrotów, wskutek kontaktu z płytką podporową z węglika spiekanego występowało nierównomierne zużycie spodu płytki skrawającej. Obroty płytki mogłyby zrównać zużycie całego narzędzia, ale opory skrawania powodowały nierównomierne obciążenie płytki podporowej z węglika spiekanego, duże było także obciążenie w części pod narzędziem. Ze względu na to, że zarówno płytka jak i podkładka były wykonane z węglika spiekanego, ich kontakt i ciągłe obroty pod miejscowym obciążeniem niewątpliwie powodują nierównomierne zużycie. 
Aby rozwiązać ten problem, pomiędzy płytką a płytką podporową umieszczono dla ochrony ruchomą, metalową płytkę. 

Największą zaletą narzędzi z obrotowymi płytkami jest długi czas obróbki bez konieczności zmiany krawędzi skrawającej, bo jak pokazuje wykres poniżej, mogą one osiągnąć 8 do 10-krotnie większą trwałość 
w porównaniu do istniejących narzędzi. 

Ten pasywny frez z obrotowymi płytkami ma pojawić się na rynku w 2017 r. Planowane jest zastosowanie tego rozwiązania we frezach trzpieniowych, czołowych i narzędziach tokarskich. W miarę rozszerzania asortymentu płytek, planowane jest także opracowanie narzędzi do frezowania z posuwem wgłębnym.