MMC Magazine

Kenichi Sato Pracuje od 2012 r. Sekcja Technologii Powłok, Dział Technologii Materiałowych,  Zakład Tsukuba / Masakuni Takahashi Pracuje od 1994 r. Dyrektor Generalny,  Dział Technologii Materiałowych,  Zakład Tsukuba / Takuya Ishigaki Pracuje od 2008 r. Dyrektor, Sekcja Technologii Powłok, Dział Technologii Materiałowych,  Zakład Tsukuba

Materiały, z których producenci wykonują części samochodowe mają coraz większą twardość. W związku z tym narzędzia skrawające muszą charakteryzować się większą odpornością na ścieranie. Jednak wzrost odporności na ścieranie powoduje wykruszanie się narzędzi, co z kolei prowadzi do wad produktów i uniemożliwia zagwarantowanie stabilności procesu produkcji. W odpowiedzi na prośby klientów o rozwiązanie tego problemu, konieczne było podjęcie wspólnych prac badawczo-rozwojowych. W oparciu o wyniki uzyskane przez Centralny Instytut Badawczy, w zakładzie Tsukuba podjęto prace nad opracowaniem narzędzi w ścisłej współpracy z Zespołem Technicznym Zakładu. W rezultacie opracowano rozwiązanie, które znacznie poprawiło odporność na ścieranie i stabilność krawędzi narzędzia.

Wszystko zaczęło się od zlecenia klienta

– Najpierw proszę powiedzieć, skąd wziął się pomysł opracowania nowego produktu.

Takahashi:　　 Impulsy dla opracowania nowych produktów były dwojakiego rodzaju. Jeden to zlecenia od klientów a drugi to konieczność opracowania nowej technologii. Opracowanie serii MC6100 rozpoczęło się od zlecenia klienta zagranicznego, przy czym było ono również ściśle związane z nową technologią, która była już w trakcie opracowywania. 

Sato:　　Zlecenie klienta, producenta części samochodowych, dotyczyło dłuższej trwałości narzędzi. Ponadto klient chciał również zwiększyć wydajność obróbki, co wymagało poprawy parametrów samego narzędzia. W tym przypadku jedna rzecz była inna, a mianowicie pełna koordynacja z klientem podczas prac. Opracowanie nowych produktów zwykle wykonywane jest wyłącznie własnymi siłami, więc był to nietypowy przypadek.

– Nawet jeśli klienci składają zlecenia, niełatwo jest uczynić postęp nie dysponując technologią, która to umożliwia, nieprawdaż? 

Ishigaki:　　Oczywiście. Sprostanie oczekiwaniu większej trwałości narzędzia oznaczało zwiększenie odporności na ścieranie. Mitsubishi Materials ma w ofercie produkty pokrywane metodą CVD. Skrót CVD oznacza chemiczne osadzanie z fazy gazowej, czyli metoda nanoszenia cienkich powłok z wykorzystaniem różnych substancji. Dysponujemy znakomitą technologią powłok CVD, a cienka warstwa powłoki ma wyjątkową odporność na ścieranie, jednak proces musi być precyzyjnie kontrolowany, aby zapobiec odpryskiwaniu. W naszych pracach nad uzyskaniem wysokiej odporności na ścieranie skoncentrowaliśmy się na opracowaniu technologii zapobiegającej odpryskiwaniu powłoki. 

Sato:　　Materiałów, które mogą być użyte na twarde powłoki jest niewiele. Od lat naszym celem jest uzyskanie zarówno odporności na ścieranie, jak i stabilności krawędzi narzędzia w różnych warunkach skrawania. Dysponujemy technologiami umożliwiającymi zwiększenie odporności na ścieranie, a jedną z nich jest technologia Super Nano Texture.

Super technologia zwiększająca odporność na ścieranie

–  Dlaczego dodaliście przymiotnik "Super" do nazwy już istniejącej technologii Nano Texture?

Ishigaki:　　Technologia nanotekstur jest jednym z tematów badawczych naszego Centralnego Instytutu Badawczego. Opracowywaliśmy technologię zwiększającą odporność na ścieranie poprzez ujednolicenie kierunku wzrostu kryształów i po 2000 r. uzyskaliśmy na nią patenty. Technologia ta została przez nas znacznie udoskonalona i dlatego zdecydowaliśmy się dodać do poprzedniej nazwy przymiotnik "Super". Początkowa technologia charakteryzowała się niejednakową wielkością ziarna i niejednakowym kierunkiem wzrostu kryształów Al2O3. W związku z tym, próbowaliśmy uzyskać bardziej jednakową wielkość ziarn. Jest ona nazywana technologią Nano Texture. Dodatkowo, uzyskaliśmy bardziej jednolity kierunek wzrostu kryształów. Nazwaliśmy ją technologią Super Nano Texture. Zapewnienie większej precyzji i bardziej jednolitego kierunku wzrostu kryształów znacznie zwiększyło odporność na ścieranie. 

Takahashi:　　Jestem przekonany, że Mitsubishi Materials dysponuje obecnie najlepszą technologią optymalizacji wzrostu kryształów. To nadzwyczajne osiągnięcie technologiczne było możliwe dzięki wiedzy zgromadzonej wspólnie przez nasz zespół badawczy i Centralny Instytut Badawczy. Podstawowa technologia Super Nano Texture została opracowana przez Centralny Instytut Badawczy.  

– Jednak nie zawsze jest tak, że opracowanie nowej technologii podstawowej natychmiast prowadzi do jej komercjalizacji, nieprawdaż?

Sato:　　Tak, to prawda. Klienci chcą, abyśmy wykorzystali naszą technologię podstawową do opracowania narzędzi skrawających o wyjątkowej wydajności skrawania w ich warunkach obróbki. Innymi słowy, klienci pragną, aby zespół badawczy opracował technologię i narzędzia zapewniające stabilność i najwyższą jakość obróbki. Kolejnym krokiem jest możliwość komercjalizacji technologii podstawowej. 

Od skali mikro do skali makro - problemy wynikające z różnicy skali

– Zastanawiam się, czy trudno jest zastosować technologię opracowaną przez Centralny Instytut Badawczy w produkcji masowej.

Takahashi:　　 Po to właśnie istnieje Centrum Rozwojowe. Nawet jeśli jesteśmy pewni, że technologia podstawowa opracowana w warunkach laboratoryjnych sprawdzi się, potrzebujemy technologii wytwarzania na skalę masową. Nasza rola polega właśnie na opracowaniu takiej technologii wytwarzania. 

Sato:　　Jeszcze trzy lata temu, pracując w Centralnym Instytucie Badawczym nad rozwojem technologii podstawowych dla powłok CVD, zdobyłem wiedzę o technologii kontrolowanego wzrostu kryształów. Potem przeniosłem się do zakładu w Tsukuba, w którym rozpocząłem prace nad serią MC6100. Jednak warunki doświadczeń przeprowadzanych w skali mikro w warunkach laboratoryjnych i w skali makro w masowej produkcji są zupełnie inne. Na szczęście wszystko, czego dowiedziałem się o technologii podstawowej w Centralnym Instytucie Badawczym, bardzo pomogło mi w zrozumieniu zjawisk, które zaobserwowałem podczas testów przed produkcją masową. 

– Opracowanie serii MC6100 było związane ze zleceniem klienta. Czy czuliście presję, aby działać szybko?

Ishigaki:　　Dokładnie tak. Ale ta presja nie oznaczała, że mogliśmy iść na skróty. Konsekwentnie kontynuowaliśmy nasze prace metodą wielokrotnych prób i błędów, wykonywaliśmy testy, aby zidentyfikować problemy i wprowadzaliśmy poprawki, aż stwierdziliśmy, że możemy nie tylko spełnić, ale i przekroczyć oczekiwania klienta. Istotne jest także, aby poszczególne fazy cyklu PDCA przebiegały efektywnie i stosunkowo szybko. Wynika to z faktu, że ze względu na różnicę skali między badaniami laboratoryjnymi a produkcją, w fazie produkcji obserwujemy zjawiska, które są inne niż w skali laboratoryjnej. Dla stworzenia efektywnego systemu produkcji na skalę masową i osiągnięcia postępów, niezbędna była ścisła współpraca ze specjalistami od powłok na etapie opracowania technologii produkcji i wytwarzania. Im bardziej wyspecjalizowana kadra jest zaangażowana w projekt, tym większa potrzeba osiągnięcia szybkiego postępu. 

Takahashi:　　  Metoda PDCA wymaga przestrzegania określonych zasad. Jeśli ich przestrzegamy, łatwiej jest nam znaleźć parametry, z którymi są problemy.

– Parametry te mogą mieć wpływ na zmiany w skali laboratoryjnej.

Sato:　　Wartości niektórych parametrów mogą ulegać zmianie wraz ze zmianą skali. W takich przypadkach trzeba powrócić do zasad podstawowych, sformułować hipotezę, a następnie testować ją w drodze eksperymentów. W sprawach procesu utrzymujemy bliskie kontakty z zespołem odpowiedzialnym za technologię produkcji, aby przy formułowaniu hipotezy w oparciu o zmiany parametrów, wykorzystując dane obliczeniowe dostarczone przez Centralny Instytut Badawczy, wszyscy zmierzali w tym samym kierunku. 

Pokonywanie trudności dzięki wyjątkowemu podejściu i bliskiej współpracy z klientami

– Co stanowiło największe wyzwanie przy opracowywaniu serii MC6100?

Ishigaki:　　Jako że wszystko zaczęło się od zlecenia klienta, więc od samego początku podjęliśmy z tym klientem bliską współpracę. Szczegółowo rozmawialiśmy, aby dokładnie ustalić, czego rzeczywiście potrzebują. Następnie przebadaliśmy prototypy wykonane przy użyciu obrabiarek na rzeczywistej linii produkcyjnej w zakładzie klienta. Nie byliśmy przyzwyczajeni do reagowania na precyzyjnie określone potrzeby klienta i była to zmiana w naszym podejściu, będąca niezwykłym dla nas wyzwaniem.

Sato:　　Nasi specjaliści byli obecni podczas testów na linii produkcyjnej klienta. Stojąc tuż obok obrabiarki, na których wykonywano testy, dokładnie wsłuchiwali się oni w opinie operatorów. Oprócz tego, specjaliści i handlowcy Mitsubishi Materials rozmawiali z inżynierami aby ustalić, jaki ma być kierunek usprawnień. Powtarzając wielokrotnie tę procedurę, kontynuowaliśmy prace zmierzające do zwiększenia odporności na ścieranie. Kiedy jednak osiągnęliśmy poziom, który w naszym odczuciu był bardzo bliski celowi, napotkaliśmy na koniec problem trudny do rozwiązania.

– Co to był za problem?

Takahashi:　　 Podczas testów na obrabiarce klienta miało miejsce specyficzne uszkodzenie. Rozwiązanie tego problemu oznaczałoby osiągnięcie naszego celu. Jednak mimo usilnych starań metodą prób i błędów, u siebie nie byliśmy w stanie odtworzyć uszkodzenia zaobserwowanego na linii klienta. 

Sato:　　Podczas teoretycznych rozważań na temat przyczyny tego problemu, przyszedł nam do głów pewien pomysł. Uważaliśmy, że uszkodzenie może powstawać na wczesnym etapie obróbki. Ustalenie przyczyny na tym etapie umożliwiłoby nam rozwiązanie tego problemu. Aby jednak zweryfikować naszą hipotezę, musieliśmy użyć obrabiarki klienta i zatrzymać ją w trakcie operacji, aby sprawdzić krawędź narzędzia. Klient absolutnie wykluczał zatrzymanie obrabiarki w trakcie operacji. Argumentowaliśmy jednak, że zatrzymanie procesu pozwoli nam lepiej zrozumieć problem i przybliży nas 
do jego rozwiązania. 

– A więc w jaki sposób zdołaliście rozwiązać ten problem?

Ishigaki:　　Wyniki eksperymentu potwierdziły naszą hipotezę. Z uwagi na to, że uszkodzenie wystąpiło na wczesnym etapie obróbki, mogliśmy znaleźć rozwiązanie pozwalające je zredukować. Przetestowaliśmy ulepszony prototyp i odnieśliśmy sukces. Sukces ten, oraz osiągnięta już wcześniej odporność na ścieranie sprawiły, że klient był bardzo zadowolony. 

Zastosowanie dwóch nowych technologii zwiększyło stabilność

– Rozumiem, że oprócz technologii Super Nano Texture, w serii MC6100 zastosowano jeszcze inne nowe technologie.

Sato:　　Tak, jedną z nich była ochrona przed nagłym pękaniem, w czym pomogła nam wskazówka uzyskana od klienta. Powłoka CVD tworzy się w wysokiej temperaturze, a podczas chłodzenia w warstwie powłoki występują naprężenia rozciągające. Obróbka niestabilną krawędzią narzędzia w tym czasie powoduje nierówne zużycie wskutek obciążeń udarowych, a pęknięcia mają tendencję do powiększania się, ponieważ naprężenia rozciągające nie są w stanie zredukować ich propagacji. W ten sposób dochodzi do pękania. Rozwiązanie problemu polega na zmniejszeniu naprężeń rozciągających, co stanowi spore wyzwanie. 

Takahashi:　　Sposób zmniejszenia naprężeń rozciągających to tajemnica, a rozwiązanie uzyskaliśmy wykorzystując metodę prób i błędów. Także tu wykorzystaliśmy metodę PDCA. 

– O jakie inne technologie chodzi, Super TOUGH-Grip?

Ishigaki:　　Firma Mitsubishi Materials opracowała technologię TOUGH-Grip, która zapewnia mocne wiązanie dwóch różnych warstw powłoki ze sobą. Jest ona stosowana do związania warstw Al2O3 (tlenku glinu) i TiCN (węgloazotku tytanu), która stanowi podłoże warstwy Al2O3. Uzyskanie drobniejszych ziarn kryształów spowodowało zwiększenie powierzchni a także sił przylegania warstw powłok Al2O3 i TiCN. Innymi słowy, w porównaniu z dotychczasową, ta nowa technologia skuteczniej zmniejszyła odpryskiwanie warstw powłoki. Test odporności na odpryskiwanie dla technologii Super TOUGH-Grip wykazał, że siła przylegania wzrosła 1.6-krotnie. 

Sato:　　Aby spoić ze sobą warstwy Al2O3 i TiCN o innej strukturze krystalicznej, musieliśmy jak najlepiej poznać podstawowe charakterystyki każdej struktury. Mając tę wiedzę, mogliśmy pracować nad zwiększeniem siły przylegania. W trakcie prac rozwojowych we współpracy ze specjalistami z Działu Technologii Zakładu przeprowadziliśmy wielokrotne próby, do których niezbędny był istniejący reaktor. 

Takahashi:　　W trakcie każdego etapu prac nasz zespół pozostawał w bliskich kontaktach ze specjalistami z Działu Technologii Zakładu. Z myślą o wspólnym celu, wszystkie zaangażowane w projekt osoby z zakładu w Tsukuba często prowadziły wymianę opinii. Jednym z naszych podstawowych atutów jest nacisk na współpracę.

Odwieczny problem to odporność na ścieranie i na wady

– Czy seria MC6100 jest właśnie rezultatem tych nowych technologii?

Ishigaki:　　Gatunek MC6115 jest przeznaczony do skrawania z dużymi prędkościami. Zastosowanie grubej warstwy Al2O3 wykonanej w technologii Super Nano Texture umożliwia uzyskanie doskonałej odporności na ścieranie podczas skrawania, gdy temperatura krawędzi skrawającej jest wysoka, podobnie jak podczas obróbki szybkościowej i wysokowydajnej. W przypadku gatunku MC6125, zawierającego oprócz warstwy Al2O3 w technologii Super Nano Texture, dodając warstwy kompozytu Ti lub wielowarstwową powłokę Al2O3, uzyskaliśmy wydajność obróbki umożliwiającą jego szersze stosowanie.

– Jak zareagowali klienci?

Sato:　　Klientów najbardziej usatysfakcjonowało wydłużenie trwałości narzędzi. Dzięki możliwość zwiększenia prędkości skrawania, klienci informują, że zwiększyła się także wydajność obróbki. Jesteśmy niezwykle zadowoleni, ponieważ to było celem naszych prac. Dodatkowo, zastosowaliśmy na zewnątrz złoty kolor. W trakcie prac klient zażyczył sobie, aby można było odróżnić krawędź zużytą od niezużytej. Gdy dostarczamy klientom serię MC6100, większość z nich jest pod wrażeniem tego koloru. Prawdopodobnie kolor pomaga także w negocjacjach. To drobna rzecz, ale jesteśmy zadowoleni, że zdecydowaliśmy się na takie rozwiązanie.

– A jakie są koszty tych nowych technologii, w tym złotej powłoki?

Ishigaki:　　Ceny są prawie na tym samym poziomie, jak dotychczas stosowanych narzędzi. W produkcji masowej koszt odgrywa najważniejszą rolę, więc sprawdziliśmy aspekty związane z liniami produkcyjnymi, w tym spływ każdego elementu po współpracę w całym zakładzie. Koszty określa się na podstawie czasu produkcji. Ponieważ jednak sprzedaż do klientów idzie na tyle dobrze, produkcja zgodnie z początkowymi specyfikacjami również przebiegała sprawie, bez konieczności zmian. 

– W jakim kierunku będziecie teraz zmierzać?

Takahashi:　　Zwiększenie odporności na ścieranie i na wady to odwieczny problem w przypadku narzędzi skrawających, więc będziemy kontynuować nasze prace w tym zakresie. Musimy także uwzględnić zmiany w silnikach samochodowych. Będzimy obserwować zmiany potrzeb klientów związane z całkowitym przestawieniem się na produkcję pojazdów elektrycznych. Zmiany ich potrzeb mają bezpośredni wpływ na kierunek postępu technologicznego. Biorąc pod uwagę jakość oraz szybkość produkcji, zamierzamy dalej starać się spełniać oczekiwania klientów.