Wykorzystywane w procesach produkcyjnych narzędzia mają ogromny wpływ na końcowy efekt obróbki, dlatego też branża narzędziowa (obok branży maszynowej) jest niezwykle ważnym sektorem dla całego rynku przetwórstwa przemysłowego. Pojawiające się na rynku nowe rozwiązania i technologie, w tym także nowe materiały, oraz coraz większe wymagania ze strony różnych branż wymuszają na producentach narzędzi ciągłe dostosowywanie oferowanego asortymentu do nowych realiów. Mówiąc krótko: bez nowych rozwiązań w ofercie narzędzi skrawających, nie byłby możliwy postęp nie tylko w wielu obszarach przetwórstwa przemysłowego, ale również wielu sektorów gospodarki.

Poszukiwanie ideału

Dynamiczne zmiany, jakich jesteśmy świadkami w obszarze narzędzi wykorzystywanych do obróbki maszynowej, są w dużej mierze następstwem pojawiających się co jakiś czas nowych, udoskonalonych materiałów narzędziowych oraz innowacji konstrukcyjnych i technologicznych. Jednym z kierunków prac badawczo-rozwojowych prowadzonych przez wszystkich liczących się graczy w branży narzędziowej jest właśnie poszukiwanie materiału narzędziowego, który będzie się wyróżniał na tle konkurencji lepszymi właściwościami skrawnymi, wysoką twardością oraz odpornością na zużycie.

Celem tych poszukiwań jest dostarczenie na rynek takich materiałów narzędziowych, które w zakresie trwałości odznaczałyby się zdecydowanie lepszymi właściwościami od obecnych rozwiązań przy zachowaniu odpowiedniej ciągliwości i odporności na pękanie, odporności na zużycie ścierne (ścieranie mechaniczne ostrza, adhezję, dyfuzję, utlenianie, powstawanie mikrowykruszeń i mikropęknięć), a także możliwości pracy w warunkach wysokiej temperatury. Sumarycznym efektem postępu w tym zakresie ma być wydłużanie okresu żywotności narzędzi, optymalizacja jakości obrabianej powierzchni oraz poprawa parametrów obróbki (prędkości posuwu i głębokości skrawania), co z kolei przekłada się na wzrost wydajności pracy i obniżkę kosztów produkcji. Postęp w tej dziedzinie uwarunkowany jest zwłaszcza pojawianiem się nowych koncepcji warstw przeciwzużyciowych oraz technik ich nanoszenia na ostrza.

Jak wyjaśnia Dariusz Kozak, właściciel firmy Polcomm, narzędzia skrawające produkuje się obecnie z kilku grup materiałów. Najbardziej popularny jest węglik spiekany i stal szybkotnąca. Droższymi rozwiązaniami są narzędzia wykonane przy użyciu materiałów supertwardych, takich jak diament polikrystaliczny (PCD) czy regularny azotek boru (CBN). – Firma Polcomm poza wymienionymi używa też mieszanek proszków węglikowych do produkcji płytek wieloostrzowych – mówi Dariusz Kozak. I dodaje, że w sektorze narzędziowym coraz popularniejsze jest wykorzystywanie materiałów wykonywanych w technologii metalurgii proszków, które mają zupełnie inne właściwości i strukturę. 

Sam materiał to jednak jeszcze nie wszystko – istotna jest właściwa kombinacja kilku czynników: materiału, geometrii ostrza i powłoki. – Konstrukcje narzędzi są coraz bardziej zaawansowane technologicznie; stosuje się też niekonwencjonalne rozwiązania. Dużą uwagę przykłada się do geometrii rowków wiórowych w celu zapewnienia efektywnej ewakuacji wióra. Znacznie wzrosła precyzja wykonania narzędzi dzięki dopracowanym procesom obróbki wykończeniowej mikrogeometrii krawędzi skrawających – tłumaczy prezes firmy Polcomm. – Celem jest osiągnięcie wysokiego stopnia niezawodności narzędzia i przewidywalnych rezultatów obróbki.

Również rozkwit nowoczesnych technologii związanych m.in. z przemysłem lotniczym, motoryzacyjnym czy zbrojeniowym, a do tego coraz trudniejsze w obróbce materiały powodują, że producenci są wręcz skazani na poszukiwanie efektywniejszych narzędzi. – W naszej firmie staramy się odpowiedzieć na te potrzeby. Doskonalimy się na polu inżynierii materiałowej, mamy własne laboratorium metalograficzne. Skupiamy się na takim doborze rozwiązań, aby wydłużyć trwałość narzędzi. Odpowiednia kompozycja materiałów, przebieg procesów produkcyjnych, wybór powłok ochronnych i obróbek wykończeniowych – to elementy, które pozwalają nam na uzyskanie innowacyjnych rozwiązań narzędziowych – wyjaśnia Dariusz Kozak z firmy Polcomm.

Supertwarde powłoki

Wspomniane już „trudne” do obróbki materiały, które można dziś spotkać coraz częściej bez względu na branżę, i związane z tym rosnące zainteresowanie ze strony odbiorców narzędziami, w których części robocze pokrywane są supertwardymi powłokami stawiają często ich producentów przed nie lada wyzwaniem. W rezultacie w ofercie rynkowej coraz częściej można spotkać narzędzia pokryte różnymi, mniej typowymi powłokami, jak np. ze związków tytanu: TiN, TiCN czy TiAlN. W przypadku np. ultrawydajnych frezów do obróbki materiałów lotniczych świetnie sprawdzi się również ceramika narzędziowa, dzięki której możliwa jest praca z parametrami znacznie przekraczającymi możliwości wykorzystywanych obecnie na szeroką skalę węglików spiekanych. Zabiegi powlekania narzędzi superwytrzymałymi powłokami nie tylko zwiększają ich trwałość, ale również wydłużają okres pomiędzy kolejnymi ostrzeniami.

W coraz powszechniejszym użytku są również różnego rodzaju kompozyty. Jednym z przykładów takiego rodzaju materiału jest cermet, tj. kompozyt spieczony (sprasowany) z materiałów ceramicznych i metalowych. Wykorzystywanym w tym kompozycie metalem najczęściej jest nikiel, molibden bądź kobalt, będący zwykle spoiwem dla tlenków, borków, węglików lub tlenku glinu. W zależności od użytych materiałów cermet może być kompozytem z matrycą metalową, ale zazwyczaj metal nie stanowi więcej niż 20% jego objętości. Materiał ceramiczny zapewnia też wysoką ognioodporność i twardość. Co ważne, kompozyty cermetowe są tańsze w produkcji, a narzędzia z nich wykonane zapewniają wyższą gładkość powierzchni.

Narzędzia w dobie Przemysłu 4.0

Trend automatyzacji i cyfryzacji wszystkich niemal już sfer produkcji nie omija także wykorzystywanych w procesach skrawających narzędzi. W tym kontekście coraz większego znaczenia nabiera właśnie szeroko pojęta digitalizacja, automatyzacja wielu czynności oraz olbrzymia liczba danych, które mogą posłużyć do lepszego planowania pracy i pozwalają zapobiegać usterkom w przyszłości.

– Wciąż pojawiające się coraz bardziej zaawansowane rozwiązania przekładają się na optymalizację procesów oraz oszczędność czasu, energii i surowców – zauważa Dariusz Kozak. I dodaje, że dynamiczny rozwój maszyn CNC, oprogramowania CAD/CAM oraz technologii mikroobróbki i nakładania powłok pozwalają na produkcję narzędzi o zupełnie nowych właściwościach i przeznaczeniu. Park maszynowy w Polsce staje się z każdym rokiem bardziej zaawansowany i wykazuje się coraz wyższym poziomem informatyzacji. Oprogramowanie maszyn pozwala na ich wzajemną komunikację i korzystanie ze wspólnych danych, a to zapewnia wzrost produktywności. Coraz powszechniejsze są również rozwiązania, które eliminują lub ograniczają udział człowieka w procesach produkcyjnych, a firmy coraz bardziej stawiają na automatyzację.

– My, budując pierwszą w Polsce fabrykę płytek wieloostrzowych, też skupiliśmy się na automatyzacji produkcji. Postawiliśmy również na cyfrową integrację systemów produkcyjnych. Istotny był dla nas też aspekt ekologiczny: dążymy do zmniejszania zużycia materiałów krytycznych. Nasze płytki wieloostrzowe cechuje ograniczony udział materiałów krytycznych w składzie fazowym mieszanki – dodaje właściciel firmy Polcomm. 

Uniwersalność czy specjalizacja?

Jednym z widocznych trendów w branży narzędziowej jest zwiększanie uniwersalności narzędzi, tak aby – dzięki odpowiedniej konstrukcji oraz doborowi materiałów, z których wykonane są ostrza tnące i całe narzędzie – można było je wykorzystywać w coraz szerszym zakresie zadań obróbkowych. Przeciwstawnym kierunkiem jest wprowadzenie wąskiej specjalizacji narzędzi dedykowanych konkretnym, z reguły bardzo trudnym operacjom technologicznym.

W nowoczesnej produkcji, gdzie coraz częściej operator jest zastępowany przez robota, narzędzie nie tylko zapewnia pożądany kształt i tolerancje, ale też odpowiada np. za właściwe usuwanie wiórów, a więc cechuje się dodatkowymi funkcjonalnościami. Mimo dążenia do uniwersalności łamaczy pracujących efektywnie w wielu materiałach, specjalistyczne rozwiązania zapewniają większą wydajność, która przekłada się na niższe koszty wytwarzania. Zakłady produkcyjne zajmujące się obróbką masową bazują dziś na narzędziach składanych, których przewagą jest przede wszystkim szybkość wymiany. Kolejne zalety to szeroka dostępność kształtów według m.in. norm ISO oraz różnorodność łamaczy, materiałów ostrza i pokryć.

Postępująca w wielu dziedzinach automatyzacja i robotyzacja produkcji wymusza również na producentach narzędzi zachowanie odpowiedniego poziomu niezawodności. Wszelkiego rodzaju usterki powodowałyby bowiem kosztowne przestoje. Dlatego też coraz ważniejsza staje się bieżąca diagnostyka stanu narzędzi, realizowana coraz częściej również on-line.

Nowoczesne rozwiązania

Spory wpływ na branżę narzędziową może mieć także technika wytwarzania przyrostowego. Upowszechnienie tej technologii kosztem tradycyjnej obróbki ubytkowej w naturalny sposób przyczyniać się będzie do zmniejszenia zapotrzebowania na standardowe narzędzia do obróbki maszynowej. Konsekwencje tych zmian branża narzędziowa może odczuć jednak dopiero w dłuższej perspektywie.

Ważną kwestią jest także sprawa chłodzenia miejsca obróbki, a tym samym również narzędzi skrawających. Obok metody zewnętrznego dozowania chłodziwa coraz częściej stosowana jest obecnie także technologia wewnętrznego doprowadzania substancji chłodzącej do miejsca obróbki przez specjalne kanaliki, np. w wiertłach. Takie rozwiązanie znacznie poprawia ich parametry pracy podczas wykonywania bardzo głębokich otworów. Podobne rozwiązania stosuje się coraz częściej w gwintownikach. W ten sposób konstruuje się również uchwyty narzędzi roboczych umożliwiające zarówno szybkie podawanie chłodziwa, jak i dozowanie go w ściśle określonej ilości. Jednym z oferowanych rozwiązań jest podawanie chłodziwa bezpośrednio do miejsca skrawania pod wysokim ciśnieniem (ponad 30 barów). Ma to znaczenie przy obróbce skrawaniem materiałów (stopów) trudnoskrawalnych. Nie należy zapominać, że podawane we właściwy sposób chłodziwo wydatnie wpływa na prawidłowe kształtowanie się wióra, a tym samym na jakość obrabianej powierzchni.

Rosnące oczekiwania ze strony odbiorców, ciągły rozwój w zakresie dostępnych materiałów oraz konstrukcji narzędzi i nowe technologie obróbki w dość istotny sposób wpływają na aktywność producentów z branży narzędziowej. I choć zachodzące zmiany nie mają może rewolucyjnego charakteru, jednak ten stały rozwój dobrze wpływa na branżę, która rozwija się i dostarcza na rynek coraz bardziej zaawansowane produkty.