Inteligentne narzędzia skrawające w nowoczesnej produkcji
Adobe Stock – josefkubesObecnie w halach produkcyjnych coraz częściej można usłyszeć określenie „inteligentne narzędzia skrawające”. Dla osób niezwiązanych z branżą może to brzmieć jak kolejne modne hasło marketingowe, jednak za tym terminem kryje się prawdziwa rewolucja w podejściu do procesów obróbki skrawaniem. Wyobraźmy sobie sytuację, w której narzędzie samo informuje nas o swoim stanie, przewiduje moment swojego zużycia i sugeruje optymalne parametry pracy. To nie jest już całkowite science fiction – taka czeka nas rzeczywistość Przemysłu 4.0.
Narzędzia skrawające stale ewoluują – przede wszystkim w kierunku coraz lepszej jakościowo i wydajniejszej obróbki różnego rodzaju materiałów oraz większej trwałości. W tym celu stosuje się coraz to bardziej zaawansowane materiały narzędziowe, a także specjalistyczne powłoki.
– Nowoczesne narzędzia skrawające spełniają nie tylko normy jakościowe związane z wytrzymałością i precyzją obróbki, ale również pozytywnie wpływają na wydajność obrabiarki. Dzieje się tak przede wszystkim dzięki zastosowaniu wysokiej klasy materiałów do wytwarzania narzędzi skrawających oraz odpowiedniej konstrukcji takiego narzędzia – wyjaśnia Tomasz Charkot, specjalista ds. marketingu w MMC Hardmetal Poland. – Odpowiednio zaprojektowane narzędzie sprawia, że znacznie łatwiej usuwany jest wiór i ograniczone zostaje ryzyko złamania lub pęknięcia na narzędzia. A w sytuacjach, kiedy występuje ryzyko warto pamiętać, że awaria systemu obróbki nie powoduje wyłącznie strat materialnych związanych z awarią urządzania. Często utrata zysków związana z przestojem całej linii produkcyjnej może być znacznie bardziej dotkliwa.
Nowa jakość zarządzania narzędziami
Jeszcze dekadę temu operatorzy obrabiarek musieli polegać głównie na swoim doświadczeniu i intuicji w ocenie stanu narzędzi skrawających. Wymiana narzędzia następowała albo według sztywno ustalonych harmonogramów, albo – co gorsza – dopiero w momencie zauważenia pogorszenia jakości obróbki czy wystąpienia wyraźnych oznak zużycia. Takie podejście, choć przez lata sprawdzone, niosło ze sobą wiele problemów. Z jednej strony – wymiana narzędzi według ustalonego harmonogramu często oznaczała rezygnację z części ich potencjalnej żywotności, generując niepotrzebne koszty. Z drugiej strony – czekanie na widoczne oznaki zużycia mogło prowadzić do produkcji elementów, które nie spełniają wymagań jakościowych, lub nawet do awaryjnych zatrzymań produkcji.
Współczesne systemy monitoringu narzędzi skrawających wprowadzają zupełnie nową jakość do procesu produkcyjnego. Sercem tych rozwiązań jest zaawansowana sensoryka, która nieustannie zbiera informacje o stanie narzędzia i parametrach jego pracy. Mikrokamery o wysokiej rozdzielczości obserwują powierzchnie skrawające, precyzyjne czujniki mierzą siły powstające podczas obróbki, a systemy termowizyjne monitorują rozkład temperatur. Te wszystkie dane, zbierane w czasie rzeczywistym, tworzą kompletny obraz stanu narzędzia.
Sztuczna inteligencja w praktyce – analiza i predykcja
Jednak sama zdolność do zbierania danych to dopiero początek. Prawdziwa rewolucja kryje się dopiero w sposobie ich przetwarzania, a przede wszystkim praktycznego wykorzystania. Nowoczesne systemy komputerowe, wykorzystujące algorytmy sztucznej inteligencji, potrafią nie tylko analizować bieżące parametry pracy, ale również przewidywać przyszłe zachowanie narzędzia. Wyobraźmy sobie system, który na podstawie subtelnych zmian w drganiach wrzeciona czy minimalnych wahań sił skrawania potrafi z wyprzedzeniem określić, kiedy narzędzie będzie wymagało wymiany. Co więcej, system ten może automatycznie dostosowywać parametry obróbki, przedłużając żywotność narzędzia przy jednoczesnym zachowaniu wymaganej jakości produktu.
Inteligentne narzędzia = inteligentna obróbka skrawaniem
Mówiąc o inteligentnych narzędziach skrawających, nie sposób nie wspomnieć również o inteligentnej obróbce. Są to bez wątpienia naczynia połączone, które będą jedną z kluczowych technologii produkcyjnych wraz z dalszym rozwojem koncepcji Przemysłu 4.0.
W artykule Smart Cutting Tools and Smart Machining: Development Approaches, and Their Implementation and Application Perspectives (Inteligentne narzędzia skrawające i inteligentna obróbka: podejścia rozwojowe oraz ich wdrażanie i perspektywy zastosowań) opublikowanym w Chinese Journal of Mechanical Engineering Kai Cheng, Zhi-Chao Niu, Robin C. Wang, Richard Rakowski i Richard Bateman podkreślają, że inteligentne narzędzia będą kluczowym trendem w obróbce komponentów, w której liczy się przede wszystkim coraz większa dokładność wymiarowa i w której są duże wymagania dotyczące funkcjonalności powierzchni.
W obróbce o wysokiej precyzji pozycjonowanie narzędzia skrawającego z tak wysoką dokładnością i powtarzalnością jest kluczowe i jest to zwykle podejmowane w sposób „pasywny”, tj. położenie narzędzia opiera się na dokładności pozycjonowania prowadnic, ale bez pomiaru zachowania narzędzia podczas skrawania i warunków procesu. Jednak w przypadku wielu procesów precyzyjnej obróbki ważne jest stosowanie inteligentnych narzędzi skrawających do przeprowadzania procesów w sposób „proaktywny”, aby poradzić sobie z dynamiką obróbki, zmiennością i złożonością procesu.
Mając na celu uzyskanie wysokiej jakości powierzchni i dokładności wymiarowej, można stosować pewne metody pomiarowe w celu monitorowania sił skrawania z wysoką precyzją i innych parametrów procesu. Zmiany sił skrawania mogą być związane ze zużyciem narzędzia lub innymi warunkami procesu i dlatego będą miały bezpośredni wpływ na wyniki obróbki. Zużycie narzędzia lub jego pęknięcie może również zwiększyć siły skrawania i wibracje w systemie obróbki, co spowoduje słabą chropowatość powierzchni, utratę dokładności kształtu i wymiarów, a nawet ślady drgań na obrabianych powierzchniach.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Różne typy inteligentnych narzędzi
Inteligentne narzędzia tnące są zbudowane z autonomicznymi możliwościami wykrywania i samouczenia się, a także działają w trakcie procesu wykrywania i uruchamiania, co prawdopodobnie doprowadzi do poprawy jakości części i chropowatości powierzchni, obniżenia kosztów produkcji i wyższej wydajności produkcji. Charakteryzują się pewnymi wyróżniającymi cechami, takimi jak autonomiczna praca, samokontrola stanu, samoregulacja pozycjonowania, umiejętność samouczenia się, zgodność z wysoce zautomatyzowanymi środowiskami CNC.
Potencjalne korzyści ze stosowania inteligentnych narzędzi:
- minimalizacja ścieżek narzędzi i czasu obróbki,
- lepsze wykończenie powierzchni obrabianych detali,
- maksymalizacja żywotności narzędzia skrawającego i wydajności skrawania,
- łatwiejsza obróbka skrawaniem skomplikowanych geometrycznie elementów z większą precyzją i wydajnością, np. konstrukcji cienkościennych, cylindrów pustych lub smukłych wałów,
- optymalizacja procesów w świetle autonomicznego wykrywania,
- samodzielna nauka i poprawa wydajności w procesie,
- dynamiczne wykrywanie procesu skrawania, obejmujące siły skrawania, powstawanie wiórów i interakcje w strefie skrawania.
Autorzy wspomnianego artykułu wyróżniają 4 typy inteligentnych narzędzi. Są to narzędzia tnące oparte na pomiarze siły skrawania, inteligentne narzędzie tnące zorientowane na temperaturę skrawania, szybkie serwomechanizmy narzędziowe oraz inteligentne uchwyty i tuleje zaciskowe, które są stosowane do pomiaru siły skrawania, temperatury skrawania, pozycjonowania i uruchamiania narzędzia w procesie, odpowiednio lub w połączeniu.
Inteligentne narzędzie tnące oparte na sile wykorzystuje folię piezoelektryczną jako element czujnikowy, głównie przy użyciu metod bocznikowania siły i pośredniego pomiaru siły. Czujnik fali akustycznej powierzchni jest również stosowany w opracowywaniu inteligentnego narzędzia tnącego poprzez pomiar siły skrawania za pomocą alternatywnego podejścia.
Narzędzie do inteligentnego cięcia oparte na temperaturze koncentruje się na rozwoju wewnętrznie chłodzonego narzędzia tnącego, zmniejszając temperaturę cięcia wokół krawędzi tnącej, aby wydłużyć żywotność narzędzia i uzyskać lepsze wykończenie powierzchni przedmiotu obrabianego. Może być również rozszerzone o pomiar temperatury cięcia w określonym środowisku obróbki.
Silnik serwo narzędzi jest zwykle używany do pozycjonowania narzędzia tnącego działającego w dynamicznym scenariuszu cięcia i uruchamiania z wysoką dokładnością i szerokim pasmem, w szczególności do precyzyjnej obróbki złożonych cech geometrycznych. Z kolei inteligentne tuleje zaciskowe i inteligentne uchwyty są niezbędne jako urządzenia umożliwiające transformację systemu obróbki do inteligentnej obróbki.
Dynamiczny rozwój technologii sprawia, że wiele procesów związanych z obróbką skrawaniem odbywa się z coraz mniejszą ingerencją człowieka. Tomasz Charkot przekonuje jednak, że fizyczny dobór narzędzi skrawających w dalszym ciągu przeprowadzany jest ze znaczącym zaangażowaniem czynnika ludzkiego.
– Wpływa na to głównie konieczność głębokiej analizy modelów i symulacji koncentrujących się na fizycznych możliwościach narzędzia. Sprawdzana jest głównie żywotność i efektywność pracy narzędzia w określonym cyklu obróbki. Wydaje się, że obecna technologia nie poradziłaby sobie również z odpowiednim wyselekcjonowaniem, a następnie analizą danych, które pojawiają się podczas obróbki zaawansowanych detali. Z reguły szczegółowa analiza danych pochodzących z różnych źródeł konieczna jest w związku z doborem narzędzia zachowującego optymalne parametry w określonych warunkach obróbki – tłumaczy przedstawiciel MMC Hardmetal Poland.
Perspektywy rozwoju narzędzi skrawających
Rozwój inteligentnych narzędzi skrawających będzie zmierzał w kierunku jeszcze większej autonomii systemów produkcyjnych. Już teraz prowadzone są prace nad narzędziami wyposażonymi w mikroczujniki wbudowane bezpośrednio w ich strukturę, co pozwoli na jeszcze dokładniejsze monitorowanie procesu skrawania. Rozwój technologii edge computing umożliwi przetwarzanie coraz większej ilości danych bezpośrednio na poziomie maszyny, co przyspieszy reakcję systemu na wykryte anomalie.
Kolejnym krokiem będzie prawdopodobnie integracja systemów monitoringu narzędzi z cyfrowymi bliźniakami całych linii produkcyjnych. Pozwoli to na optymalizację nie tylko pojedynczych operacji skrawania, ale całych procesów wytwórczych. Wyobraźmy sobie system, który automatycznie planuje harmonogram produkcji, uwzględniając przewidywane zużycie narzędzi, dostępność maszyn i wymagania jakościowe produktów.
Transformacja w kierunku inteligentnych narzędzi skrawających jest nieunikniona. To nie jest już kwestia „czy”, ale „kiedy” przedsiębiorstwa produkcyjne zdecydują się na ten krok. Firmy, które pierwsze dostrzegą potencjał tych rozwiązań i skutecznie je wdrożą, mogą zyskać przewagę konkurencyjną. Pozostali będą zmuszeni do nadrabiania zaległości w wyścigu technologicznym, który już się rozpoczął.
O Autorze
