Nowe materiały i ekologia, czyli co wpływa na zmiany narzędzi skrawających
Pixabay – blickpixelW procesach obróbki metalu, narzędzia skrawające odgrywają kluczową, choć często niedostrzeganą rolę. To od ich właściwości, w połączeniu z odpowiednimi materiałami narzędziowymi, zależy wydajność i precyzja obróbki, a także finalna jakość detalu. Zarówno maszyny obróbcze, jak i narzędzia skrawające, w tym dobór materiałów narzędziowych, podlegają ciągłemu rozwojowi, by sprostać rosnącym wymaganiom rynku i nowym wyzwaniom, takim jak obróbka innowacyjnych materiałów.
Nowe materiały, tendencja do miniaturyzacji, presja konkurencji, minimalizowanie kosztów, cyfryzacja i bardziej zrównoważony biznes – to tylko niektóre z wyzwań, z jakimi obecnie przychodzi się mierzyć firmom produkcyjnym. Dotyczy to również początku łańcucha wartości, który często obejmuje różne sposoby obróbki metalu.
Często to firmy z branży narzędziowej jako pierwsze otrzymują prośbę o zoptymalizowanie złożonych i problematycznych procesów obróbki. Do najczęstszych problemów, jakie stoją przed firmami z tej branży, zaliczają się zużycie narzędzi, czas obróbki i koszty.
Wspomniane wyżej wymagania rynkowe często przekładają się na rozwój narzędzi skrawających, który z kolei przynosi rozwój procesów produkcyjnych. Nowe rodzaje narzędzi skrawających nie tylko umożliwiają opłacalniejszą produkcję, ale również zmieniają zakres tego, co można wyprodukować przy użyciu procesów obróbki skrawaniem.
– Narzędzia skrawające, które są produkowane w ostatnich latach, muszą spełniać coraz większe wymagania klientów co do jakości, wydajności, produktywności, a także uniwersalności. Można zaobserwować trzy główne trendy rozwoju narzędzi, z którymi muszą mierzyć się producenci – stwierdza Rafał Izaszek, doradca techniczno-handlowy w firmie PAFANA, i wylicza:
– Po pierwsze, to obróbka „na twardo”. Coraz częściej obrabiane są twardsze i egzotyczne gatunki materiałów, co pozwala zachować większą dokładność wykonania wyrobów. Po drugie, to obróbka „na sucho”. Coraz częściej używa się narzędzi (ostrzy), które ze względów ekologicznych nie wymagają chłodzenia cieczą. I wreszcie po trzecie, obróbka „na szybko”. Zwiększone parametry pracy narzędzi przez wzrost posuwów i zmniejszenie warstwy skrawania zmniejszają obciążenie wrzecion w obrabiarkach. Spełnienie tych trzech aspektów przynosi znaczne obniżenie kosztu wytworzenia detalu przez firmy.
Innowacje w materiałach narzędziowych i powłokach
Chyba od początku istnienia narzędzi skrawających na ich możliwości obróbcze ogromnie wpływa przede wszystkim materiał, z jakiego danego narzędzie jest wykonane. Ewolucja materiałowa cały czas jest więc kluczowa w kontekście rozwoju branży narzędziowej i możliwości produkcyjnych. Popularne dziś powłoki węglikowe, ceramiczne i diamentowe zmniejszają zużycie narzędzi i wydłużają ich żywotność. W olbrzymiej mierze właśnie te narzędzia z takim powłokami zapewniają nieprzerwaną pracę.
Do produkcji narzędzi skrawających używa się obecnie co najmniej kilku grup materiałowych. Do najpopularniejszych należą stale szybkotnące, węgliki spiekane, cermetale, ceramika inżynierska, azotek boru i diament. Z uwagi na różne właściwości tych materiałów i różnorodność operacji obróbkowych każdy z nich ma typowe zastosowanie, a często wręcz niszę.
Wszystkie z powyższych grup materiałów narzędziowych stale też się zmieniają. Powstają np. nowe gatunki węglików spiekanych, które są przeznaczone do realizowania trudniejszych procesów albo do ściśle określonych rodzajów obróbek. Przy produkcji bardziej wytrzymałych narzędzi używa się takich materiałów, jak diament polikrystaliczny (PCD) i regularny azotek boru (CBN).
W celu zwiększenia twardości i żywotności narzędzi stosuje się powłoki na bazie azotków, węglików czy węglikoazotków różnych pierwiastków, np. glinu, krzemu czy chromu. Bardzo dobre opinie mają także powłoki na bazie związków tytanu. Również producenci popularnych powłok PVD i CVD opracowują stale ich nowe gatunki przeznaczone do ściśle określonych aplikacji.
Konieczność ciągłego rozwoju stopów bardziej zaawansowanych niż stal narzędziowa wynika również z tego, że detale produkowane w różnych gałęziach przemysłu wykonuje się z coraz wytrzymalszych materiałów. Narzędzia skrawające muszą więc radzić sobie z materiałami coraz twardszymi i mniej podatnymi na obróbkę.
Ponadto zmieniające się technologie produkcyjne sprawiają, że producenci z różnych branż przemysłowych szukają coraz efektywniejszych narzędzi, które zapewnią lepsze właściwości skrawania. Jednocześnie dynamiczny rozwój maszyn CNC, oprogramowania CAD/CAM – a szczególnie technologii mikroobróbki i nakładania powłok – stwarzają możliwość wytwarzania narzędzi o zupełnie nowych właściwościach i przeznaczeniu.
Obróbka kompozytów i materiałów trudnoobrabialnych
Olbrzymi wpływ na rozwój narzędzi skrawających mają również nowe rodzaje materiałów, z których wykonuje się obecnie coraz częściej np. różne elementy konstrukcyjne. Branża lotnicza, motoryzacyjna, medyczna czy np. zbrojeniowa prześcigają się w tworzeniu takich materiałów, które będą lepiej spełniać często dość nietypowe potrzeby danego sektora rynku. Rozwój w tym obszarze wymusza szybką reakcję branży narzędziowej, która musi dostarczyć na rynek niezbędne rozwiązania, które sprostają nowym potrzebom.
Świetnym przykładem są np. materiały kompozytowe, takie jak włókno węglowe czy stopy tytanu. Problemy związane z ich obróbką wynikają przede wszystkim z ich niejednorodnej struktury i stosowania różnych materiałów wzmacniających, np. grafitu, szkła czy korundu. Wymagają one do obróbki specjalnych narzędzi skrawających, które będą w stanie wytrzymać często ekstremalne obciążenia.
W przypadku np. kompozytów z domieszką włókna węglowego zalecanym rozwiązaniem są narzędzia z PCD lub węglików spiekanych z naniesioną dodatkową powłoką diamentową. Warto też pamiętać, że nie tylko rodzaj materiału narzędziowego decyduje o powodzeniu procesu obróbki. Bardzo istotna jest także sama konstrukcja narzędzia, np. geometria ostrza. Zmiany w tym zakresie również mogą wpływać na parametry obróbki określonych materiałów.
Problemy z obróbką występują także w przypadku różnego rodzaju stopów, które charakteryzują się zwiększoną twardością, a tym samym trudniej je obrabiać przy użyciu tradycyjnych metod i narzędzi. Do materiałów trudnoobrabialnych zaliczamy m.in. nadstopy niklu, żarowytrzymałe stale nierdzewne, stopy tytanu i niektóre gatunki żarowytrzymałych stali nierdzewnych.
Mają one specyficzne właściwości (np. chemiczne, mechaniczne i termiczne), którymi odróżniają się od bardziej popularnych materiałów. Jednocześnie ich obróbka mechaniczna jest bardzo dużym wyzwaniem i wymaga stosowania odpowiedniej strategii (np. bardzo niskich parametrów obróbki), a także oczywiście odpowiednio dobranych i wytrzymalszych narzędzi.
Wpływ narzędzi skrawających na zrównoważony rozwój
Jednym z ważniejszych trendów, który coraz bardziej wpływa na branżę narzędziową, są także kwestie związane z koniecznością ochrony środowiska, zrównoważonym rozwojem czy gospodarką o obiegu zamkniętym. Pomijając kwestie związane z koniecznością poprawy efektywności energetycznej przez firmy, które wytwarzają narzędzia skrawające, również same narzędzia i obróbka z ich udziałem mogą wpływać na nasze środowisko.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Jak tłumaczy Rafał Izaszek, do największych wyzwań dla narzędzi skrawających należą w dużej mierze ekologia i cyfryzacja. Nowoczesne narzędzia muszą być wytwarzane zgodnie z normami ochrony środowiska. Jednocześnie swoimi walorami użytkowymi podczas obróbki powinny eliminować z procesu produkcyjnego czynniki, które wpływają negatywnie na środowisko, takie jak ciecze i oleje chłodzące strefę skrawania. Problemem jest także utylizacja narzędzi.
Z kolei Tomasz Charkot, specjalista ds. marketingu w MMC Hardmetal Poland, zauważa, że w obszarze obróbki skrawaniem wdrażane są projekty, które mają na celu identyfikację obszarów, w których możliwe są ograniczenie emisji CO2 i redukcja zużycia energii. Wprowadza się również rozwiązania, które są ukierunkowane na podniesienie trwałości i efektywności pracy narzędzi, a co za tym idzie – pozytywnie wpływają na ograniczenie zużycia energii i wydłużają cykl życia produktu. Systematycznie następuje także przegląd złożonych procesów produkcyjnych, znajdowanie punktów krytycznych i próba ich wyeliminowania.
– Wydaje się, że aby kontynuować postęp, konieczne jest przede wszystkim utrzymanie efektywnego zarządzania projektami, monitorowanie zużycia energii, generowania odpadów i emisyjności. Nie należy przy tym zapominać o wdrażaniu innowacyjnych rozwiązań, ukierunkowanych przede wszystkim na podniesienie efektywności pracy narzędzi i wydłużenie ich trwałości. Bezpośrednio bowiem przekłada się to na optymalne zarządzania materiałami, które są wykorzystywane do produkcji narzędzi skrawających – mówi Tomasz Charkot.
Regeneracja narzędzi skrawających
Możliwość obniżenia kosztów w połączeniu z działaniami proekologicznymi sprawiają, że sporym zainteresowaniem cieszą się narzędzia po regeneracji.
– Istnieje coraz większa świadomość i zainteresowanie niewykorzystanym potencjałem środowiskowym i ekonomicznym w przemyśle wytwórczym. Jednym z kluczowych aspektów w tym zakresie jest zwiększenie możliwości wdrożenia nowych rozwiązań, które wpierają gospodarkę o obiegu zamkniętym, wśród klientów, partnerów biznesowych i zakładów produkcyjnych – mówi Tomasz Charkot. I dodaje:
– Kolejny etap to przejście z modelu liniowego do modelu zamkniętego, w którym kluczowe staje się odpowiednie zaprojektowanie cyklu życia produktu. Z uwagi na to producenci narzędzi skrawających oferują regenerację narzędzi skrawających, która ma wydłużyć cykl życia produktu. Pojawia się również coraz więcej możliwości recyklingu narzędzi. Warto tu podkreślić, że zarówno regeneracja, jak i recykling często odnoszą się do materiałów rzadko występujących. Mają więc istotne znaczenie dla wydajnego korzystania i przepływu materiałów w gospodarce o obiegu zamkniętym.
Poprawnie przeprowadzona regeneracja pozwala na kilkukrotne użycie narzędzia (standardowo 2–3-krotne) bez utraty przy tym trwałości ostrza. Warto jednak pamiętać, że głównym warunkiem, który pozwala poddać narzędzia procesowi szlifowania i powlekania, jest stan zużycia krawędzi skrawających. Wszelkie wykruszenia i wyłamania najczęściej to uniemożliwiają.
Usługi regeneracji to dla firm produkcyjnych oczywistość. W zdecydowanej większości użytkownicy zlecają regenerację producentowi narzędzia, który odtwarza jego pierwotną geometrię. Narzędzie po regeneracji ma więc cechy narzędzia nowego. Tak jest przy narzędziach produkowanych na potrzeby konkretnych zastosowań aplikacji.
Regeneracja w przypadku wysokiej klasy narzędzi jest rozwiązaniem uzasadnionym zarówno z technicznego, jak i finansowego punktu widzenia. Coraz bardziej skomplikowane geometrycznie narzędzia sprawiają jednak, że odtworzenie cech oryginalnego narzędzia bywa trudne, a nawet niemożliwe.
Regeneracja narzędzi jest jednak korzystna także dla środowiska. Pozwala bowiem na zmniejszenie zużycia energii, która jest konieczna do wyprodukowania nowego narzędzia, i zasobów rzadkich pierwiastków (m.in. wolframu czy kobaltu).
To oczywiście najważniejsze trendy, które wpływają na rozwój branży i wytwarzanych przez nią narzędzi. Ale nie jedyne. Kolejnym trendem jest szeroko pojęta miniaturyzacja. Dotyczy to zarówno obrabianych detali, jak i używanych do tej obróbki narzędzi. Miniaturyzacja komponentów wymaga narzędzi coraz precyzyjniejszych i o coraz mniejszych wymiarach. Przejście między mikro- a nanotechnologią jest płynne. Narzędzia o mikroskopijnej strukturze są szczególnie poszukiwane w elektronice i technice medycznej.
– Kolejnym wyzwaniem są cyfryzacja i skomputeryzowane systemy narzędziowe, które w połączeniu z obrabiarką istotnie wpływają na zarządzanie gospodarką narzędziową i kosztami. Aby w pełni kontrolować proces produkcyjny, w przyszłości producenci narzędzi będą musieli mieć w ofercie takie narzędzia z modułami cyfrowymi – dodaje Rafał Izaszek z firmy PAFANA.
Mówiąc o przyszłości narzędzi skrawających, warto mieć też na uwadze, że dość dynamicznie rozwija się całkowicie nowa technologia wytwarzania różnych elementów – konkurencyjna wobec obróbki skrawaniem. Mowa o druku 3D, czyli wytwarzaniu przyrostowym (obróbka skrawaniem należy do kategorii wytwarzania ubytkowego). Produkcja przy użyciu technologii druku 3D może z powodzeniem zastępować obróbkę skrawaniem w niektórych obszarach.
Z całą pewnością druk 3D sprawdzi się tam, gdzie produkcja nie odbywa się na skalę masową, a dokładność detalu nie jest najważniejsza. Z kolei obróbka CNC wciąż jest lepsza tam, gdzie ważna jest precyzja i wytrzymałość obrobionego detalu, a także gdy mamy do czynienia z produkcją seryjną. Dalsza popularyzacja druku 3D może więc w pewnym stopniu zmniejszyć zapotrzebowanie na narzędzia skrawające, ale z całą pewnością nie będzie to wpływ znaczący. A przynajmniej nie w najbliższej przyszłości.
O Autorze
