Obróbka metali w skali giga
Norbert – Adobe StockMaszyny wielkogabarytowe nie są po prostu powiększonymi wersjami standardowych obrabiarek. To specjalistyczne maszyny produkcyjne, które umożliwiają realizację procesów obróbczych, które są niemożliwe do wykonania na konwencjonalnym sprzęcie. Gdy inżynierowie projektują turbiny dla elektrowni atomowych, kadłuby okrętów podwodnych czy skrzydła samolotów pasażerskich, to później właśnie maszyny wielkoformatowe odpowiadają za przekucie tych projektów w rzeczywistość.
Nie istnieje jednoznaczna norma definiująca, kiedy maszyna staje się „wielkogabarytowa”. W praktyce przemysłowej za wielkogabarytowe uznaje się obrabiarki przeznaczone do elementów, których obróbka przekracza możliwości standardowego sprzętu – zarówno pod względem wymiarów, jak i masy.
Gdzie przebiega granica wielkogabarytowości?
Mimo że nie istnieje formalna definicja, czym jest maszyna wielkogabarytowa, można przyjąć, że jest to urządzenie, którego strefa robocza przynajmniej w jednym wymiarze przekracza wielkość kilku metrów. Udźwig stołu roboczego takiej maszyny wynosi co najmniej kilkanaście ton, a nierzadko są to wielkości rzędu kilkudziesięciu czy nawet ponad 100 t. Z kolei kubatura przestrzeni obróbczej mierzona jest w dziesiątkach, a niekiedy nawet setkach metrów sześciennych. To maszyny, które wymagają specjalnych fundamentów, potężnych suwnic i zasilania energetycznego porównywalnego z małym zakładem produkcyjnym.
Liczby mówią same za siebie. Tokarki karuzelowe osiągają średnice stołów od kilku do kilkunastu metrów, z wysokością obróbki sięgającą również kilku metrów. Frezarki bramowe i portalowe oferują stoły o długości dochodzącej do 50 m i szerokości do kilkunastu metrów. Wytaczarki poziome radzą sobie ze średnicami wytaczania, które przekraczają 300 mm, przy długościach obróbki liczonych w dziesiątkach metrów. Ciężar samych maszyn, bez obrabianego elementu, sięga od kilkudziesięciu do kilkuset ton.
Andrzej Janicki, prezes Metal-Team, podkreśla kluczową cechę tych urządzeń: – W obróbce wielkogabarytowej najważniejszą cechą maszyn jest ich wyjątkowa sztywność. Tylko konstrukcja o wysokiej stabilności geometrycznej utrzymuje precyzję przy elementach ważących nawet kilka ton, jak w przypadku elektrodrążarki ONA AV130 z udźwigiem stołu 10 000 kg. Każde ugięcie czy drganie wpływa na jakość obróbki, dlatego ramy projektuje się tak, żeby eliminowały skutki obciążeń i temperatury.
Dla lepszego zrozumienia skali: standardowa frezarka CNC to stół o wymiarach 1000×500 mm z udźwigiem kilkuset kilogramów. Maszyna wielkogabarytowa zaś to przestrzeń robocza, zdolna obsłużyć elementy większe niż autobus miejski.
Podstawowe różnice – więcej niż tylko rozmiar
Maszyny wielkogabarytowe różnią się od standardowych obrabiarek nie tylko skalą, ale przede wszystkim filozofią konstrukcji i wyzwaniami technologicznymi. Wraz z rozmiarem rosną wykładniczo siły skrawania, deformacje termiczne i obciążenia grawitacyjne. Dlatego tak istotna jest odpowiednia konstrukcja maszyny wielkogabarytowej.
Rozwiązaniem są masywne żeliwne łoża o grubości ścian przekraczającej pół metra, specjalne profile prowadnic – często ślizgowych zamiast tocznych, które lepiej tłumią drgania – oraz elektroniczne systemy kompensacji grawitacyjnej, które korygują ugięcie długich wrzecion. Niektóre maszyny wyposażone są w aktywne tłumienie drgań, co w czasie rzeczywistym przeciwdziała wibracjom, które mogą wpłynąć na precyzję obróbki.
Co jednak ważne, maszyny wielkogabarytowe muszą być równie precyzyjne jak małe obrabiarki. Tolerancje rzędu ułamka milimetra są standardem, tyle że osiąganym przy wielokrotnie większych długościach pomiarowych i w obecności gigantycznych obciążeń.
– Dzięki takiej konstrukcji nawet bardzo długie detale (jak te obrabiane na tokarkach SMEC SL8500 o długości toczenia do 5050 mm) czy elementy o dużych średnicach (jak na 5-osiowym centrum poziomym Matsuura MAM72-100H, gdzie sięgają one 1020 mm) mogą być obrabiane z pełną powtarzalnością i dokładnością przez wiele godzin nieprzerwanej pracy – wyjaśnia Andrzej Janicki.
Również w obszarze sterowania i programowania widać spore różnice. Zaawansowane sterowniki muszą monitorować jednocześnie dziesiątki parametrów: temperatury, drgań, zużycia narzędzi, odkształceń konstrukcji. Systemy CAM dedykowane dla maszyn wielkogabarytowych oferują symulacje kolizji w przestrzeni trójwymiarowej, optymalizację trajektorii, która uwzględnia dynamikę maszyny czy kompensację błędów geometrycznych poprzez mapowanie przestrzenne i korekcję w czasie rzeczywistym.
Narzędzia i oprzyrządowanie to osobny rozdział wyzwań. W obróbce wielkoformatowej pojawiają się frezy głowicowe o średnicach, które przekraczają 300 mm, dłuższe narzędzia, płytki skrawające zaprojektowane dla ekstremalnych obciążeń. Problem długich narzędzi do obróbki wielkoformatowej to nie tylko ugięcia, ale przede wszystkim drgania, które wpływają negatywnie na jakość detalu. Przy operacjach, które trwają wiele godzin, konieczna jest wymiana zużywających się narzędzi bez zatrzymywania procesu – stąd zaawansowane systemy automatycznej wymiany i monitoringu stanu ostrzy.
Oprzyrządowanie to często specjalne konstrukcje dla konkretnego detalu: uchwyty zdolne utrzymać wielotonowy element z precyzją do setnych milimetra, stabilizujące długie wały oraz systemy centrowania wykorzystujące lasery i czujniki. To nie standardowe akcesoria z katalogu – to rozwiązania zaprojektowane pod indywidualne potrzeby.
Często niedocenianym aspektem związanym z obróbką wielkogabarytową jest transport wielotonowych detali. W tym celu stosuje się suwnice i inne systemy transportowe o udźwigach do kilkuset ton. Nie można też zapomnieć, że choć element może ważyć 100 t, tolerancja jego ustawienia wynosi dziesiąte części milimetra. Wymaga to nie tylko odpowiedniego sprzętu, ale przede wszystkim doświadczenia i umiejętności.
Inaczej wygląda również kwestia przygotowania hali produkcyjnej i miejsca, w których będzie pracować maszyna wielkogabarytowa. Fundamenty takiej maszyny to betonowe konstrukcje głębokości kilku metrów, o wadze setek ton, projektowane indywidualnie dla każdej maszyny. Podłogi hal muszą wytrzymać obciążenia kilkudziesięciu ton na metr kwadratowy.
Z kolei zasilanie energetyczne to przyłącza o mocy setek kilowatów, a układy chłodzące osiągają wydajność tysięcy litrów na minutę. Bez odpowiedniej infrastruktury najlepsza maszyna nie będzie w stanie wydajnie pracować.
Typowe branże i zastosowania
Maszyny wielkogabarytowe znajdują zastosowanie w strategicznych sektorach przemysłu, w których połączenie dużych wymiarów i wysokiej precyzji jest wymogiem bezwzględnym.
Energetyka – sektor energetyczny to naturalne środowisko maszyn wielkogabarytowych. Elektrownie cieplne, jądrowe i wodne wymagają komponentów, które łączą gigantyczne rozmiary z najbardziej wyśrubowanymi wymaganiami jakościowymi na świecie.
W elektrowniach konwencjonalnych powstają turbiny parowe o wirnikach długości przekraczającej 20 m i wadze liczonej w dziesiątkach ton. Korpusy turbin osiągają średnice wewnętrzne ponad 5 m, wymagając precyzyjnego wytaczania łożyskowania. Generatory potrzebują wałów o średnicach przekraczających metr, obrabianych z tolerancjami współosiowości rzędu setnych milimetra. Jeden komplet turbiny dla elektrowni to niejednokrotnie kilka miesięcy pracy na maszynach wielkogabarytowych.
Jeszcze większe wymagania stawiają elektrownie jądrowe. Korpusy reaktorów, wymienniki ciepła, pompy głównego obiegu to komponenty, w których przypadku każda wada może mieć katastrofalne konsekwencje. Materiały trudnoobrabialne – stale austenityczne, stopy niklu – wymagają specjalistycznych narzędzi i procesów.
Również branża odnawialnych źródeł energii korzysta z obróbki wielkogabarytowej. Turbiny wodne mają wirniki o średnicach, które dochodzą do kilkunastu metrów. Elektrownie wiatrowe potrzebują pierścieni łożyskowych o kilkumetrowych średnicach i wałów głównych o długościach przekraczających 10 m. To elementy produkowane jednostkowo lub w małych seriach, ale o bardzo dużym znaczeniu dla funkcjonowania całej instalacji.
Przemysł stoczniowy i offshore – wały napędowe okrętów osiągają długości dziesiątek metrów przy średnicach przekraczających pół metra. Śruby okrętowe dla dużych jednostek mają średnice od kilku do kilkunastu metrów i są odlewane z materiałów odpornych na korozję morską, a następnie precyzyjnie frezowane dla zapewnienia optymalnych właściwości hydrodynamicznych.
Także przemysł offshore (platformy wiertnicze, konstrukcje morskich farm wiatrowych) generuje zapotrzebowanie na komponenty, które łączą gigantyczne rozmiary z odpornością na ekstremalne warunki pracy. Kolumny platform, węzły konstrukcyjne, cylindry hydrauliczne systemów podnoszenia – to przykłady elementów o dużych rozmiarach, które są obrabiane z materiałów odpornych na korozję i zmęczenie.
Produkcja tego typu elementów najczęściej jest jednostkowa lub małoseryjna, co wymaga od przedsiębiorstw produkcyjnych dużej elastyczności i umiejętności szybkiego przestawiania maszyn.
Przemysł lotniczy – segmenty kadłubów samolotów pasażerskich frezowane są z monolitycznych bloków aluminium. Elementy te osiągają długości kilku metrów przy złożonych geometriach, które wymagają obróbki pięcioosiowej.
Osobnym rozdziałem jest obróbka komponentów silników lotniczych. Obudowy, wały turbin, tarcze sprężarek są wykonywane ze stopów tytanu i niklu, czyli materiałów niezwykle trudnych w obróbce. Wymagania jakościowe są natomiast bardzo wysokie – konieczne są więc pełna identyfikowalność materiału, kontrola każdego etapu procesu, testy nieniszczące i certyfikacja zgodna z normami branży lotniczej.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Przemysł hutniczy – walcarki to maszyny, które same w sobie są produktami obróbki wielkogabarytowej, a jednocześnie wytwarzają części. Wały robocze i podporowe walcarek osiągają średnice do ponad 1000 mm przy długościach do 10 m. Cylindry robocze muszą być nie tylko precyzyjnie obrobione, ale także odpowiednio hartowane i polerowane dla uzyskania właściwej chropowatości powierzchni.
Maszyny do odlewania ciągłego, młoty i prasy – wszystkie wymagają masywnych komponentów obrabianych z wysoką precyzją. To branża o relatywnie dużych seriach, gdzie ekonomika produkcji pozwala na amortyzację kosztów przygotowania maszyn.
Andrzej Janicki potwierdza znaczenie tych sektorów: – Największe zapotrzebowanie na obróbkę wielkoformatową obserwujemy przede wszystkim w branży produkcji maszyn i urządzeń, energetyce oraz transporcie – od kolejnictwa i stoczni, po lotnictwo. W przypadku elektrodrążarek drutowych kluczowy pozostaje przemysł lotniczy, gdzie wiele elementów silników powstaje z jednego monolitycznego bloku materiału, bez możliwości łączenia, aby zachować idealne wyważenie i odporność na ogromne obciążenia.
Przemysł wydobywczy i górniczy – branże te potrzebują kombajnów, wałów przenośników taśmowych o długościach, które sięgają kilkunastu metrów, kół pasowych o średnicach mierzonych w metrach. To komponenty narażone na ekstremalne obciążenia, często wykonywane ze stali manganowych odpornych na ścieranie.
– W obróbce wgłębnej dominują natomiast duże formy wtryskowe, których przygotowanie bywa wyjątkowo czasochłonne. Coraz większe wymagania zgłasza również branża zbrojeniowa, w której rośnie udział komponentów o dużych gabarytach i wysokiej precyzji wykonania – mówi prezes Metal-Team.
Wyzwania współczesnej obróbki wielkogabarytowej
Z obróbką wielkogabarytową wiąże się wiele specyficznych wyzwań technologicznych, które wymagają nieco innego podejścia do procesu obróbczego i stosowania innowacyjnych rozwiązań.
Standardem w najbardziej wymagających aplikacjach coraz częściej stają się obecnie materiały trudnoobrabialne. Stopy tytanu w branży lotniczej charakteryzują się niskim przewodnictwem cieplnym, co prowadzi do przegrzewania narzędzi i ich przyspieszonego zużycia. Stopy niklu w energetyce oferują wysoką twardość i odporność na temperatury, ale szybko tępią ostrza skrawające. Kompozyty w lotnictwie wymagają zupełnie innych mechanizmów skrawania.
Znaczącym wyzwaniem w produkcji wielkogabarytowej jest zwiększenie wydajności i optymalizacja czasu produkcji.
Jarosław Czapliński, kierownik działu obróbki skrawaniem w Abplanalp, wskazuje napotykane trudności: – Nasi klienci często obrabiają
wielkogabarytowe konstrukcje spawane i czas zamocowania elementu jest bardzo długi z uwagi na fakt, że trzeba tak zamocować element, żeby po obróbce i odmocowaniu nie odkształcił się, bo wtedy zostaną utracone wszystkie tolerancje.
Dodatkowym wyzwaniem jest to, że często obrabiane elementy nie są powtarzalne.
– W związku z czym nie można zastosować takiego samego przyrządu do mocowania elementów na stole – wyjaśnia Jarosław Czapliński.
Żeby zminimalizować czasy przestoju maszyny i zdecydowanie zwiększyć wydajność, klienci coraz częściej rozważają kilka rozwiązań.
Praca wahadłowa maszyny to pierwszy sposób optymalizacji.
– Dla maszyn ze stałym stołem i ruchomą kolumną: na jednej części stołu obrabiarka obrabia element, a w tym samym czasie operator mocuje w drugiej części kolejny. Obydwa obszary są oddzielone przegrodą – opisuje ekspert Abplanalp. – Wymaga to dwukrotnie dłuższego zasięgu obróbczego, ale koszt dłuższej obrabiarki oraz stołu jest tylko o ok. 15-20% wyższy niż obrabiarki dwukrotnie krótszej. Natomiast przy takim rozwiązaniu eliminuje się czas przestoju obrabiarki spowodowany mocowaniem elementów. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest możliwość pracy w pełnym zakresie przesuwu kolumny po zdemontowaniu przegrody.
Inne rozwiązania to paletyzacja i mocowanie przyrządu z obrabianym elementem na płycie za pomocą systemu zero-point, np. do stołu obrotowego, co znacząco przyspiesza proces wymiany obrabianych elementów.
Skrócenie całkowitego czasu produkcji przy zastosowaniu powyżej opisanych rozwiązań jest tym większe, im stosunek czasu mocowania elementu na stole obrabiarki do czasu obróbki jest wyższy.
Natomiast skrócenie samego czasu obróbki przy zachowaniu wysokiej dokładności w dużej mierze zależy od jakości obrabiarki i zastosowanych narzędzi.
– W naszej ofercie posiadamy obrabiarki o bardzo zaawansowanych rozwiązaniach konstrukcyjnych (m.in. obrabiarki włoskiej firmy PAMA z centralnie umiejscowionym wrzecionem w środku kolumny – rozwiązanie zapewniające wysoką sztywność i precyzję obrabiarki) i narzędzia, które umożliwiają skrócenie czasu obróbki – wskazuje Jarosław Czapliński.
Przy długich cyklach obróbki, liczonych w dniach lub tygodniach, każda awaria generuje ogromne koszty – dlatego tak istotna jest niezawodność procesu. Predykcyjna konserwacja oparta na analizie danych z sensorów (drgania, temperatura, pobór mocy) pozwala przewidywać problemy, zanim doprowadzą one do zatrzymania maszyny. Monitoring zużycia narzędzi, stanu prowadnic, temperatury łożysk powinny być stale analizowane przez systemy diagnostyczne.
Praca przy maszynach wielkogabarytowych wiąże się też ze szczególnymi procedurami bezpieczeństwa. Masywne elementy w ruchu, wysokie siły, długie cykle pracy stwarzają potencjalne zagrożenia. Nowoczesne maszyny wyposażone są w zaawansowane systemy zabezpieczeń: bariery świetlne, czujniki obecności i systemy zatrzymania awaryjnego. Ważne w tym kontekście są również ergonomia stanowisk operatorskich czy dostęp do przestrzeni roboczej.
Obsługa maszyn wielkogabarytowych wymaga specjalistycznej wiedzy i doświadczenia. Operatorzy muszą rozumieć specyfikę obróbki dużych elementów, potrafić programować złożone operacje oraz interpretować sygnały z systemów diagnostycznych. W dobie niedoboru wykwalifikowanych pracowników znalezienie i utrzymanie takiego personelu staje się sporym wyzwaniem dla zakładów, które dysponują tego typu sprzętem produkcyjnym.
Perspektywy i znaczenie strategiczne
Maszyny wielkogabarytowe do obróbki metali to narzędzia, które umożliwiają realizację projektów istotnych z punktu widzenia strategicznych sektorów gospodarki: energetyki, obronności, transportu i infrastruktury. To technologia, która decyduje o zdolności przemysłu do produkcji najbardziej zaawansowanych komponentów inżynieryjnych. Ponadto posiadanie maszyn do obróbki wielkogabarytowej oznacza również możliwość wejścia na rynki o wysokich barierach wejścia i odpowiednio wysokich marżach.
Przyszłość obróbki wielkogabarytowej, jak całego sektora przemysłowego, to automatyzacja, cyfryzacja i integracja z rozwiązaniami Przemysłu 4.0. Cyfrowe bliźniaki pozwalają np. symulować procesy przed rzeczywistą obróbką, minimalizując ryzyko błędów i niepotrzebnych kosztów. Monitoring w czasie rzeczywistym i predykcyjna konserwacja redukują przestoje. Natomiast nowe materiały i narzędzia poszerzają granice możliwości technologicznych.
W czasach, w których globalne łańcuchy dostaw stają się coraz bardziej nieprzewidywalne, zdolność do lokalnej produkcji krytycznych komponentów nabiera strategicznego znaczenia. Maszyny wielkogabarytowe i umiejętność ich efektywnego wykorzystania to podstawa tej niezależności. To dziedzina, która wymaga ogromnych inwestycji i wieloletniego doświadczenia, ale mogąca przynieść wymierne korzyści tym, którzy zdecydują się na inwestycje w tego typu sprzęt produkcyjny.
O Autorze
