Efektivnější obrábění díky lepšímu využití potenciálu řezných nástrojů

Efektivnějšího obrábění, resp. obrábění s menšími výrobními náklady lze docílit různými zásahy do výrobního řetězce – pořízením modernějších technologií, kompletní revizí výrobního postupu nebo třeba tokem materiálu a informací procesem. Ukazuje se však, že jedním z velmi účinných prostředků pro snižování výrobních nákladů s rychlým efektem je lepší využití potenciálu stávajících řezných nástrojů, případně nasazení nástrojů s vyššími dosahovanými parametry. Právě touto problematikou se dlouhodobě zabývají také pracovníci Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (Resarch Center of Manufacturing Technology – RCMT), které je organizační součástí Ústavu výrobních strojů a zařízení na Fakultě strojní ČVUT v Praze.

Cena za pořízení, správu a používání řezných nástrojů se v ceně konečného produktu odráží různým podílem. Nejvíce záleží na náročnosti a specifikách konkrétní technologie. Uvádí se, že u běžných typů výrob z běžných konstrukčních materiálů tvoří cena za řezné nástroje jen cca 4–6 %, zatímco například za procesní kapaliny to je cca 7–17 % nebo samozřejmě ještě více na provoz a údržbu obráběcího stroje. Tento poměr se však výrazněji mění, pracujeme-li s drahými nástroji, například nástroji s břity z kubického nitridu boru (KNB) nebo polykrystalického diamantu (PKD) nebo také s nástroji speciálními, zakázkovými. Větší podíl nákladů na nástroje můžeme také očekávat při obrábění specifických konstrukčních materiálů, jako jsou titanové a niklové slitiny, nebo ty nekovové, například kompozitní materiály s vláknovou výztuží. V případě obrábění těchto materiálů je totiž relativně úzká oblast podmínek obrábění pro dosažení požadované jakosti obrobků, objemu produkce, a to při alespoň uspokojivé životnosti řezných nástrojů. Nevhodné podmínky obrábění vedou k velkým ztrátám právě i na straně nákladů na pořízení, správu a používání řezných nástrojů. Náklady na nástroje se také výrazněji promítají do ceny obrobku v případě nárůstu sériovosti výroby.

U uvedených typů výrob je, pro efektivní využívání nástrojů, obvykle spolu s počáteční volbou vhodných nástrojů třeba udělat dva základní kroky. Nejprve zvolit správně výchozí řezné podmínky na základě znalosti primárních vlastností daných řezných nástrojů (vlastnosti řezného materiálu a povlaku, i geometrie), a to buď např. na základě vlastních předchozích zkušeností ve firmě, znalostí dodavatele nástrojů nebo třetí osoby (nezávislého experta). Druhým krokem pak posléze je optimalizace již funkční technologie a volby nástrojů pro dosažení požadovaných efektů hospodárnosti nebo vyšší produkce. Jak již bylo naznačeno, lze se v obou zmíněných fázích obrátit na experty v oboru, mimo jiné tedy i na pracovníky centra RCMT, kteří dokážou využít svoje mnohaleté zkušenosti z oboru a různého spektra realizovaných výrobních technologií pro nezávislý a nezkreslený pohled na konkrétní problém.

Určení základních vlastností řezných nástrojů, ke kterým patří jistě samotná funkčnost nástroje (způsob utváření třísek a jejich odvod z místa řezu, tuhost nástroje atp.), dále odolnost břitů proti jejich opotřebovávání (neboli jejich potenciální životnost v řezu), velikost vznikajícího silového zatížení při obrábění anebo přesnost obrobku a jakost povrchu, je důležité nejen pro samotného výrobce a distributory řezných nástrojů, ale i pro koncové uživatele nástrojů – výrobce dílců. Zmíněné vlastnosti se určují prostřednictvím sérií testů. Dá se říci, že ještě ani dnes neexistují takové výpočtové a simulační přístupy, které by dokázaly plně definovat vlastnosti řezných nástrojů a jednotlivé vlivy na jejich chování stejně spolehlivě a přesně jako reálné testy nástrojů. Aby samotné testy měly dostatečnou vypovídající hodnotu s ohledem na uplatnitelnost dosažených výsledků v praxi, je třeba je realizovat podle určitých pravidel a zásad na provedení, jako je například znalost podstaty problému, dodržení správných a v čase konstantních vlastností procesní kapaliny, homogenita fyzikálních a mechanických vlastností obráběných vzorků atp.

Právě ve výzkumném centru RCMT jsou dlouhodobě dodržovány všechny nezbytné zásady a standardy pro testování řezných nástrojů. Za to mluví i více než 15letá úspěšná spolupráce s předními českými výrobci řezných nástrojů ve zmiňované oblasti. Vedle zkušených pracovníků je velkou výhodou také časová flexibilita a kvalitní strojní a přístrojová vybavenost. Za zmínku stojí například snímací a dokumentační technika, možnost aplikace vysokotlakého a velkoobjemového chlazení (do tlaku až 70 barů), možnost aplikace MQL (mazání minimálním množstvím maziva), výrobní stroje s vysokou dynamikou, vlastní vysokootáčkové přídavné pneumatické vřeteno pro mikroobrábění, anebo technika pro měření silových účinků při soustružení, frézování, vrtání či broušení.

Základními testy nástrojů lze stanovit limity mechanického a tepelného zatížení nejen břitů, ale i celých nástrojů a nástrojových sestav pro možnost maximalizace využití jejich potenciálu v reálných aplikacích.

Druhým a neméně důležitým a složitým krokem k optimálnímu nasazení nástrojů je správné použití řezného nástroje a využití jeho vlastností na konkrétním dílci. Aplikace základních vlastností získaných podle výše uvedeného postupu slouží v konkrétních aplikacích především pro nastavení „startovacích“ podmínek, za kterých bude možné dílec opracovat v požadované kvalitě a případně i čase. Často se ovšem vyskytují případy, kdy tyto prvotní podmínky nejsou optimální i s ohledem na minimum výrobních nákladů. Samotnou technologii a využití potenciálu nástrojů je tak třeba následně optimalizovat opět se znalostí chování nástrojů za určitých specifických podmínek. Jde především o případy, kdy se na užitné vlastnosti nástroje výrazně projevují sekundárními negativní vlivy výrobního procesu. K těmto vlivům patří například zhoršený odvod třísek z hlubších otvorů při vrtání nebo z dutin při frézování kapes, programovaná místa na obrobku s lokálním přetížením břitu (velký úhel opásání fréz, nevhodné nájezdy a výjezdy nástroje do/z řezu, lokální úseky se vznikem vibrací), změna mechanických vlastností obrobku v narůstající hloubce pod originálním povrchem dílce, systém upnutí obrobku a z toho plynoucí omezení, velké vyložení nástrojů, omezení na straně obráběcího stroje apod.

Technologie na konkrétním dílci se dá s ohledem na šířku problematiky obrábění optimalizovat prakticky ve všech krocích výroby dílce – technologičnosti konstrukce, volbě typu technologie a samotného výrobního zařízení, nastavení stroje. Nedílnou a důležitou součástí tohoto řetězce je pak také jednoznačně optimalizace samotné strategie obrábění, přípravy NC programu a samozřejmě také volby řezných nástrojů a pracovních podmínek. I zde lze spoluprací výrobce dílců s pracovníky RCMT docílit výrazných úspor ve výrobě a efektivnějšího hospodaření s nástroji. Příklady změn, které vedly ke kýženým efektům u různých zákazníků, jsou například nasazení trochoidálních technik úběru materiálu, NC program s předpisem pro dodržení konstantních posuvových rychlostí nástroje, návrh nového řezného nástroje, změna řezné rychlosti a posuvu, změna VBD nástroje, změna povlaku břitu řezného nástroje.

Efektivní využívání řezných nástrojů je založeno především na úplných znalostech jejich vlastností a limitů, a to pro konkrétní typ výroby. Hlavním aspektem pro hodnocení by však měla být celková efektivita obráběcího procesu, tedy velikost celkových výrobních nákladů (náklady na stroj a jeho provoz, přípravu výroby a na řezné nástroje). Výzkumné centrum RCMT je v oblasti vlastního testování a optimalizace volby řezných nástrojů pro konkrétní operace dlouholetým partnerem jak pro koncové uživatele nástrojů, tak i pro jejich výrobce a dodavatele. Vlastní bohaté zkušenosti v této oblasti se zpětně odrážejí v kvalitě a efektivitě výstupů spolupráce.

Ing. Pavel Zeman, Ph.D.
RCMT, FS ČVUT v Praze
p.zeman@rcmt.cvut.cz

www.rcmt.cvut.cz