Aktywne narzędzia skrawające sposobem na obróbkę w każdych warunkach

Obróbka skrawaniem jest jedną z podstawowych technik produkcji. Z jednej strony stawiane są jej coraz wyższe wymagania dotyczące jakości obrabianej powierzchni, dokładności, tolerancji wymiarów [2], a z drugiej – sytuacja rynkowa i warunki ekonomiczne wymuszają na wytwórcach ciągłe podnoszenie produktywności. Jakie narzędzia mogą pomóc w zwiększeniu efektywności produkcji?

Jedną z metod jest zwiększenie wydajności obróbki, co bezpośrednio wiąże się z większymi obciążeniami obrabiarek. W takiej sytuacji w trakcie obróbki oprócz ruchów zamierzonych występują również ruchy niezamierzone, często zakłócające prawidłowy przebieg procesu skrawania. Takimi ruchami są drgania [14]. Drganiami nazywamy proces, w czasie którego charakteryzująca go wielkość fizyczna zmienia swą wartość, rosnąc i malejąc na przemian [1].

Drgania a narzędzia do obróbki skrawaniem

Definiowane są również jako ruch wokół położenia równowagi [3]. Drgania, potocznie nazywane wibracjami, mają ogromne znaczenie w wielu dziedzinach nauki oraz są istotne dla wielu zagadnień technicznych. Ich rola jest szczególnie istotna w przypadku obróbki skrawaniem. Jej problem występowania drgań dotyczy bezpośrednio i w dużej mierze wpływa na efekt końcowy, jakim jest finalny produkt. Problem drgań w obróbce skrawaniem zainteresował badaczy już na początku XX wieku.

W przeciągu ostatniego stulecia prace prowadzone są m.in. nad narzędziami skrawającymi, które w dużej mierze determinują wspomniane wcześniej wymagania. Szczególną uwagę poświęca się również tzw. inteligentnym materiałom (ang. smart materials). Znajdują one zastosowanie w coraz szerszej gamie aplikacji związanych z obróbką skrawaniem.

Rodzaje drgań występujące w trakcie obróbki skrawaniem

Drgania są zależne nie tylko od samej obrabiarki i parametrów technologicznych procesu skrawania, ale także od całego układu OUPN (obrabiarka – uchwyt – przedmiot – narzędzie), który de facto jest układem masowo-dyspersyjno-sprężystym. Dlatego też należy założyć, iż w układzie OUPN źródłem drgań może być adekwatnie każdy element układu. Może być to sama obrabiarka lub jej elementy konstrukcyjne, uchwyt, przedmiot lub narzędzie [14]. W ogólnym zarysie drgania występujące w trakcie obróbki skrawaniem pod względem przyczyn można sklasyfikować jako: swobodne, samowzbudne oraz wymuszone.

Drgania samowzbudne

Drgania swobodne nie są szkodliwe. Są powodowane chwilowym naruszeniem stanu równowagi układu, np. poprzez zmianę warunków ruchu (hamowanie, rozruch, zmianę obciążenia, wejście w materiał, wyjście z materiału). Następnie są tłumione, a stopień rozproszenia energii jest zależny od adekwatności masowo-dyspersyjno-sprężystych danej obrabiarki [3, 14]. Drgania samowzbudne są bardzo niepożądanym, groźnym i szkodliwym zjawiskiem z punktu widzenia obróbki skrawaniem. Są niebezpieczne, gdyż są drganiami niezanikającymi, a amplituda tych drgań samoistnie narasta. Skutkuje to znacznym pogorszeniem powierzchni obrabianej, zwiększeniem poziomu emitowanego hałasu, a w skrajnym przypadku może doprowadzić do zniszczenia narzędzia. Przykładowy skutek wystąpienia drgań samowzbudnych pokazany jest na rys. 1. Drgania samowzbudne nazywane są też drganiami typu chatter, które opisał jako jeden z pierwszych R.N. Arnold już w 1946 roku w [15].

Istnieje jeszcze wspomniany już wcześniej trzeci rodzaj drgań, mianowicie drgania wymuszone. Jak sama nazwa wskazuje, zachodzą wtedy, gdy na układ OUPN działa okresowo zmienna siła (wymuszenie). Powodem działania tak zmiennej okresowo siły może być np. nierównomiernie rozłożona masa obracającego się detalu w przypadku toczenia. Przyczyna powstawania drgań wymuszonych może bowiem leżeć nie w samej obrabiarce, ale w jej otoczeniu na hali. Wówczas przenoszące się poprzez fundamenty wibracje spowodują powstawanie drgań wymuszonych

W jaki sposób sprostać wymaganiom?

Przyczyny powstawania drgań mogą być różne. Niemniej jednak najbardziej szkodliwymi drganiami są drgania samowzbudne typu chatter, które wprowadzają obróbkę w obszar obróbki niestabilnej. To z kolei może doprowadzić obrabiany detal do takiego stanu.

Częstym problemem, któremu należy stawić czoła, jest także obróbka długich smukłych wałów (w przypadku toczenia), czyli tzw. przedmiotów podatnych, lub obróbka narzędziem o smukłym kształcie i długim wysięgu. Jednym ze sposobów zapobiegania rozwojowi drgań samowzbudnych jest wybór odpowiedniego narzędzia. Jednym z rozwiązań zaproponowanych przez wiodącego producenta narzędzi skrawających jest narzędzie z wbudowanym tłumikiem drgań Sandvik z serii Silent Tool. Co prawda nie jest to stricte rozwiązanie wykorzystujące np. aktywne struktury lub tzw. inteligentne materiały, ale w opinii autorów jest to konstrukcja na tyle skuteczna, interesująca oraz popularna, iż bez wyjątku zasługuje na kilka słów uwagi.

Budowa oprawki

W uproszczeniu budowę wewnętrzną oprawki narzędziowej można sprowadzić do bardzo precyzyjnie dobranej (do niepożądanych częstotliwości drgań) masy zawieszonej na dwóch gumowych pierścieniach. Wspomniana masa jest natomiast zanurzona w oleistej cieczy zwiększającej adekwatności tłumiące [4]. Narzędzie to jest uniwersalne oraz ma wymienną końcówkę. Końcówka oprawki ma specjalnie zaprojektowaną ryflowaną pod kątem powierzchnię. Pozwala ona wymieniać narzędzia robocze w zależności od potrzeb wykonywanej operacji tokarskiej.

Narzędzia do obróbki skrawaniem: tłumienie

Kolejną cechą charakterystyczną dla danego narzędzia jest jego bardzo silne tłumienie (wynikające z opisanej powyżej budowy wewnętrznej), które zostało zweryfikowane przez autorów testem impulsowym z wykorzystaniem młotka modalnego.

Z informacji, jakie można uzyskać od producenta, wynika, iż narzędzie z serii Silent Tool daje bardzo korzystne rezultaty. Jako przykład podano obróbkę zgrubną kołnierza przyłącza procesowego z zastosowaniem wytaczaka z modułem tłumiącym drgania. Wykorzystanie oprawy narzędziowej Silent Tool pozwoliło uzyskać dwukrotnie większe prędkości wrzeciona. Skróciło też czas jednostkowy o jedną trzecią oraz zwiększyło produktywność o 188%. Narzędzie może być stosowane również do zadań przy krótkich wysięgach w celu zwiększenia jakości wykończenia powierzchni oraz zwiększenia produktywności [4].

Ograniczenia

Rozwiązanie, które zostało zastosowane w oprawie narzędziowej Silent Tool, jest adekwatnie rozwiązaniem pasywnym, dlatego też ma pewne ograniczenia. adekwatności i masa modułu tłumiącego zostały tak dobrane, aby wytłumić określone postacie drgań. Parametry modułu tłumiącego są jednak niemodyfikowalne. Dlatego też np. dla postaci o innych częstotliwościach niż ta, do której zostało zaprojektowane narzędzie, efektywność pracy narzędzia może znacznie się zmniejszyć. Stąd lepszym rozwiązaniem jest aktywna kontrola drgań.

Układ sterowania

Kluczową rolę dla danego typu konstrukcji odgrywa adekwatnie dobrany układ sterowania. Jak wskazuje literatura, stosuje się podstawowe układy sterowania, takie jak np. regulator PID czy rozmyte regulatory PID [5, 6], wykorzystuje się również sztuczne sieci neuronowe, a także układy sterowania optymalnego, jak np. regulator LQG (ang. Linear – Quadratic – Gaussian), oparte na algorytmie liniowo-kwadratowym, którego celem jest minimalizacja błędu średnio kwadratowego, czy chociażby bardziej zaawansowany regulator adaptacyjny oparty na algorytmie LMS (ang. least mean squares) [8]. Istotny z punktu widzenia efektywności działania takich układów poza układem sterowania jest również element wykonawczy, czyli tzw. aktuator. Najchętniej stosowanymi aktuatorami są przetworniki piezoelektryczne, przede wszystkim ze względu na szereg zalet, jakie mają, tj.:

• małą wagę,
• małe wymiary,
• precyzyjne ruchy,
• pracę w szerokim paśmie częstotliwości [9].

Konstrukcje zza granicy

Jednym z twórców dość ciekawej konstrukcji aktywnego narzędzia skrawającego jest niemiecki instytut IFW (Institute of Production Engineering and Machine Tools) na uniwersytecie w Hanowerze. Przy współpracy z francuską firmą Cedrat Technologies opracował konstrukcję aktywnego adaptera dla noży tokarskich.

Konstruktorzy tego rozwiązania, na podstawie przeprowadzonego testu impulsowego, zidentyfikowali postacie drgań narzędzia. Przeprowadzili również próby skrawania (w tym przypadku przecinania), w których wprowadzili obróbkę w obszar niestabilny, tak aby pojawiły się drgania samowzbudne. Wykorzystując czujnik przyspieszeń, zbadano przemieszczenia narzędzia w trzech kierunkach. Przeprowadzone testy dostarczyły niezbędnych informacji do przygotowania modelu przedstawionego na rys. 3. Wymiary fizyczne adaptera to 125 mm długości oraz 62 mm średnicy zewnętrznej. W celu zwiększenia uniwersalności adapter został zaprojektowany zgodnie ze standardem
VDI-3425, dlatego też może zostać zamocowany w dowolnej tokarce CNC mającej głowicę rewolwerową.

System mocowania

System mocowania jest typowym standardem przemysłowym. Możliwa jest więc łatwa zmiana narzędzia w zależności od operacji, którą operator w danej chwili chce wykonywać. Narzędzie w celu efektywniejszego działania pracuje w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Informację o przemieszczeniu lub – jak jest w tym przypadku – o wartości siły dla układu sterowania dostarcza jednokierunkowy piezoelektryczny czujnik siły. Sensor zamontowany jest pomiędzy złączem narzędzia a prowadnicą piezosiłownika. Prowadnica składa się z tulei, która jest połączona mechanicznie poprzez dwie membrany z obudową zewnętrzną.

Membrany pozwalają na niemal liniowe przemieszczenie narzędzia w kierunku promieniowym do pracy, który jest kierunkiem odporowym w procesie toczenia [10]. Niestety autorzy nie opublikowali wyników testów przedstawiających próby skrawania danym narzędziem z aktywnym układem sterowania oraz bez układu sterowania. To z pewnością pozwoliłoby zweryfikować pracę takiego narzędzia. Należy jednak pamiętać, iż tego typu konstrukcje są rozwiązaniami prototypowymi realizowanymi przez jednostki naukowo-badawcze. Wyniki badań najczęściej nie są skomercjalizowane, głównie przez wysokie koszty danego rodzaju rozwiązań.

Zastosowanie ultradźwięków: narzędzia do obróbki skrawaniem

Kolejnym bardzo ciekawym rozwiązaniem wykorzystującym zupełnie inną technologię oraz zjawiska fizyczne, w porównaniu do wyżej opisanych rozwiązań, są narzędzia wykorzystujące ultradźwięki w celu wspomagania obróbki skrawaniem. Jest to technologia często wykorzystywana, zwłaszcza w takich operacjach jak wiercenie. Niemniej jednak znaleziono też zastosowanie w przypadku frezowania, toczenia, a choćby w trakcie obróbki elektrochemicznej (ECM) [12]. Obróbka wspomagana ultradźwiękami opiera się na wprowadzeniu dodatkowej energii do układu OUPN w formie oscylacji.

W rozwiązaniu tym wykorzystuje się relatywnie niskie amplitudy drgań, wynoszące około 10 µm, i wysokie częstotliwości drgań w zakresie około 20-60 kHz [17]. Celem wspomagania ultradźwiękami obróbki jest głównie poprawa łamania wióra oraz usuwanie go. To – jak zapewnia producent – zwiększa produktywność i dokładność obróbki. Głównym zastosowaniem ultradźwiękowego wspomagania obróbki jest wiercenie lub obróbka długich otworów ze względu na ciężkie warunki pracy narzędzia i utrudnioną drogę pozbywania się wióra. Podczas wiercenia głębokich otworów powstają długie wióry, z trudną łamliwością. Powoduje to zwiększenie obciążenia narzędzia (zwiększenie temperatury), powstają większe siły skrawania oraz istnieje ryzyko pogorszenia jakości powierzchni.

Narzędzia do obróbki a wpływ ultradźwięków

Narzędzie wyposażone w głowicę generującą ultra­dźwięki w czasie wiercenia umożliwia poprawę cykli technologicznych. Dzieje się tak choćby w trakcie trudnych warunków pracy przy minimalnym smarowaniu. Sprawia, iż produkuje się krótkie wióry, które w rezultacie są łatwiej usuwalne. To z kolei powoduje zmniejszenie się siły skrawania oraz zmniejsza się zużycie narzędzia [12, 17]. Ultradźwięki znajdują również zastosowanie w czasie operacji frezarskich. Przy danym rodzaju obróbki ubytkowej skupiono się głównie na obróbce materiałów trudno skrawalnych, takich jak:

• materiały ceramiczne,
• spieki tytanu,
• wielowarstwowe kompozyty wzmacniane włóknami.

Do tego celu skonstruowano głowicę, którą można zastosować np. w 5-osiowych centrach obróbczych [12, 17].

Obróbka elektrochemiczna

Kolejnym, bardzo innowacyjnym i interesującym zastosowaniem jest wykorzystanie ultradźwiękowego wspomagania obróbki elektrochemicznej (ECM). Jak podkreślano w początkowej części artykułu, wyzwaniami w produkcji metalowych komponentów są:

• wysoka precyzja,
• różnorodność materiałów,
• dzisiejszy przemysł oraz coraz liczniejsza konkurencja wymagające ekonomiczności, produktywności i zarazem pomysłowości.

Obróbka elektrochemiczna wychodzi naprzeciw tym oczekiwaniom. Precyzyjna metoda elektrochemiczna jest hybrydowym połączeniem konwencjonalnego ECM z dodatkowymi wibracjami elektrody. Idea tej metody polega na zsynchronizowaniu mechanicznych oscylacji elektrody z elektrycznymi impulsami prądowymi. Pozwala to znacząco poprawić precyzję w porównaniu do metody konwencjonalnej. Dzięki temu możliwa jest do uzyskania powierzchnia o chropowatości Ra = 0,05 µm przy posuwie 1 mm/min [12].

Czytaj też >> Smarowanie MQL w obróbce skrawaniem aluminiowych materiałów kompozytowych

Podsumowanie

W przeciągu ostatnich lat rozwijające się technologie wymuszają na współczesnym przemyśle coraz większą precyzję, skracanie czasu produkcji czy wykorzystanie coraz to nowszych i trudniejszych w obróbce materiałów. Z kolei globalizacja, większa konkurencja oraz lepszy dostęp do technologii wymuszają większą ekonomię w produkcji oraz produktywność. Sprostać tym wymaganiom z pewnością niełatwo, ale rozwiązania omawiane w niniejszym artykule wychodzą naprzeciw tym oczekiwaniom. Poprzez powstające drgania często niemożliwe jest wykorzystanie w pełni możliwości obrabiarki, jak np.: prędkości, posuwu czy głębokości skrawania.

Nowe możliwości

Dzięki narzędziom z tłumieniem drgań możliwe są zwiększenie parametrów skrawania, zapewnienie bezpiecznego przebiegu obróbki bez drgań i uzyskanie wąskich tolerancji, dobrej jakości wykończenia powierzchni oraz dużo większej wydajności skrawania, a w rezultacie niższego jednostkowego kosztu wykonania przedmiotu [19]. Wytwór IFW, jak podają autorzy [10], ma dalszy potencjał rozwojowy. Można go zoptymalizować w odniesieniu do technologii siłowników i kierunku wibracji oraz osiąganych amplitud wibracji. Można go też dostosować do określonego zadania obróbkowego. Według autorów niniejszej publikacji dużą niszą na rynku narzędzi skrawających stanowią aktywne narzędzia, wyposażone np. w piezosiłowniki. Według autorów jest to rozwiązanie dysponujące dużym potencjałem, dużą efektywnością w swoim działaniu. Jednak ze względu między innymi na wysokie koszty pozostające ciągle jeszcze w sferze uniwersyteckiej lub w obrębie instytucji naukowo-badawczych [20].