Rozwiązania narzędziowe na czasy nowej normalności

Ponieważ pandemia COVID-19 nadal w nieoczekiwany sposób zmienia oblicze branży, producenci muszą się przygotować na ożywienie, które nastąpi po zniesieniu zamknięcia. Rolf Olofsson, product manager w firmie Sandvik Coromant, należącej do liderów branży obróbki skrawaniem metalu, wyjaśnia, w jaki sposób zaawansowane rozwiązania narzędziowe oraz podejście do toczenia stali będą kluczowe dla utrzymania konkurencyjności przez producentów.

W niedawnej publikacji firmy konsultingowej McKinsey & Company – „COVID-19: Briefing note” – analitycy opisują nadchodzące warunki jako „nową normalność”, w której producenci będą się mierzyć z nieprzewidywalnymi i trwałymi zmianami na rynkach konsumenckich. Według raportu odporność na te uwarunkowania będzie kluczowa dla tych, którzy chcą obrać kurs pożądany z gospodarczego oraz społecznego punktu widzenia.

W nowej normalności producenci zajmujący się produkcją mało- i wielkoseryjną mogą się zetknąć z dwoma scenariuszami: niskim lub wysokim popytem.

Scenariusze niskiego popytu wymagają narzędzi, za pomocą których można wyprodukować więcej przedmiotów na ostrze z jednoczesnym zagwarantowaniem bezpieczeństwa obróbki, mniejszej liczby przerw w produkcji oraz możliwości bezzałogowego jej prowadzenia. Z kolei w scenariuszach wysokiego popytu przydatne będą rozwiązania zwiększające wydajność skrawania oraz skracające czasy cyklu i umożliwiające szybkie przezbrajanie między partiami produkcyjnymi. W obu przypadkach kluczem do rentowności w toczeniu stali jest połączenie większej wydajności skrawania z większym stopniem wykorzystania obrabiarki bez uszczerbku dla niezawodności procesu.

Producenci zdają sobie sprawę ze znaczenia doboru gatunku płytki. Jednak wielu z nich nie bierze pod uwagę całościowej koncepcji wyposażenia. Tymczasem należy uwzględnić kilka zagadnień, dotyczących także płytek i oprawek narzędziowych. W tym artykule idziemy o krok dalej – wyjaśniamy, w jaki sposób innowacyjne rozwiązania mogą odegrać ważną rolę wobec wyzwań, przed którymi stoją producenci stalowych przedmiotów.

 

Trudny materiał

W pierwszej kolejności należy zauważyć, że obróbka materiałów z grupy ISO P wiąże się z bardziej złożonymi wyzwaniami. Obrabiane przedmioty, techniki i warunki obróbki oraz właściwości ujęte w klasyfikacji toczenia ogólnego znacznie się różnią. Sama klasyfikacja może obejmować obróbkę od zgrubnej do wykończeniowej przedmiotów odlewanych lub kutych, owalnych lub wykonanych w technologii o wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej. Same materiały – zarówno niestopowe, jak i wysokostopowe – charakteryzują się zróżnicowaną twardością.

Ponieważ o charakterystyce pracy płytki skrawającej decyduje tak wiele zmiennych, konkretne wyzwanie polegające na doborze gatunku materiału narzędziowego spełniającego szerokie wymagania związane z obróbką stali P15–P25 może być bardzo niewdzięczne. Określenia P15–P25 odnoszą się do wymogów względem parametrów obróbki wynikających z jej zróżnicowanych warunków. Dotyczy to parametrów skrawania, chropowatości powierzchni, głębokości skrawania, precyzyjnego lub zgrubnego wykończenia powierzchni oraz skrawania ciągłego lub przerywanego.

Ogromne znaczenie ma odporność na wykruszanie. Twardość ostrza musi bowiem umożliwiać uniknięcie deformacji plastycznej na skutek bardzo wysokich temperatur powstających zazwyczaj w strefie skrawania podczas obróbki stali P25.

Takie rozważania towarzyszyły pracy nad dwoma nowymi gatunkami płytek węglikowych do obróbki materiałów z grupy ISO P, wprowadzanymi obecnie na rynek przez firmę Sandvik Coromant, oznaczonymi: GC4415 i GC4425. Nazwy te nawiązują do warunków obróbki P15 i P25 w toczeniu stali.

 

GC4425 to jeden z dwóch nowych gatunków węglikowych płytek skrawających firmy Sandvik Coromant do toczenia materiałów z grupy ISO P

 

GC4425 oferuje udoskonaloną odporność na zużycie, wytrzymałość termiczną i udarność. Gatunek GC4415 ma natomiast uzupełniać GC4425 w zastosowaniach wymagających najwyższej odporności na wysoką temperaturę podczas pracy. Obydwa gatunki idealnie się nadają do obróbki stali niskostopowej i niestopowej oraz do produkcji masowej i seryjnej. Zapewniają bardziej niezawodne, wydajne i produktywne toczenie stali.

 

Warstwa po warstwie

Innym oczekiwaniem wobec płytki węglikowej, która ma sprostać daleko idącym wymaganiom stali P15 i P25, jest powłoka odporna na starcie powierzchni przyłożenia, powstawanie zużycia kraterowego (żłobka na powierzchni natarcia) i narostu. Kluczowe jest też ścisłe przyleganie powłoki do podłoża. Słabo przylegająca powłoka odsłania podłoże, co prowadzi do szybkiego zniszczenia płytki.

Dlatego gatunki GC4415 i GC4425 mają warstwę tlenku glinu wykonaną w zoptymalizowanej pod kątem obróbki wiórowej technologii Inveio®, metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD).

 

Gatunki GC4415 i GC4425 mają warstwę tlenku glinu wykonaną metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) w zoptymalizowanej pod kątem obróbki wiórowej technologii Inveio

 

Każdy gatunek płytki składa się z następujących warstw:

• najpierw jasnożółta powłoka wierzchnia z azotku tytanu (TiN), która ułatwia wykrywanie objawów starcia,
• poniżej powłoki TiN znajduje się wykonane w technologii Inveio pokrycie z tlenku glinu (Al₂O₃) – wyjątkowość pokrycia Inveio można dostrzec jedynie podczas badania zgładu przez powierzchnię materiału pod mikroskopem: takie samo zorientowanie każdego ziarna tworzącego warstwę pokrycia sprawia, że tworzy się wyjątkowo mocna bariera zwrócona w stronę powierzchni ostrza; technologia ta zapewnia płytce znaczną odporność na zużycie i większą trwałość ostrzy – w przypadku nowego pokrycia Inveio drugiej generacji znacznie zwiększono odporność na zużycie,

 

Takie samo zorientowanie każdego ziarna w pokryciu Inveio sprawia, że tworzy się wyjątkowo mocna bariera zwrócona w stronę powierzchni ostrza

 

• wewnątrz znajduje się powłoka z warstwą słupkową węgloazotku tytanu odkładanego w średniej temperaturze (MT-TiCN), która zapewnia większą odporność na zużycie ścierne,
• pod wszystkimi warstwami znajduje się podłoże z węglika spiekanego, które łączy wysoką wytrzymałość z udarnością. Powierzchniowy gradient wzbogacenia w kobalt zwiększa niezawodność procesu.

Podłoże i pokrycie płytek zostały tak opracowane, by zapewnić odporność na wysokie temperatury, ograniczając czynniki sprzyjające nadmiernemu zużyciu. We wszystkich sytuacjach obróbkowych optymalnym rodzajem zużycia płytki jest kontrolowane starcie powierzchni przyłożenia zapewniające przewidywalną trwałość ostrza. Gatunek doskonały to taki, który w niewielkim stopniu ulega niepożądanym rodzajom zużycia, a w niektórych rodzajach obróbki jest na nie całkowicie odporny.

Ważne jest również stosowanie oprawek narzędziowych z funkcją precyzyjnego podawania chłodziwa doprowadzanego przez narzędzie. Większość nowoczesnych narzędzi skrawających ma wewnętrzne doprowadzanie chłodziwa przez narzędzie w celu obniżenia temperatury i zwiększenia kontroli spływu wiórów podczas toczenia. Gatunki z grubym pokryciem, np. GC4415 i GC4425 powlekane metodą CVD i do obróbki materiałów z grupy ISO P, są dobrze chronione przed przegrzaniem przez powłokę ochronną. W przypadku tych gatunków podczas obróbki zgrubnej i średniej można uzyskać najlepszą trwałość narzędzia przy podawaniu chłodziwa wyłącznie na powierzchnię przyłożenia (od dołu).

 

Przewidywalne zużycie

Zastosowanie obydwu gatunków – GC4415 i GC4425 – już przynosi imponujące korzyści. Jeden z klientów, producent z branży motoryzacyjnej, przetestował płytkę z gatunku GC4425, porównując ją z płytką konkurencji. Obu płytek użyto do obróbki stali niestopowej z grupy ISO P o twardości 172 HB w celu wytworzenia głównego wału pojazdu. Pręt stalowy został poddany obróbce ciągłej, obejmującej odcinanie, obróbkę zgrubną oraz półwykończeniową.

 

Producent z branży motoryzacyjnej, który wytwarza wały główne – takie jak przedstawiony na zdjęciu – dzięki wieloostrzowej płytce w gatunku GC4425 zwiększył o 80% liczbę obrobionych przedmiotów

 

Producentowi udało się zwiększyć trwałość ostrza narzędzia do 150 egzemplarzy (sztuk) przy zastosowaniu płytki z oferty konkurencji, ale stworzona przez firmę Sandvik Coromant technologia Inveio drugiej generacji umożliwiła wzrost trwałości ostrza do 270 sztuk. Ponadto konkurencyjna płytka uległa znacznemu zużyciu kraterowemu, natomiast produkt Sandvik Coromant umożliwił wytworzenie o 80% więcej sztuk w bezpiecznych warunkach, przy stabilnym i przewidywalnym starciu na powierzchni przyłożenia.

Zalety nowego gatunku GC4425 umożliwiają przełamanie ograniczeń dotyczących parametrów skrawania. Płytka ta zapewnia najwyższe bezpieczeństwo obróbki dzięki wydłużeniu czasu, w którym ostrze utrzymuje idealny stan.

Zalety technologii Inveio wykraczają poza branżę motoryzacyjną. Klient z branży maszynowej korzystał z płytek węglikowych Sandvik Coromant podczas produkcji przedmiotu ze stali niestopowej z grupy ISO P, lecz tym razem twardość wynosiła 205 HB. Przedmiot obrabiany został wystawiony na oddziaływanie ciągłej zewnętrznej obróbki wzdłużnej i obróbki półwykończeniowej. Płytka z oferty konkurencji zużyła się z powodu odkształcenia plastycznego, natomiast gatunek GC4425 marki Sandvik Coromant okazał się o 50% trwalszy oraz cechował się stabilnym i przewidywalnym zużyciem.

 

Skokowy wzrost produktywności

Istnieje jeszcze inna innowacja, którą producenci mogą wziąć pod uwagę, chcąc osiągnąć skokowy wzrost produktywności obróbki tokarskiej stali: toczenie we wszystkich kierunkach. To dlatego firma Sandvik Coromant wprowadziła na rynek PrimeTurning™ – koncepcję łączącą nową metodę i narzędzie w sposób umożliwiający toczenie we wszystkich kierunkach, bardziej efektywnie i produktywnie niż w przypadku toczenia tradycyjnego.

Metoda polega na stosowaniu narzędzi CoroTurn® Prime firmy Sandvik Coromant przeznaczonych do toczenia we wszystkich kierunkach, w tym płytki w wariancie A do lekkiej obróbki zgrubnej, obróbki wykończeniowej i profilowania oraz w wariancie B do obróbki zgrubnej. Następnie wybrane narzędzie zostaje zastosowane z użyciem kodu programu CNC wygenerowanego z poziomu aplikacji webowej. Optymalizuje ona program sterowania z uwzględnieniem technik programowania i właściwych zakresów parametrów oraz zmiennych dla danej obróbki.

 

Internetowy generator kodów sterowania numerycznego opracowany przez Sandvik Coromant dostarcza program CNC i uwzględnia techniki skrawania odpowiednie do zastosowań

 

Ta innowacyjna metoda toczenia przyniosła wzrost produktywności i wydłużyła okres pracy narzędzia. Przez połączenie narzędzia skrawającego i dopracowanych programów klienci Sandvik Coromant mogą zmniejszać kąty przystawienia, wydajniej wykorzystywać krawędzie i unikać zakleszczania się wiórów.

Tego rodzaju innowacyjne rozwiązania mogą odegrać ważną rolę wobec wyzwań, przed którymi stoją producenci stalowych przedmiotów. Będą mieć one kluczowe znaczenie dla tych, którzy chcą przetrwać w nadchodzącej, bezprecedensowej erze nowej normalności, a także utrzymać konkurencyjność pomimo skutków pandemii.