United. Experienced. Metal Cutting

W dniach 13–15 maja 2019 r. odbył się European Journalist Event, który towarzyszył CERATIZIT Open Days 2019. Grupa Team Cutting Tools, która powstała z połączenia firm CERATIZIT, WNT, Komet oraz Klenk, zaprezentowała swoje możliwości przed dziennikarzami z całej Europy. Plan wydarzenia obejmował wizyty w czterech fabrykach mieszczących się w Stuttgarcie, Balzheim, Kempten oraz Reutte.

Marka CERATIZIT oferuje wysokiej jakości narzędzia tokarskie z płytkami wymiennymi, wielofunkcyjne narzędzia EcoCut, narzędzia do przecinania i rowkowania oraz płytki do frezów. Produkty te są efektem wielu lat rozwoju narzędzi z węglików spiekanych.

Precyzyjne wiercenie, rozwiercanie, pogłębianie i wytaczanie to zadania dla ekspertów. Wydajne rozwiązania narzędziowe do obróbki otworów są domeną marki Komet. Ten obszar produktów obejmuje płytki do wierteł, rozwiertaki, pogłębiacze i narzędzia mechatroniczne.

WNT natomiast kojarzy się z narzędziami z węglika spiekanego i HSS, adapterami oraz wydajnymi rozwiązaniami do mocowania detali. Są to przede wszystkim: wiertła pełnowęglikowe, gwintowniki, frezy do nacinania gwintów, narzędzia do toczenia gwintów, miniaturowe narzędzia tokarskie, frezy ze stali szybkotnącej, frezy pełnowęglikowe oraz uchwyty do mocowania narzędzi.

Klenk to marka narzędzi pełnowęglikowych do wiercenia, przeznaczonych dla przemysłu lotniczego. Wysoko wyspecjalizowane produkty, dostępne dla klientów na całym świecie, są dostosowane do pracy z lekkimi materiałami konstrukcyjnymi.

 

Fabryka CERATIZIT Group w Stuttgarcie

Grupa CERATIZIT odnosi wielkie sukcesy dzięki zastosowaniu innowacyjnej metody spawania laserowego. W dziale wytwarzania przyrostowego (additive manufacturing), w sekcjach druku 3D i spawania laserowego, w fabryce w Stuttgarcie powstają narzędzia o nowej konstrukcji. W porównaniu z konwencjonalnie produkowanymi narzędziami do frezowania czołowego, z lutowanymi krawędziami skrawającymi z PCD lub regulowanymi kasetami, frezy Komet PCD są prawie dwukrotnie wydajniejsze. Proces wywarzania pozwala bowiem na uzyskanie znacznie większej liczby krawędzi skrawających niż było to wcześniej możliwe w przypadku narzędzi o tej samej średnicy. Ponadto otwór doprowadzający ciecz chłodzącą może być swobodnie zaprojektowany, aby optymalnie kierować przepływem chłodziwa do strefy skrawania. Możliwe jest również uzyskanie większego kąta pochylenia krawędzi skrawających, co pomaga jeszcze bardziej zwiększyć funkcjonalność narzędzi (skrawanie jest miększe i cichsze, a detale nie mają prawie żadnych zadziorów).

Drukowane narzędzia do frezowania czołowego są dostępne w różnych wersjach: standardowo z korpusem pod ostrza z PCD jako elementem wymiennym (spawane laserowo lub skręcane – w zależności od średnicy narzędzia), wciskane i jako głowice monolityczne. Oprócz wersji HPC z maksymalną liczbą krawędzi tnących oferowane są wersje Performance i ECO (ze średnią lub zmniejszoną liczbą ostrzy tnących), aby jak najlepiej spełniać wymagania związane z obróbką komponentu oraz obrabiarką.

Na rys. 1 przedstawiono głowicę frezarską o średnicy D = 32 mm i liczbie zębów z = 10, która powstała w procesie druku 3D oraz spawania laserowego.

 

Rys. 1. Głowica frezarska wykonana z zastosowaniem druku 3D oraz spawania laserowego

 

Zastosowanie druku 3D rozszerza również możliwości produkcji narzędzi specjalnych. W firmie Komet opracowano narzędzie do wiercenia, które pozostawia element bez wiórów podczas wykonywania otworów przelotowych w pustych przestrzeniach i komorach korpusu silnika. Narzędzie jest przeznaczone do rozwiercania. W rowkach wiórowych ma specjalne płytki do kontroli wiórów – takich płytek nie da się wyprodukować w sposób konwencjonalny. Specjalna konstrukcja rowka do kontroli wiórów i spiralnego otworu doprowadzającego chłodziwo z płukaniem wstecznym może być wykonana tylko w technologii druku 3D (rys. 2).

 

Rys. 2. Wiertło wykonane metodą druku 3D ze specjalnymi płytkami do kontroli wiórów i spiralnymi otworami doprowadzającymi chłodziwo

 

Wykorzystanie w CERATIZIT Group najnowocześniejszych urządzeń laserowych do obróbki narzędzi z PCD stale rośnie. Urządzenia te nadają się nie tylko do cięcia według zadanego konturu, lecz także do wprowadzania cech geometrycznych 3D. W praktyce krawędzie obrabiane laserem zwiększają trwałość narzędzia o 20 do 30%, ponieważ w przeciwieństwie do narzędzi szlifowanych są znacznie mniej poszarpane i mają ostrzejszą krawędź tnącą. W porównaniu z obróbką erozyjną technologia laserowa umożliwia wykonanie płytki w dowolnym kształcie. Jednym z przykładów tego są segmenty sferyczne, które zapewniają lepszą kontrolę wióra.

Kolejny obszar zastosowania obróbki laserowej stanowią narzędzia z CVD. Nie można ich obrabiać na konwencjonalnych maszynach do obróbki erozyjnej, ponieważ czysty diament w przeciwieństwie do PCD nie zawiera spoiwa. Obróbka laserowa jest więc w tym przypadku jedyną metodą produkcji.

Na rys. 3 zaprezentowano laserową obróbkę okrągłych płytek z PCD.

 

Rys. 3. Cięcie laserowe okrągłych płytek z PCD

 

Narzędzia z węglików spiekanych wytwarza się głównie przez szlifowanie. Mają one bardzo ostre, niestabilne krawędzie tnące, dlatego po krótkim czasie obróbki tworzą się mikrowióry prowadzące do nieokreślonej zmiany kształtu tych krawędzi. Konsekwencją tego jest krótka trwałość narzędzi. Rozwiązaniem jest w tym przypadku odpowiednie przygotowanie krawędzi tnących o dokładnie zdefiniowanym kształcie. Osiąga się to poprzez szczotkowanie szczotką diamentową. Do niedawna była to operacja ręczna, której jakość w dużym stopniu zależała od umiejętności operatora. Dzięki wprowadzeniu robota do szczotkowania przygotowanie krawędzi tnących o stałej jakości i powtarzalności zostało zautomatyzowane.

W zrobotyzowanej sekcji czyszczenia narzędzi węglikowych w stuttgarckiej fabryce kompletne zestawy narzędzi znajdujące się na palecie są obrabiane jeden po drugim. Chwytak na ramieniu robota podnosi każde narzędzie i określa położenie pierwszej krawędzi tnącej metodą dotykową za pomocą czujnika, po czym następuje przygotowanie krawędzi tnącej, w którym krawędź narzędzia jest prowadzona wzdłuż szczotki, maksymalnie w sześciu osiach. Po obróbce wszystkich krawędzi skrawających narzędzie jest odkładane do wolnego gniazda na palecie gotowych wyrobów. Operacja jest powtarzana do momentu wyszczotkowania wszystkich narzędzi z palety. Zrobotyzowanie stanowiska (rys. 4) pozwoliło na zwolnienie pracowników z wykonywania monotonnych zadań, a jednocześnie znacząco podniosło jakość i powtarzalność procesu.

 

Rys. 4. Zrobotyzowanie stanowisko do szczotkowania krawędzi tnących: a) strefa szczotkowania, b) całe stanowisko

 

Od lutego 2018 r. w oddziale w Stuttgarcie funkcjonuje nowoczesny system planowania produkcji z zastosowaniem elektronicznych kart produkcji (rys. 5). Wprowadzono go, by podnieść wydajność procesów produkcyjnych. Jest to tzw. system e-papieru, który można znaleźć także w czytnikach e-booków. Technologia ta została przystosowana do produkcji przemysłowej.

 

Rys. 5. Elektroniczna karta produkcji z opisem poszczególnych sektorów

 

Urządzenie ma wbudowaną baterię o żywotności 3–5 lat oraz wyświetlacz o wymiarach 90 × 42 mm (etykietę elektroniczną, którą można dowolnie programować). Każda etykieta elektroniczna ma własny adres MAC. Za pomocą czytnika kodów kreskowych numer zamówienia na karcie roboczej jest dopasowywany do etykiety. Następnie etykieta elektroniczna jest umieszczana z przodu skrzyni transportowej. Etykieta komunikuje się z systemem planowania produkcji CRONET przez sieć bezprzewodową. System działający w fabryce w Stuttgarcie jest w stanie zarządzać 4000 etykiet.

Wprowadzenie systemu elektronicznych kart produkcji przyniosło wiele korzyści:
● podczas produkcji etykiety elektroniczne zawsze przedstawiają dokładne daty i terminy planowane przez system;
● aktualizacje są dokonywane co 5 min;
● potencjalne opóźnienia są zaznaczane na czerwono na etykiecie elektronicznej wraz z różnymi poziomami pilności;
● terminy produkcji są bardziej przejrzyste niż wcześniej;
● pracownicy poszczególnych stacji roboczych mogą natychmiast określić, które zamówienia są szczególnie ważne i jaki jest następny proces technologiczny;
● pracownicy pracują bardziej efektywnie, np. mogą łączyć zamówienia wymagające zastosowania podobnych narzędzi i w ten sposób minimalizować czas ustawczy i intensyfikować pracę maszyny.

 

Oddział w Balzheim

Optymalizacja procesu skrawania pod kątem skrócenia czasu obróbki i wydłużenia żywotności narzędzi skrawających to kluczowe zagadnienie dla większości firm produkcyjnych dążących do zwiększenia rentowności. Taki efekt można uzyskać, stosując inteligentną strategię obróbki metodą trochoidalną, pod warunkiem użycia odpowiedniego narzędzia.

Najlepsze wyniki osiąga frez CircularLine CCR produkowany w oddziale w Balzheim. Frezy z węglików spiekanych CCR są wyjątkowo wytrzymałe i odporne na zużycie oraz duże wahania temperatury. Frezy CCR mają specjalny łamacz wiórów, który został wprowadzony do geometrii ostrza. Łamanie wióra jest konieczne w przypadku zastosowania narzędzia o długości roboczej l = 48 mm i średnicy D = 12 mm. Dzięki łamaczowi długość wióra jest ograniczona do 1 × ⌀, co zapewnia optymalne usuwanie wiórów nawet podczas obróbki materiałów trudnoobrabialnych.

W oddziale w Balzheim produkuje się trzy rodzaje frezów do obróbki trochoidalnej (uniwersalne, do obróbki aluminium i materiałów hartowanych). Ponadto dostępne są frezy z różną liczbą zębów. Frezy do sześciu krawędzi tnących zapewniają płynną pracę i wysoką objętość usuwania wiórów. Frezy do czterech krawędzi tnących pozwalają uzyskać wysoką prędkość posuwu. Dodatkowo użytkownik może wskazać pożądaną długość narzędzi (od 2 × D do 4 × D). Narzędzia te mogą osiągnąć głębokość cięcia na całej długości krawędzi tnącej.

Na rys. 6 i 7 przedstawiono frezy z rodziny CCR. W tablicy porównano parametry obróbki konwencjonalnej oraz trochoidalnej w trakcie frezowania przykładowego detalu.

 

Rys. 6. Frezy CCR-UNI do obróbki trochoidalnej

 

Rys. 7. Frez z rodziny CCR podczas obróbki

 

TABLICA. Porównanie parametrów obróbkowych frezowania konwencjonalnego i trochoidalnego

 

Zastosowanie obróbki trochoidalnej pozwala na zwiększenie parametrów obróbkowych i znaczne skrócenie czasu przygotowania przedmiotu (nawet do 50%).

 

Oddział w Kempten

W oddziale firmy w Kempten (Niemcy) wdrażane są rozwiązania pod kątem Przemysłu 4.0. ToolScope to system wspomagający obróbkę metalu, który umożliwia obiektywną i przejrzystą analizę procesu produkcyjnego. Jest on szeroko oferowany klientom na całym świecie. System ten można wykorzystać do monitorowania, regulacji, optymalizacji i prowadzenia dokumentacji. Chroni on narzędzia i maszyny, pomaga zapobiegać uszkodzeniom i przyspiesza produkcję. Dzięki zwiększonemu bezpieczeństwu procesu produkcyjnego ToolScope może się także znacząco przyczynić do wzrostu ogólnej wydajności.

Jak działa ToolScope? Przechwytuje wartość momentu obrotowego na podstawie zużycia prądu. Dane te są przetwarzane z użyciem algorytmów oraz statystycznej kontroli procesu i wyświetlane w czasie rzeczywistym na wykresie momentu obrotowego. Na podstawie rzeczywistych sygnałów ustala się progi (rys. 8), których przekroczenie może prowadzić do różnych reakcji maszyny. Korzystając z długoterminowego gromadzenia i przechowywania danych, można określić zużycie narzędzi/maszyn i odpowiednio regulować prędkość posuwu.

 

Rys. 8. Ekran systemu ToolScope

 

ToolScope ma różne komponenty sprzętowe, programowe i usługowe, które są łączone i dobierane indywidualnie dla każdego klienta lub maszyny. Głównym elementem jest komputer przemysłowy (IPC) z oprogramowaniem do analizy. Uzupełnia go wizualizacja na ekranie sterowania maszyną (HMI) lub alternatywnie za pomocą dodatkowych monitorów dotykowych. Opcjonalnie dostępne jest urządzenie z czujnikami do monitorowania kolizji.

Dzięki instalacji systemu ToolScope CERATIZIT Group może zapewnić użytkownikom wsparcie techniczne w zakresie nowych komponentów i procesów, przyczyniając się tym samym do ogólnej optymalizacji produkcji. Kluczowe są przy tym doświadczenie grupy jako producenta narzędzi i specjalistyczna wiedza w zakresie procesów produkcyjnych, dzięki czemu ToolScope jest wydajnym rozwiązaniem z obszaru Przemysłu 4.0. System ten ma mnóstwo zalet:
● koszty poszczególnych etapów jak również całego procesu można zredukować dzięki optymalizacji; powoduje to wzrost wydajności na komponent i proces;
● liczba odrzucanych komponentów jest mniejsza, ponieważ nadmiarowe oraz błędne detale są wcześniej wykrywane;
● koszty narzędzi są niższe, ponieważ monitoruje się rzeczywiste zużycie narzędzi i wykorzystuje się maksymalną żywotność narzędzi;
● unika się poważnych uszkodzeń w wyniku kolizji i późniejszych kosztów naprawy, a także przestojów maszyn;
● zapobiegawcza konserwacja za pomocą monitoringu wideo pomaga zmniejszyć koszty konserwacji i poprawia kontrolę nad planowaniem procesu produkcyjnego;
● poznanie optymalnych zmiennych procesowych pozwala skrócić przestoje;
● w razie potrzeby użytkownik może otrzymać wsparcie ze strony CERATIZIT Group na każdym etapie procesu produkcyjnego.

Gotowe narzędzia są pakowane w Centrum Logistycznym i wysyłane do użytkowników na całym świecie. Automatyzacja umożliwia przygotowanie wysyłki w ciągu 3 min od momentu złożenia zamówienia. Dzięki temu, jeżeli zamówienie zostanie złożone do godz. 19.00, narzędzia trafiają do klienta nawet już następnego dnia.

W Centrum Logistycznym narzędzia są przechowywane na zautomatyzowanych regałach (rys. 9a); każde ma indywidualny kod produktu. Po złożeniu zamówienia przez klienta narzędzia są automatycznie przenoszone z regałów do pojemników, które następnie są transportowane przez system przenośników taśmowych do stanowiska rozdzielania zamówień (rys. 9b). Na stanowisku rozdzielania zamówień (rys. 9c) pracownik umieszcza wybrane narzędzia na regale sortowniczym, kompletując zamówienie. Po drugiej stronie regału sortowniczego kolejny pracownik pakuje przygotowane zamówienie do kartonowych pudełek, generuje w systemie dane do wysyłki i nakleja je na pudełka (rys. 9d). W tym momencie narzędzia są gotowe, by wyruszyć do odbiorcy.

 

Rys. 9. Centrum Logistyczne w Kempten: a) regały z narzędziami, b) po-jemniki z narzędziami transportowane na przenośnikach taśmowych, c) stanowisko rozdzielania zamówień, d) stanowisko pakowania zamówień

 

Uruchomienie zautomatyzowanego Centrum Logistycznego w Kempten znacznie skróciło czas dostarczania produktów do klientów. Dzięki temu odbiorca może uniknąć kosztów związanych z przestojami maszyn w związku z oczekiwaniem na dostawę zamówionych narzędzi.

 

Oddział w Reutte

Stosowana w oddziale CERATIZIT Group w Reutte technologia HDT (high dynamic turning) to innowacyjne, bezkompromisowe podejście do obróbki toczeniem. W połączeniu z dynamicznym oprzyrządowaniem FreeTurn nowa technologia pozwoli w przyszłości na przeprowadzanie wszystkich tradycyjnych operacji toczenia – tj. obróbki zgrubnej i wykończeniowej, toczenia według zadanego konturu, planowania czy toczenia wzdłużnego – z użyciem jednego narzędzia.

Przez ostatnie 100 lat powstały nowe materiały narzędziowe, łamacze wiórów i kilka nowych systemów oprzyrządowania do optymalizacji procesu toczenia, jednak samo toczenie pozostało niezmienione. Nawet dzisiaj kontur tworzy się za pomocą płytek wymiennych ustawionych pod stałym kątem do przedmiotu obrabianego. Nie wpłynęło na to nawet dodanie sterowanych osi w nowoczesnych centrach tokarsko-frezarskich – maszynach, które mają służyć przede wszystkim jednemu celowi: wytwarzaniu komponentu najdokładniej jak to możliwe, na jednej maszynie. Grupa CERATIZIT wykorzystała zalety oraz możliwości tych centrów tokarsko-frezarskich, by opracować system HDT.

Prosty pomysł polega na tym, że można modyfikować podejście narzędzia do przedmiotu obrabianego i punkt styku z przedmiotem obrabianym. Klasyczną, statyczną pozycję płytki w uchwycie zastąpiono ruchomym wrzecionem frezarskim. Zastosowanie napędu wrzeciona frezarskiego w połączeniu z wąską, osiową konstrukcją narzędzi FreeTurn pozwala na swobody obrót o 360° bez ryzyka kolizji, zapewniając niespotykaną elastyczność. Dzięki obrotowi narzędzia wokół własnej osi zmiana krawędzi skrawającej następuje bez przerywania toczenia. Dodatkowo kąt podejścia jest zmieniany w dowolnym momencie, nawet podczas obróbki. Umożliwia to nie tylko elastyczną obróbkę prawie każdego konturu przedmiotu, lecz także optymalne łamanie wiórów, zwiększenie prędkości posuwu i trwałości narzędzia. W zależności od opcji maszyny technologia ta może być wykorzystywana we wszystkich operacjach tokarskich. Jedyny wymóg dotyczy tego, że centrum obróbkowe musi mieć pięć stopni swobody (przesuw liniowy wzdłuż trzech osi oraz możliwość obrotu wokół dwóch osi; rys. 10).

 

Rys. 10. Schemat pięciu stopni swobody umożliwiających zastosowanie technologii HDT

 

W przyszłości narzędzia do toczenia statycznego zostaną zastąpione przez narzędzia dynamiczne dostosowane do technologii HDT. Jednym z takich dynamicznych rozwiązań narzędziowych jest FreeTurn Grupy CERATIZIT. Cechą charakterystyczną oprzyrządowania FreeTurn jest jego prosta struktura. Uchwyt narzędziowy z wąskim trzonkiem i koncepcją osiową, która optymalizuje siły skrawania w kierunku wrzeciona frezarskiego, tworzą stabilną jednostkę. Porównanie rozkładu sił składowych podczas toczenia metodą HDT i konwencjonalną zaprezentowano na rys. 11. Kolorem czerwonym zaznaczono siłę skrawania; kolorem zielonym – siłę posuwową, natomiast kolorem niebieskim – siłę odporową.

 

Rys. 11. Rozkład sił składowych podczas toczenia: a) metodą HDT, b) metodą konwencjonalną

 

Z przodu trzonka znajduje się wieloostrzowa płytka, która obraca się podczas toczenia. Opatentowana płytka FreeTurn może mieć kilka krawędzi tnących o różnych właściwościach. W ten sposób uzyskuje się różne podejścia kątowe, promienie zaokrągleń wierzchołków lub łamacze wióra. Można nawet zastosować różne powłoki i materiały narzędziowe. Narzędzie to da się zatem dostosować do wymagań obróbkowych i w ten sposób zastępuje ono kilka narzędzi. To z kolei prowadzi do znacznych oszczędności czasu potrzebnego na wymianę narzędzi czy redukcji zapasu narzędzi w magazynach w porównaniu z metodą konwencjonalną.

Jedną z wyjątkowych cech jest tworzenie komponentów o bardzo złożonych konturach tylko jednym narzędziem. Ta elastyczność zapewnia szybkie i skuteczne dopasowanie złożonego kształtu komponentu do warunków obróbkowych. Na rys. 12 zaprezentowano narzędzie FreeTurn podczas toczenia w technologii HDT.

 

Rys. 12. Narzędzie FreeTurn podczas toczenia w technologii HDT

 

Nie tylko obróbką człowiek żyje

Wszystkie znane na świecie marki, obojętnie czy produkują ubrania, samochody, czy narzędzia do obróbki skrawaniem, inwestują w marketing i public relations, aby zwiększyć swoją popularność. CERATIZIT Group używa różnych narzędzi marketingowych, aby podnieść swoją rozpoznawalność. Jednym z nich jest sponsorowanie zespołu kolarskiego kobiet.

To nie przypadek – inwestowanie w kolarstwo kobiet przynosi szeroki wachlarz korzyści i możliwości w zakresie public relations. Żaden inny sport nie odzwierciedla wartości firmy lepiej niż jazda na rowerze. To właśnie w kolarstwie znajdują zastosowanie wysokiej jakości precyzyjne narzędzia do obróbki skrawaniem.

Ponadto, z uwagi na fakt, że sponsorowany zespół odnosi coraz większe sukcesy (jeżdżąca w zespole WNT Rotor Pro Cycling Kirsten Wild jest czterokrotną mistrzynią świata i sześciokrotną mistrzynią Europy), reputacja marki rośnie. Sportowcy działają również jako ambasadorzy i przekazują filozofię firmy szerszej publiczności. Największą zaletą jest to, że koncepcja firmy może być stosowana w każdym kraju, w którym CERATIZIT Group jest aktywny.

 

Dr inż. Norbert Kępczak
Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn
Wydział Mechaniczny Politechniki Łódzkiej, Łódź, Polska