„Waga lekka” w przemyśle motoryzacyjnym

Zgodnie z ustaleniami Międzynarodowej Rady na rzecz Czystego Transportu lżejsze pojazdy emitują mniej CO₂. Od producentów samochodów oczekuje się stosowania podzespołów o mniejszej masie, nadal jednak obok metali lekkich, takich jak aluminium, popularnością cieszą się materiały cięższe, np. żeliwo, stal nierdzewna i stal kuta. Konieczność podniesienia wydajności masowej produkcji tych cięższych części oznacza potrzebę obróbki bardziej skomplikowanych kształtów z węższymi zakresami tolerancji, co jednak wymaga sporej finezji. Sangram Dash, menedżer ds. zastosowania produktów z kategorii frezowanie na płytki wymienne w firmie Sandvik Coromant, wyjaśnia, dlaczego lżejsze i skrawające bliżej powierzchni przedmiotu narzędzia do frezowania CoroMill^® MF80 sprzyjają ekonomicznemu frezowaniu walcowo-czołowemu i frezowaniu czołowemu.

W raporcie „Fact Sheet: Europe” Międzynarodowej Rady na rzecz Czystego Transportu można przeczytać: „Wobec istnienia bezpośredniej zależności między ciężarem i masą, im cięższy pojazd, tym więcej zużywa paliwa i emituje CO₂. Co za tym idzie, zmniejszenie masy pojazdu to skuteczny sposób na obniżenie emisji, których źródłem jest pojazd”.

 

Rys. 1. Zmniejszenie masy pojazdu to skuteczny sposób na obniżenie emisji CO2

 

Można to osiągnąć, przechodząc do „wagi lekkiej”, co wiąże się z konstruowaniem samochodów osobowych i ciężarowych o mniejszej masie, aby uzyskać zmniejszenie zużycia paliwa i ułatwić obsługę pojazdu. W badaniu agencji McKinsey & Company, zatytułowanym „Lightweight, heavy impact”, obliczono, że „Wdrożenie lekkich rozwiązań może w pewnym stopniu zmniejszać emisje CO₂ (o ok. 0,08 g CO₂ na każdy zaoszczędzony kilogram). […] Zmniejszenie przez producenta masy pojazdu o 100 kg umożliwia redukcję emisji o około 8,5 g CO₂ na 100 km”.

Ten przykład pokazuje, jak zmniejszenie masy może korzystnie wpłynąć na osiągi pojazdu. Jednak o ile producenci OEM, dążąc do tego celu, chętnie sięgają po lżejsze materiały, np. aluminium, przejście do wagi lekkiej nie oznacza po prostu wyboru najlżejszego materiału. Nadal do produkcji części samochodów powszechnie używa się takich materiałów jak stale kute, stopy chromowo-kobaltowe, Inconel lub żeliwo szare i sferoidalne – mimo że są one cięższe niż aluminium i magnez.

Dlatego producenci muszą tworzyć takie projekty, by uczynić z ciężkich metali wydajną masowo i wytrzymałą alternatywę dla materiałów lżejszych. Wiąże się to z wytwarzaniem przedmiotów o ażurowej strukturze, na podstawie skomplikowanych projektów. Ponadto wiele z tych projektów wymaga niewielkich oporów skrawania podczas obróbki, aby ograniczać do minimum wpływ na obrabiarkę i uzyskać pożądany kształt podzespołu.

Wyzwanie dla producentów polega na tym, by wytwarzać bardziej złożone podzespoły najwyższej jakości w sposób bardzo produktywny. Jak jednak osiągnąć ten cel, przestrzegając przy tym ograniczeń emisji i utrzymując jednostkowy koszt przedmiotu na niskim poziomie? Odpowiedzią są bardziej niezawodne, precyzyjne i produktywne rozwiązania narzędziowe.

 

Pod odpowiednim kątem

Producenci z branży motoryzacyjnej konkurują ze sobą na polu obróbki bardziej złożonych przedmiotów o ażurowej strukturze, wykonanych z odpornych materiałów z grupy ISO P. Osiągnięcie tego celu zależy od wyboru narzędzia skrawającego. Na przykład narzędzia z kątem przystawienia wynoszącym 90° generują mniejsze promieniowe siły skrawania oraz – co istotne – ograniczają rozpraszanie się energii skrawania. Jest to doskonałe rozwiązanie zwłaszcza do obróbki przedmiotów cienkościennych lub o ażurowej konstrukcji.

W tym miejscu trzeba wspomnieć o frezowaniu walcowo-czołowym – podstawowej, a mimo to uniwersalnej technice frezarskiej, zalecanej wtedy, gdy zachodzi potrzeba wytwarzania różnorodnych przedmiotów oraz szybkiego usuwania znacznej ilości materiału z obrabianego przedmiotu. Podczas frezowania walcowo-czołowego narzędzie tworzy jednocześnie płaszczyznę i powierzchnię występu, dlatego preferowany kąt ustawienia względem obrabianego przedmiotu to 90°. W zależności od sytuacji można stosować inne kąty, ale ważne jest użycie kąta prostego w celu uniknięcia niepożądanych przesunięć między frezem i obrabianym przedmiotem.

Na rynku jest oferowanych wiele płytek przeznaczonych do frezowania walcowo-czołowego pod kątem przystawienia zbliżonym do 90°. Zasadniczo mają one osiem krawędzi – po cztery z przodu i z tyłu – by jednocześnie obrabiać występ i powierzchnię, lub w niektórych przypadkach sześć. Jednak specjaliści od projektowania narzędzi z firmy Sandvik Coromant uznali, że na rynku jest miejsce na nową koncepcję frezowania walcowo-czołowego, która przyniesie klientom firmy zalety w postaci trwałości i produktywności narzędzia, a także korzyści ekonomiczne.

W efekcie powstał frez CoroMill^® MF80 przeznaczony do obróbki frezarskiej materiałów z grup ISO K i ISO P dla branży samochodowej. Płytki mają osiem krawędzi skrawających, ochronę przed wiórami oraz zoptymalizowaną mikrogeometrię (które zapewniają wyższy poziom bezpieczeństwa i sprawniejsze odprowadzanie wiórów), a także ostrze wiper (które gwarantuje wyjątkową gładkość obrobionej powierzchni). Nachylenie krawędzi skrawającej zapewnia płynny przebieg i małe opory skrawania, co czyni z tego frezu idealne narzędzie do obróbki przedmiotów o cienkich ściankach oraz konfiguracji obrabiarki o małej stabilności. Nowa koncepcja frezarska, oparta na platformie technologicznej zbliżonej do frezu CoroMill^® 345, oferuje lżejszy o 40% korpus z ochroną w postaci płytki podporowej oraz dużą gęstość ostrzy, aby umożliwiać bezpieczną i stabilną obróbkę nawet w narażonych na drgania zastosowaniach na długich wysięgach.

 

Rys. 2. Frez CoroMill^® MF80 firmy Sandvik Coromant jest przeznaczony do frezowania materiałów z grup ISO K i ISO P dla branży samochodowej

 

Kąt przystawienia 89,5° umożliwia pracę frezu wieloostrzowego podczas obróbki blisko mocowania. Kąt zbliżony do 90° zmniejsza również osiowe siły skrawania, co usprawnia frezowanie słabo zamocowanych przedmiotów o cienkich ściankach, bez drgań i drgań samowzbudnych. Oznacza to nie tylko większą precyzję i większy stopień wykorzystania obrabiarki, lecz także wzrost trwałości narzędzia i spadek liczby złomowanych przedmiotów.

 

Testy wydajności

Wydajność frezu CoroMill^® MF80 została przetestowana w porównaniu z frezem z oferty konkurencji podczas obróbki materiałów z grup ISO K i ISO P. Najpierw warto się przyjrzeć wynikom testu obróbki materiałów z grupy ISO K. Narzędzie z oferty konkurencji i frez CoroMill^® MF80 zostały użyte do obróbki zgrubnej podczas produkcji nośników i wsporników z przygotówki w postaci odlewu z żeliwa sferoidalnego (SG) (GJS400/K3.1.C.UT).

Obydwa narzędzia pracowały z tymi samymi parametrami skrawania: prędkość wrzeciona (n) każdego z frezów wynosiła 1000 obr/min, prędkość skrawania (v_c) 250 m/min, a posuw (v_f) – 1200 mm/min. Frezy pracowały z promieniową głębokością skrawania (a_e) wynoszącą 20÷80 mm oraz osiową głębokością skrawania (a_p) wynoszącą 2÷3 mm. Niewielka różnica dotyczyła posuwu na ostrze (f_z): 0,24 mm w przypadku frezu konkurencyjnego oraz 0,3 mm w przypadku CoroMill^® MF80.

Ostatecznie frez z oferty konkurencji wytworzył 10 przedmiotów w ciągu 55 min zanim pojawiły się oznaki zużycia. Z kolei frez CoroMill^® MF80 pracował 82 min i wytworzył w tym czasie 15 przedmiotów. W efekcie, używając frezu Sandvik Coromant, klient uzyskał wzrost trwałości narzędzia o 54%.

W innym przypadku frez CoroMill^® MF80 rywalizował z frezem z oferty konkurencji w dziedzinie zgrubnego frezowania walcowo-czołowego w ramach produkcji podzespołów pomp i zaworów ze stali węglowej ISO P (DIN 1.0619). Obydwa frezy pracowały z identycznymi parametrami skrawania: n = 500 obr/min, v_c = 125 m/mm, a_e = 15÷50 mm oraz a_p = 5 mm i f_z = 0,15 mm. Jedyny wyjątek stanowił parametr v_f. Konkurencyjny frez pracował z prędkością posuwu 375 mm/min, a CoroMill^® MF80 – z prędkością posuwu 600 mm/min.

Podczas tego testu za pomocą konkurencyjnego frezu udało się wykonać 9 przedmiotów, a za pomocą CoroMill^® MF80 – 15, co oznaczało wzrost produktywności o 60%. Co do trwałości narzędzia: po upływie czasu obróbki wynoszącego 40 minut na frezie CoroMill^® MF80 widoczne były jedynie wykruszenia i wzrost trwałości wyniósł 67%. Kluczową zaletą z punktu widzenia klienta była zastosowana we frezie zabezpieczająca płytka podporowa i duża liczba ostrzy płytki skrawającej, co może zmniejszyć jednostkowy koszt przedmiotu w obróbce zgrubnej lub podczas frezowania walcowo-czołowego. Tego rodzaju procesy obróbkowe pomogą producentom w wytwarzaniu pojazdów, które sprostają surowym regulacjom dotyczącym emisji CO₂, utrzymując jednocześnie koszt jednostkowy przedmiotu na niskim poziomie.

 

Rys. 3. Frezowanie walcowo-czołowe to podstawowa, a mimo to uniwersalna technika frezarska, zalecana jako sposób wytwarzania różnorodnych przedmiotów

 

Źródło: Sandvik Coromant