Zalety precyzyjnego podawania chłodziwa dla obróbki materiałów lotniczych

Rola chłodziw w obróbce przedmiotów lotniczych przeszła swego rodzaju ewolucję. Zakłady obróbkowe od wielu lat korzystają z chłodziwa, doprowadzanego do strefy obróbki przez specjalne rurki, zwłaszcza w przypadku niektórych grup materiałów. System precyzyjnego kierowania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem w aktualnie obrabiane miejsce stwarza nowe możliwości. Coraz większy przepływ chłodziwa w obrabiarkach CNC oraz nowe rozwiązania narzędziowe sprawiają, że dostępność tej technologii wzrosła.

Istotna zmiana

Aby skutecznie stosować chłodziwo i dokonać istotnej zmiany, konieczne jest wprowadzenie dysz do precyzyjnego podawania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem, w odpowiedniej ilości i kierunku. Obecnie nie wystarczy doprowadzić strumień chłodziwa do miejsca obróbki, czy nawet zalać nim strefę obróbki. Z drugiej strony, właściwe zastosowanie precyzyjnego podawania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem może istotnie wpłynąć na następujące parametry:

• formowanie wiórów,
• rozkład temperatury,
• zacieranie materiału obrabianego na krawędzi skrawającej,
• stan warstwy wierzchniej,
• zużycie narzędzia.

Z kolei poniższe czynniki mają wpływ na produkcję jako obszary możliwej poprawy w celu osiągnięcia większej konkurencyjności:

• produktywność,
• trwałość narzędzia,
• kontrola i odprowadzanie wiórów,
• przedmioty obrabiane.

Przy prawidłowym zastosowaniu, precyzyjnie podawane chłodziwo umożliwia osiągnięcie maksymalnej wydajności, zwiększa niezawodność obróbki i poprawia efektywność pracy narzędzia oraz jakość wykonania przedmiotu. Korzystne efekty zastosowania systemu dysz można zauważyć już przy niskim ciśnieniu chłodziwa. Im wyższe ciśnienie, tym większe możliwości udanej obróbki materiałów źle skrawalnych.

Zastosowanie precyzyjnego podawania chłodziwa może zasadniczo zmienić obraz obróbki, zwłaszcza stali nierdzewnej i niskowęglowej. Jednak to podczas obróbki bardziej wymagających materiałów, takich jak superstopy żaroodporne i stopy tytanu, praktyka ta robi ogromną różnicę. Warto zwrócić uwagę na kilka nowych rozwiązań, zwiększających atrakcyjność i poprawiających dostępność technologii podawania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem.

Pionierskie czasy: system Jetbreak

W latach 80. i 90. XX wieku, firma Sandvik Coromant stworzyła Jetbreak, pionierski system podawania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem. Opracowane na podstawie testów laboratoryjnych, precyzyjne dysze podające chłodziwo z bardzo wysokim ciśnieniem (100-1000 bar) zostały zastosowane w narzędziach do skrawania materiałów o złej skrawalności, gdzie pojawia się problem z kontrolą spływu wiórów. Dysze tworzyły klin między wiórem a krawędzią skrawającą płytki. Zmniejszeniu uległ odcinek krawędzi stykający się z materiałem, a temperatura w strefie skrawania zmalała. Co ciekawe, udało się również zlikwidować zwijające się wióry przez poprawę kontroli ich spływu, a w niektórych przypadkach również łamania.
System Jetbreak znalazł zastosowanie w obróbce z użyciem narzędzi specjalnych materiałów trudno skrawalnych i/lub generujących wióry o niekorzystnym kształcie. Konstruktorzy zyskali wiedzę w zakresie rozkładu ciśnienia chłodziwa i wielkości dysz chłodziwa. Zmiana parametrów wtrysku chłodziwa powodowała zmianę kształtu wiórów; możliwe stało się odprowadzanie wiórów o kształcie sprężyn w odpowiednim kierunku, a nawet ich skrócenie. Systemy podawania chłodziwa instalowano niemal wyłącznie dla rozwiązania konkretnych problemów obróbkowych, głównie w zakładach z branży paliwowej, lotniczej i produkcji łożysk. System Jetbreak potrzebował z kolei specjalnej instalacji i oprawek, dlatego był stosowany głównie w tokarkach pionowych.

Precyzyjne podawanie chłodziwa jako standard

Wiele nowoczesnych obrabiarek CNC jest standardowo lub opcjonalnie wyposażonych w systemy podawania chłodziwa pod ciśnieniem 70-100 bar, korzystające z odpowiednich zbiorników i pomp. To wystarcza, by wykorzystać zalety systemu precyzyjnego podawania chłodziwa do poprawy wydajności i wyników obróbki w najpopularniejszych centrach obróbkowych i tokarskich, tokarkach pionowych i obrabiarkach wielozadaniowych. Nawet wyposażenie standardowe pozwala łatwo doprowadzić chłodziwo do dyszy.
Istotną podstawą obróbki z wykorzystaniem precyzyjnego podawania chłodziwa są narzędzia modułowe, ze względu na szybką wymianę narzędzia i skrócenie przestojów obrabiarki, a także łatwość zabezpieczenia złączy i kanałów w całym torze podawania chłodziwa. Modułowy szybkowymienny system narzędziowy Coromant Capto® był platformą, na której powstał system Jetbreak, a dzisiaj jest podstawą nowego standardu narzędzi, do których doprowadza się precyzyjnie chłodziwo. System sprawdza się idealnie jako platforma modułowa, przystosowana do wewnętrznego podawania chłodziwa, jak również nadaje się do precyzyjnego podawania chłodziwa. Jest to ustalona norma ISO oraz opcja dostępna w wielu obrabiarkach CNC z narzędziami stacjonarnymi i obrotowymi.

Precyzyjne podawanie na powierzchnię natarcia (od góry) chłodziwa kierowanego dokładnie na strefę skrawania poprawia kontrolę spływu wiórów i zwiększa niezawodność procesu. Chłodziwo podawane na powierzchnię przyłożenia (od dołu) zapewnia wyższą trwałość i produktywność, szczególnie w zastosowaniach generujących duże ilości ciepła na płytce.

Frez z funkcją precyzyjnego doprowadzania chłodziwa posiada funkcję podawania chłodziwa przez narzędzie i jest wyposażony w dysze, rozmieszczone i skierowane w zależności od typu narzędzia i planowanego zastosowania. Kanały są połączone z obrabiarką lub dodatkową pompą, doprowadzającą chłodziwo pod ciśnieniem około 70 bar. Ten sposób zasilania jest obecnie powszechnie dostępny i choć stosowane ciśnienie nie jest bardzo wysokie, jego zakres z pewnością wystarczy do osiągnięcia znaczącej poprawy wydajności i wyników. Koncepcja ta wiąże się z dobrym wykorzystaniem zasobu, którym wiele zakładów obróbki skrawaniem już dysponuje lub planuje w nie zainwestować w przyszłości.

Precyzyjne podawanie chłodziwa do toczenia

Narzędzia tokarskie z funkcją precyzyjnego podawania chłodziwa wyposażone są w precyzyjne dysze zapewniające laminarny przepływ równoległy. Dzięki dyszom, między płytką a wiórem tworzy się klin hydrauliczny, regulujący sposób formowania i odprowadzanie wiórów oraz temperaturę w strefie skrawania. Dysze zamontowane blisko krawędzi skrawającej precyzyjnie kierują w żądanym kierunku strumień chłodziwa zmywający wióry z czoła płytki, schładzając je i łamiąc na drobniejsze części, co ułatwia ich odprowadzanie.
Korzyści z zastosowania chłodziwa w obróbce wykończeniowej materiałów takich, jak stal, stal nierdzewna, aluminium, tytan i superstopy żaroodporne, są zauważalne nawet przy niskim ciśnieniu chłodziwa (do 10 bar). Oprócz większego bezpieczeństwa obróbki związanego z lepszą kontrolą wiórów, precyzyjne podawanie chłodziwa może znacznie poprawić trwałość narzędzia oraz zwiększyć potencjał wzrostu prędkości skrawania. Stosując precyzyjne podawanie chłodziwa, można często zwiększyć trwałość narzędzia o 50%.
Prędkość skrawania wpływa na temperaturę i tym samym zużycie narzędzia bardziej niż jakikolwiek inny parametr obróbki. Zwiększenie prędkości skrawania tytanu powyżej wąskiego zakresu obrabialności powoduje drastyczny spadek trwałości narzędzia. Przy zwiększaniu posuwu w podobny sposób, trwałość narzędzia obniża się w znacznie mniejszym stopniu, dlatego często tą właśnie metodą próbuje się poprawić wydajność skrawania. Jednak zwiększenie posuwu nie zawsze jest dobrym rozwiązaniem ze względu na wzrost sił skrawania i wpływ na kontrolę wiórów.

Toczenie tarczy turbiny wykonanej z superstopu. Precyzyjne podawanie chłodziwa może odegrać ważną rolę w obróbce materiałów z grupy ISO S.

Przy zaimplementowaniu precyzyjnego podawania chłodziwa w takich systemach, możliwa jest poprawa wydajności przez zwiększenie prędkości skrawania, bez wzrostu temperatury i spadku trwałości narzędzia. Precyzyjne podawanie chłodziwa zapewnia chłodzenie przy wyższych posuwach, bez zwiększenia sił skrawania. Przy obróbce materiałów z grupy ISO S uzyskujemy 20% wzrost prędkości skrawania bez zmiany długości przejścia.
Toczenie wewnętrzne to kolejny obszar, w którym precyzyjne podawanie chłodziwa może przyczynić się do poprawy formowania wiórów i uzyskania lepszych rezultatów obróbki materiałów trudnych, na przykład tytanu. Rozwiązanie to sprzyja zwiększeniu bezpieczeństwa i trwałości narzędzi w operacjach wytaczania. Przy obróbce wytaczarskiej długich, głębokich otworów, występujących np. w podwoziach samolotowych, korzystne może być użycie rozwiązania modułowego. Możliwość szybkiej, łatwej i precyzyjnej wymiany małej głowicy skrawającej bez wyjmowania wytaczaka z uchwytu sprzyja przeprowadzaniu różnych rodzajów obróbki bez zmiany konfiguracji. Rodzina wytaczaków CoroTurn SL, z tłumieniem drgań i złączem SL, do otworów o głębokości równej 10-krotności średnicy wytaczaka, jest przystosowana do podawania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem.
Na zmienną jednolitość powierzchni podzespołu wpływ mają temperatura oraz siły powstające podczas obróbki. Chłodziwo z pewnością odgrywa pewną rolę w kontrolowaniu temperatury, i co za tym idzie, precyzyjnie podawane chłodziwo okazuje się sprzyjać niezawodnym rezultatom obróbki powierzchni. Dysze narzędzia są skierowane bezpośrednio na tę część płytki, która styka się z obrabianą powierzchnią. Brak możliwości regulacji dyszy eliminuje dużo zmiennych, co skutkuje bezpieczniejszym i bardziej powtarzalnym przebiegiem obróbki.

Optymalizacja prawidłowo ustalonych czynności

Dzięki możliwości tworzenia klina hydraulicznego w strefie obróbki, zwłaszcza podczas czynności klasyfikowanych jako toczenie średnie lub wykończeniowe, łatwiej jest kontrolować grubość wiórów i łatwiej zastosować klin w obróbce zgrubnej.
Obróbka z użyciem precyzyjnie podawanego chłodziwa to nie tylko sposób na zrekompensowanie niekorzystnych właściwości systemu, takich jak niewłaściwa płytka, niestabilność, nieprawidłowe parametry skrawania itd. Precyzyjne podawanie chłodziwa to czynnik służący do optymalizacji prawidłowo ustalonych czynności. Rozwiązanie to sprzyja skróceniu czasu jednostkowego, trwałej poprawie jakości przedmiotu i zapewnieniu bezpieczeństwa obróbki tokarskiej i frezarskiej.

Toczenie gwintów z precyzyjnym podawaniem chłodziwa.

Potrzeba optymalizacji przebiegu obróbki, zwłaszcza w sytuacjach, w których duże znaczenie ma formowanie wiórów oraz skutki obróbki wymagających materiałów, czyni z precyzyjnego podawania chłodziwa atrakcyjną alternatywę. Wobec rosnącej popularności obrabiarek wielozadaniowych oraz pojawienia się nowej generacji tokarek pionowych, zalety systemów precyzyjnego podawania chłodziwa jawią się w całej pełni, szczególnie w zakresie kontroli wiórów. Niedopuszczalne jest, by w trakcie obróbki na maszynach tego typu występowały zakłócenia spowodowane gromadzeniem się wiórów, zwłaszcza przy obróbce podzespołów dla lotnictwa z materiałów trudnych.