Przemysłowa hybryda – obróbki i obrabiarki hybrydowe

© DMG Mori

Udostępnij:

 

Według Słownika wyrazów obcych hybryda to skrzyżowanie dwóch różnych, choć posiadających wspólne cechy elementów. Słowo to wywodzi się z nauk biologicznych, ale w pokrewnym znaczeniu stosowane jest również w technice, w tym w stosunku do metod wytwarzania oraz maszyn.

Za obróbki tradycyjne uznaje się przede wszystkim techniki ubytkowe, w których z zasady twardość materiału narzędziowego jest istotnie większa niż materiału przedmiotu obrabianego. Z kolei obróbki niekonwencjonalne można podzielić na trzy główne grupy: mechaniczne (np. cięcie wodą, obróbka ultradźwiękowa), termiczne (np. obróbka elektroerozyjna, cięcie wiązką lasera lub elektronów, teksturowanie laserowe) oraz chemiczne i elektrochemiczne (np. trawienie fotochemiczne, obróbka elektrochemiczna). Obróbki hybrydowe stanowią zaś kombinację lub zespolenie dwóch lub więcej technik wytwarzania reprezentujących obie wymienione wyżej grupy i jako takie zaliczane są do zaawansowanych technologii kształtowania materiału.



Kompilacja zalet
Przez połączenie różnych technik wytwarzania uzyskuje się dwa efekty. Pierwszy to udział obu z nich w usuwaniu materiału, drugi polega na wykorzystaniu właściwości jednej techniki w procesie obróbki inną. Tak szeroka definicja powoduje, że pojęcie obróbki hybrydowej jest obszerne i arbitralne.

Obróbki hybrydowe opracowuje się dla realizacji różnych celów: podwyższenia wydajności, obróbki powierzchni trudnej do ukształtowania przy zastosowaniu konwencjonalnych technik, zapewnienia powtarzalności procesu (np. teksturowanie laserowe), a także istotnego podwyższenia parametrów jakościowych m.in. w zakresie dokładności geometrycznej i chropowatości powierzchni. W praktyce techniki te są przeważnie stosowane do kształtowania skomplikowanych powierzchni, obróbki trudno dostępnych płaszczyzn i krawędzi, a także wytwarzania przedmiotów o skomplikowanych kształtach (techniki przyrostowe).



Różne warianty obróbki ściernej
Przykładem obróbki hybrydowej jest obróbka przetłoczno-ścierna w połączeniu z obróbką elektrochemiczną – tzw. ECAFM (ang. Electrochemical Abrasive Flow Machining). W procesie tym przedmiot obrabiany ustalony i zamocowany w uchwycie stanowi biegun dodatni w obwodzie prądu stałego, uchwyt obróbkowy jest podłączony pod biegun ujemny, zaś ziarna ścierniwa stanowią składnik masy o właściwościach płynnego elektrolitu. Proces obróbki polega na cyklicznym, względnym ruchu masy roboczej względem przedmiotu obrabianego. Kluczowe znaczenie dla uzyskania pozytywnych rezultatów ma wykorzystywana pasta (lepkosprężysty polimer o konsystencji półstałej) łącząca w sobie właściwości masy stosowanej w obróbce przetłoczno-ściernej z możliwością roztwarzania elektrochemicznego. Obróbka ECAFM stosowana jest w celu wygładzania powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych, usuwania zadziorów oraz zaoblania krawędzi metalowych przedmiotów. Jest znacznie bardziej wydajna niż sama obróbka przetłoczno-ścierna (AFM).

Innym przykładem techniki hybrydowej z wykorzystaniem ścierniwa jest obróbka magnetościerna MAF (ang. Magnetic Abrasive Finishing) bazująca na paście o właściwościach magnetycznych – w stałym bądź wirującym polu magnetycznym. W pierwszej z nich (w stałym polu magnetycznym) przedmiot obrabiany może wykonywać ruchy obrotowe lub posuwisto-zwrotne albo oba rodzaje ruchów jednocześnie. W drugim typie obróbki przedmiot jest nieruchomy, a ruch roboczy w wyniku oddziaływania wirującego pola magnetycznego wykonuje ścierniwo. W metodzie tej – ze względu na małe siły skrawania – uzyskuje się niewielkie wielkości usuwanego materiału (maks. do kilkunastu μm).

Obróbka ścierna stanowi również istotny element innej obróbki udarowo-ściernej – USM-EDM (ang. Ultra Sonic Machining – Electro Discharge Machining), w której ruch roboczy luźnego ścierniwa jest realizowany przez narzędzie o kształcie odwzorowującym zarys wybrania, jakie należy zrealizować w przedmiocie obrabianym. W przypadku USM-EDM ścierniwo musi umożliwiać dodatkowo realizację obróbki elektroerozyjnej.

Hybrydowe techniki przyrostowe
W przeciwieństwie do obróbek ubytkowych napawanie laserowe stanowi przykład hybrydowej techniki przyrostowej. Proces ten polega na nanoszeniu na powierzchnię metalu kolejnych warstw materiału powstałego po stopieniu spoiwa w procesie spawalniczym. Przetopieniu ulega w nim zarówno samo stopiwo, jak i cienka warstwa materiału podłoża. Grubość nanoszonych warstw wynosi od 0,1 do 1,5 mm. Zaletą tej metody jest wysoka jakość zespolenia napawanego materiału z podłożem. Możliwe jest przy tym otrzymanie warstwy o właściwościach zbliżonych do materiału podłoża, co ma istotne znaczenie w procesach naprawy lub regeneracji zużytych komponentów, bądź warstwy o właściwościach istotnie różnych, której zadaniem jest podwyższenie trwałości eksploatacyjnej detalu.

Napawanie laserowe wywodzi się z technik spawalniczych, w których źródłem energii potrzebnej do stopienia spoiwa jest laser. Jego opracowanie i wdrożenie było możliwe dzięki wykorzystaniu zaawansowanych funkcji centrum frezarskiego CNC do precyzyjnego prowadzenia i kontroli wiązki laserowej. Ograniczeniem tej metody jest jednak wysoki koszt, który powoduje, że jej stosowanie jest ekonomicznie zasadne jedynie w przypadku wytwarzania lub naprawy przedmiotów o skomplikowanych kształtach. Beneficjentem jest przede wszystkim przemysł lotniczy, w którym optymalizowanie konstrukcji polega na zachowaniu właściwości użytkowych przy jednoczesnym obniżeniu masy komponentu.

W obszarze technologicznym problematyczne okazuje się uzyskanie pożądanych właściwości użytkowych materiałów po przetopieniu, a także występujące skurcze oraz naprężenia termiczne. Właściwości otrzymanych warstw są bowiem jedynie zbliżone do właściwości materiału części regenerowanej, co wynika z przebiegu procesu napawania (topienia spoiwa). Dodatkowo liczba nanoszonych warstw wpływa na strukturę powierzchni (podwyższa chropowatość).

Obrabiarki hybrydowe
Innym aspektem zagadnienia hybrydowości są tzw. obrabiarki hybrydowe, w tym hybrydowe prasy krawędziowe do gięcia blach, a także rozwiązania łączące możliwości kinematycznych ruchów roboczych 3-i 5-osiowych centrów frezarskich oraz robotów przemysłowych. Jednym z przykładów może być implementacja techniki przyrostowej napawania laserowego w pionowym centrum frezarskim z serii LASERTEC (w tym LASERTEC 65 3D) firmy DMG MORI. W tego typu obrabiarkach przedmiot powstaje przez laserowe napawanie kolejnych warstw z proszków metali (m.in. stali stopowych i narzędziowych, węglików wolframu oraz stopów aluminium, kobaltu, niklu, brązu i metali szlachetnych). Po ukończeniu tego procesu realizowana jest obróbka frezowaniem. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego nie ulega zmianie, co ma istotne znaczenie w przypadku realizowania pomiarów na obrabiarce. Tego typu technika hybrydowa wykorzystywana jest z reguły do syntezy nowych przedmiotów (np. wytwarzania prototypów), naprawy części przez uzupełnianie brakujących objętości materiału, a także obróbki powierzchniowej służącej poprawie zabezpieczenia antykorozyjnego i zwiększeniu trwałości eksploatacyjnej detalu.

Istotą hybrydowości w przypadku pras krawędziowych jest z kolei odejście od konwencjonalnych rozwiązań bazujących na rozbudowanym układzie hydraulicznym wymagającym użytkowania zbiorników o dużej pojemności. Ich miejsce zajęły zespolone z pompami serwonapędy, kontrolowane odpowiednim układem sterowania. Takie rozwiązanie pozwala z jednej strony na zmniejszenie gabarytów maszyny – o 31% w przypadku prezentowanej prasy firmy ADIRA, a z drugiej na obniżenie zużycia energii elektrycznej i oleju – odpowiednio o 65% i 60% w stosunku do konwencjonalnych napędów hydraulicznych.

Udostępnij:

Drukuj



Radosław Morek




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również