Frezowanie lub wiercenie w materiałach do wysokowydajnej obróbki, jak np. powłoki tytanowe, wymaga z reguły zastosowania narzędzi z węglików spiekanych. Jednak i one mimo wysokiej twardości i żywotności mogą w krótkim czasie ulec zużyciu. W zależności od geometrii danego narzędzia jego powierzchnie funkcyjne można kilkakrotnie poddać ostrzeniu, ale ze względu na stopniową utratę pierwotnego kształtu proces ten nie może być powtarzany bez końca. W którymś momencie narzędzie ostatecznie traci na użyteczności i musi zostać wymienione na nowe. Dotychczasowe próby odzyskania takiego zużytego surowca nie przynosiły zadowalających rezultatów ze względu na wysokie koszty procesowe i duże zużycie energii: złom był najpierw rozdrabniany i mieszany, a następnie – jeszcze przed szlifowaniem – poddawany ponownie procesowi spiekania. Ze względu na rosnące ceny materiałów ich ponowne wykorzystanie stanowi jednak obiecującą alternatywę dla zakupu nowych narzędzi z węglików spiekanych.

Nowy, skrócony obieg narzędzi

W przypadku producentów narzędzi skrócenie ich obiegu (rys. 2) znacznie zwiększa elastyczność planowania produkcji, a jednocześnie ogranicza koszty złomowania i zakupu nowych materiałów. W procesach odzysku surowca prowadzi zaś do istotnego zmniejszenia zużycia energii wydatkowanej na rozdrobnienie i ponowne spiekanie węglika.

Rys. 2. Nowy obieg narzędzi z węglików spiekanych

Aby jednak technologia recyklingu znalazła szerokie zastosowanie rynkowe, konieczne jest opracowanie szybkiej i taniej metody analizy stopnia zużycia i uszkodzenia poszczególnych narzędzi. Jej kluczowym elementem jest system do pomiaru, klasyfikacji i analizy narzędzi obróbczych. Ze względu na specyficzny kształt półfabrykatów i związane z tym szczególne wymagania technologiczne niezbędne jest również zbadanie i opracowanie nowych metod realizacji procesów wytwórczych.

Podstawową kwestią jest w tym przypadku modyfikacja stosowanych dotąd metod kształtowania i optymalizacji ścieżek narzędzi szlifierskich, a także ich praktyczna implementacja do systemu CAM. Modyfikacja ta powinna przy tym umożliwić wytwarzanie złożonych kształtów ze złomu o różnorodnym składzie materiałowym. Takie możliwości, także w zakresie automatyzacji i walidacji procesów, oferują przedstawione niżej metody optymalizacji obróbki szlifowaniem.

Struktura informacyjna

Nowa metoda recyklingu węglików spiekanych powinna umożliwiać odzysk zużytych narzędzi nie tylko przez producentów, ale także poszczególne przedsiębiorstwa produkcyjne oraz firmy świadczące usługi recyklingowe w regionie. Dzięki temu wdrożenie tej metody przyczyniłoby się również do ograniczenia nakładów logistycznych i administracyjnych powstających w przypadku konwencjonalnego obiegu narzędzi.

W rozwiązaniu opracowanym przez Instytut Technik Produkcyjnych i Obrabiarek (IFW) na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze dane dotyczące kształtu i charakterystyk uszkodzenia narzędzi są zbierane, klasyfikowane i analizowane przez zaawansowany system pomiarowy 3D. W zależności od wybranego scenariusza wykorzystania zużytych narzędzi informacje te są zapisywane w bazie danych półfabrykatów lub przekazywane bezpośrednio do systemu analizy. Dzięki połączeniu bazy danych z systemem CAD/CAM w przypadku regeneracji narzędzia system – przy wykorzystaniu algorytmu wyszukiwania – przeszukuje bazę produktów w celu znalezienia wyrobu o jak najbardziej zbliżonej geometrii i wymiarach. Z kolei przy produkcji narzędzia na wymiar jego rolę przejmuje system analizy, który wertuje bazę półfabrykatów w poszukiwaniu najbardziej optymalnego surowca do jego produkcji.

Rys. 3. Porównanie stanu faktycznego i zadanego na podstawie skanowania narzędzia uszkodzonego/zużytego oraz danych CAD narzędzia referencyjnego; paleta kolorów z odchyłkami na poziomie +/- 0,7 mm

Na podstawie zadanego kształtu nowego narzędzia oraz informacji o wykorzystywanym w procesie obrób czym wyposażeniu (typ obrabiarki, uchwyt mocujący, ściernica) program CAD/CAM automatycznie generuje program obróbczy wykonujący szlifowanie półfabrykatu. Dane półfabrykatu i nowego narzędzia oraz program CNC wygenerowany przez system CAD/CAM przesyłane są następnie do stworzonego przez IFW oprogramowania symulacyjnego CutS, które ma za zadanie dokładnie rozplanować i wykonać symulację procesu obróbczego.

W pierwszym kroku program określa optymalną pozycję półfabrykatu za pomocą metody dopasowania. Na tej podstawie optymalizuje proces szlifowania, tak by uzyskać jak najmniejszy ubytek materiału. Przeprowadza także symulację całego procesu, aby wykluczyć możliwość kolizji, określić poszczególne parametry procesowe oraz dopasować optymalną prędkość posuwu. W końcowej fazie CutS przesyła gotowy program obróbczy do frezarki CNC, która rozpoczyna jego realizację.

Pomiar i analiza 3D

Na rys. 1 przedstawiono lokalizację poszczególnych czujników, mocowania oraz systemu pozycjonowania w trzech osiach. Przy takim rozmieszczeniu pole pracy skanera 3D wynosi ok. 110 × 150 mm przy rozdzielczości przestrzennej ok. 0,2–0,3 mm. Zgodnie z koncepcją pomiarową zadaniem systemu jest akwizycja danych narzędzi referencyjnych w zakresie 360 stopni. Uzyskana dokładność i rozdzielczość pomiaru są wystarczające do określenia parametrów narzędzia (w celu jego kategoryzacji i identyfikacji typu), a także wykrycia i lokalizacji wszystkich typowych uszkodzeń. W efekcie system pozwala na tworzenie pełnych zbiorów danych (chmur punktów) dla danego narzędzia, które na kolejnych etapach mogą zostać wykorzystane do wykrywania i analizy defektów.

Rys. 4. Narzędzie referencyjne (złom)

Drugim komponentem realizującym funkcje pomiarowe jest mikroskaner optyczny 3D (światło białe) o maksymalnym polu pracy 7 × 5 mm, przeznaczony do wykonywania pomiarów w skali mikro. Skaner osiąga rozdzielczość przestrzenną rzędu 4,5 μm, co pozwala na wykrywanie typowych uszkodzeń i odprysków na narzędziach obróbczych. Uzyskane w ten sposób dane mogą posłużyć do szczegółowego badania i wymiarowania tego typu defektów.

Na podstawie analizy rozbieżności (rys. 3) naukowcy z IFW zaprojektowali proces mający na celu identyfikację i wybór produktu (narzędzia) o najbardziej zbliżonej geometrii, a następnie zaimplementowali go do oprogramowania „Final Surface” opracowanego przez berlińskie Stowarzyszenie Promocji Informatyki Stosowanej. Program ten umożliwia szybką, matematyczną identyfikację i wizualizację odchyłek między stanem zadanym a obecnym na całej powierzchni narzędzia. Samo poszukiwanie odpowiedniej kombinacji między kształtem zadanym a parametrami posiadanych półfabrykatów bazuje na kryteriach podobieństwa geometrycznego i jak najmniejszego ubytku materiału.

Na rys. 4 pokazano przykładowy zużyty frez o średnicy 25 mm i kącie pochylenia linii śrubowej rowka 40 stopni. Na powierzchni przyłożenia widoczne są liczne odpryski, które uniemożliwiają zastosowanie zwykłego ostrzenia. Z pomocą przychodzi tu nowa metoda regeneracji, która polega na oszlifowaniu owej powierzchni za pomocą frezu czteropiórowego z kątem pochylenia linii śrubowej 35 stopni.

Symulacja CNC procesu szlifowania przeprowadzana jest w programie CutS. Jako maszynę obróbczą zastosowano obrabiarkę Walter Helitronic Power, a przebieg ścieżki narzędzia ustalono na podstawie symulacji procesu wytwarzania nowego narzędzia z cylindrycznego półfabrykatu. Sam proces szlifowania krawędzi tnącej zdefiniowano zaś na podstawie analizy strefy kontaktu (rys. 5).

Rys. 5. Analiza strefy kontaktu w programie CutS

Planowanie i symulacja procesów

Analiza strefy kontaktu umożliwia ocenę warunków panujących na styku narzędzia i materiału obrabianego w ujęciu przestrzennym i czasowym, a także obliczenie ilości wiórów w jednostce czasu (Q’w). Wielkość ta stanowi punkt wyjścia do określenia maksymalnego lokalnego obciążenia ściernicy.

Rys. 6 przedstawia graficzny przebieg tego procesu przy szlifowaniu rowka wiórowego za pomocą narzędzia referencyjnego z cylindrycznego półfabrykatu.

Zmienna „b” określa pozycje poszczególnych pierścieni ściernicy. Ilość wiórów w jednostce czasu waha się lokalnie w zależności od głębokości skrawania ściernicą: najwięcej powstaje ich w strefie kontaktowej na krawędzi ściernicy w momencie szlifowania ostrzy zużytego narzędzia. Duże zróżnicowanie obciążenia ściernicy prowadzi do jej szybkiego i nierównego zużycia. Aby rozwiązać ten problem, opracowano strategię obróbki, w której najpierw likwidowana jest szyjka między częścią roboczą a chwytem narzędzia, a następnie usuwane są jego ostrza – w procesie szlifowania poprzecznego obwodowego (rys. 7).

Rys. 6. Ilość wiórów w czasie przy szlifowaniu rowka wiórowego za pomocą narzędzia referencyjnego z półfabrykatu

Dopiero w kolejnym kroku wprowadza się konwencjonalne szlifowanie mające na celu wytworzenie ostrzy nowego narzędzia. W procesie tym istotną rolę odgrywa wstępna optymalizacja prędkości posuwu przy szlifowaniu rowka wiórowego, przeprowadzana na podstawie symulacji lokalnych obciążeń ściernicy z uwzględnieniem ilości generowanych wiórów w jednostce czasu (Q’w) jako wartości granicznej. Aby uzyskać jak najbardziej równomierny ubytek materiału podczas szlifowania rowka, wykorzystano analizę porównawczą wyjściowego i docelowego kształtu szlifowanego narzędzia, która zapewniła odpowiednie pozycjonowanie półfabrykatu z minimalnym Q’w, maks., a tym samym redukcję lokalnego obciążenia ściernicy.

Gotowy proces szlifowania przetestowano na przykładzie regeneracji frezu o średnicy 25 mm. Przy wykorzystaniu systemu analizy przeprowadzono badanie zużytego narzędzia, aby na tej podstawie zidentyfikować najbardziej dopasowany produkt. Okazał się nim frez o średnicy 20 mm i kącie pochylenia linii śrubowej rowka 35 stopni. Kolejnym krokiem było wyszukanie w bazie danych pliku CAD zużytego narzędzia i określenie parametrów nowego frezu. Na ich podstawie znaleziono w bazie Walter Tool Studio odpowiednie narzędzie, a następnie zaimportowano jego plik CAD i program obróbczy CNC do oprogramowania CutS. Posłużyły one do zaplanowania i symulacji procesu regeneracji. Zoptymalizowany w CutS program CNC został zaimportowany ponownie do systemu sterowania obrabiarki i sprawdzony na maszynie. W porównaniu z procesem produkcji narzędzia z cylindrycznego półfabrykatu nowa metoda pozwoliła na blisko 50-procentową oszczędność materiału.

Rys. 7. Nowa metoda projektowania procesu szlifowania

Podsumowanie i perspektywy

Dzięki nowej metodzie regeneracji zużytych narzędzi z węglika spiekanego można je wykorzystać do produkcji nowych narzędzi obróbczych. Pomiar parametrów poszczególnych złomowanych narzędzi realizowany jest przez zaawansowany system pomiarowy 3D. Uzyskane dane pomiarowe stanowią podstawę do identyfikacji najbardziej zbliżonej geometrycznie i wymiarowo pary półfabrykat–nowe narzędzie. Sam proces regeneracji jest realizowany w konwencjonalnym systemie CAD/CAM przy wykorzystaniu programu symulacyjnego CutS. Na potrzeby badań rozszerzono go o etap usunięcia szyjki narzędzia i stępionych ostrzy, a także uzupełniono o fazę optymalizacji prędkości posuwu. Porównanie uzyskanych wyników z typowymi kosztami wytworzenia narzędzi za pomocą konwencjonalnych metod wykazało, że dzięki wdrożeniu nowej techniki regeneracji można obniżyć koszty produkcji o blisko 50%.

Dalsze badania nad tą aplikacją będą koncentrowały się na analizie zachowań regenerowanych narzędzi w procesach obróbczych, aby na tej podstawie ocenić ich jakość i zoptymalizować planowanie procesu. Kolejnym krokiem będzie zaś rozszerzenie bazy testowanych narzędzi.