Nástroje a parametry mají v úspěšném obrábění stále klíčovou úlohu
Přes velmi odlišné výrobní postupy a výsledné produkty mají výrobci společný cíl, kterým je výroba určitého množství obrobků v požadované kvalitě, za určitý čas a za přiměřenou cenu.Úvod
Přes velmi odlišné výrobní postupy a výsledné produkty mají výrobci společný cíl, kterým je výroba určitého množství obrobků v požadované kvalitě, za určitý čas a za přiměřenou cenu.
Mnoho výrobců dosahuje tohoto cíle prostřednictvím modelu zacíleného čistě na problematiku obrábění, počínaje výběrem nástroje a obráběcí techniky a následnými úpravami procesu v reakci na problémy vznikající během samotné výroby konče. Pokud se však k této problematice začne přistupovat z druhé strany, lze dosáhnout významného snížení nákladů a zvýšení efektivity. Namísto čekání na případné problémy a následné provádění úprav jednotlivých obráběcích operací by se výrobci měli nejdříve soustředit na proaktivní předběžné plánování zaměřené na eliminaci nekvalitně vyrobených dílů a neplánovaných prostojů. Po zavedení stabilního a spolehlivého procesu může využívání konceptů ekonomické produkce výrobcům pomoci v nalezení rovnováhy mezi rychlostí výroby a výrobními náklady. Poté již je možno prostřednictvím pečlivého výběru obráběcích nástrojů a řezných parametrů plně optimalizovat provozní operace a plnit vytčené výrobní cíle.
Výběr nástrojů a řezných podmínek
Výběr obráběcího nástroje je obvykle zaměřen na danou operaci: dílna hledá nástroj pro zpracování určitého materiálu polotovaru, například oceli či hliníku, nebo k provádění konkrétní operace, například hrubování nebo dokončování. Výhodnější přístup k výběru nástroje však začíná zvážením celého výrobního procesu a toho, jak do něj konkrétní obráběcí operace zapadá.
Hlavní prioritou takového přístupu je zajištění spolehlivosti procesu a eliminace výskytu vadných dílů a neplánovaných prostojů. Spolehlivost je obecně záležitostí respektování pravidel. Pokud výroba nezná a nerespektuje vlivy mechanických, tepelných a chemických procesů namáhajících nástroj v průběhu obrábění, dosáhne místo spolehlivého procesu jen opakovaného selhávání nástrojů.
Po zavedení stabilního procesu musí být zvoleny charakteristiky nástrojů a řezné podmínky tak, aby odpovídaly celkovým cílům daného kovozpracujícího podniku. Například při hromadné výrobě jednoduchých dílů může být primárním cílem maximální produkce při minimálních nákladech. Naopak, při vysoce různorodé výrobě nízkých objemů drahých a složitých dílů musí mít přednost celková spolehlivost a přesnost výroby před otázkou výrobních nákladů. V takových scénářích výroby malých sérií má důležitou úlohu také flexibilita nástrojových systémů.
Pokud je primárním cílem nákladová efektivita, musí být nástroje vybírány na základě nízké ceny na řeznou hranu a volba řezných podmínek musí být s tímto výběrem v rovnováze. Obráběcí parametry by měly klást důraz na dlouhou životnost nástroje, stejně jako na spolehlivost procesu. Pokud má naopak hlavní prioritu kvalita obrobku, bude správným přístupem volba vysoce výkonného a přesného nástroje, používaného za vhodných řezných podmínek. Ať už je cíl jakýkoliv, různé nároky a priority povedou vždy k výběru odlišných řezných podmínek a nástrojů.
Výběr a nastavení řezných podmínek
V úvodu plánování výroby nového dílu musí začínat výběr nástrojů a řezných podmínek zvážením obráběcí metody, geometrie nástroje a třídy řezného materiálu. Tyto nároky bude z velké části určovat právě obráběný díl. Například letecká součást ze slitiny na bázi niklu může vyžadovat tvarové obrábění frézou z monolitního karbidu s pozitivní geometrií. Výběr je založen na základních cílech výroby z hlediska její rychlosti, nákladů a kvality obrobků a závisí na parametrech hloubky řezu, rychlosti posuvu a řezné rychlosti, které je třeba k dosažení těchto cílů co nejvýhodněji nastavit.
Při změně stávajících operací výroby dílů je vhodné použít jiný proces výběru, aby byly zajištěny lepší výsledky z hlediska produktivity, ekonomiky i spolehlivosti výroby. V takových případech je doporučeno použít postup „krok za krokem“ začínající u jednoduchých změn řezných podmínek, následně řešící geometrii, řezné materiály, koncepci nástrojů a končící úvahami o změně metody obrábění. Je pozoruhodné, že velká část výrobních provozů postupuje přesně opačným způsobem - nejprve uvažuje o změně nástrojů nebo strategií, a teprve poté se pokouší zlepšovat aktuální výsledky obrábění úpravami řezných podmínek.
Nejsnazší a obvykle i efektivnější přístup začíná však právě změnou řezných parametrů. Řezné podmínky ovlivňují výsledek celou řadou způsobů a často může drobná změna řezné rychlosti nebo posuvu vyřešit problém nebo zvýšit produktivitu i bez dalších výdajů nebo času stráveného změnami nástrojového osazení.
Pokud změna řezných parametrů ke kýženému výsledku nestačí, je možné zkusit provést změny v geometrii řezného nástroje. Tento krok je však mnohem komplikovanější než prostá změna parametrů a bude vyžadovat nasazení jiných nástrojů, což zvýší jak náklady na nástroje, tak i na strojní čas. Další alternativou je změna materiálu řezného nástroje, ale i tato možnost bude zahrnovat větší investice času i peněz. Může též nastat situace, kdy je nutná i změna celých nástrojových sestav včetně upínačů, a zde již má smysl uvažovat o případném přechodu na zakázkově vyráběné nástroje, což však znovu zásadně ovlivní výrobní náklady.
Pokud nepovede žádný z uvedených kroků k žádanému výsledku, může být nezbytné provést změnu metody obrábění. Klíčovým prvkem je pak prozkoumání zamýšlené změny způsobem krok za krokem, aby bylo jasné, jaké faktory dosažení požadovaného výsledku skutečně zajistí.
Mnoho výrobních závodů používá při výběru nástrojů systémy CAM. Tato na první pohled snadná a rychlá metoda je v mnoha případech i efektivní, avšak nemusí vždy poskytnout optimální výsledky. Systém CAM totiž nebere v úvahu řadu jednotlivých provozních charakteristik nástroje. Například při použití frézy nestačí jen jednoduše zadat řeznou rychlost, posuv a hloubku řezu. Nalezení optimální aplikace vyžaduje zahrnutí další řady faktorů od počtu zubů na fréze přes možnosti utváření a odvodu třísek a zatížení nástroje, až po stabilitu samotného obráběcího stroje. Abychom dosáhli skutečného splnění cílů výrobní operace, musíme prověřit všechny tyto faktory z hlediska rychlosti úběru materiálu, životnosti nástroje, kvality obrobení povrchu dílce nebo ekonomiky výroby.
Rychlost, posuv a hloubka řezu
Spousta výrobních manažerů věří, že jednoduché zvýšení řezných rychlostí vygeneruje v daném čase více dílů, a tudíž sníží výrobní náklady. Kromě výstupního objemu výroby však existují i další prvky výrobních nákladů. Příkladem je operace, při níž by výměna nástroje uprostřed operace měla neblahý vliv na kvalitu dílu a dobu obrábění.
Zvýšení řezné rychlosti by vedlo k rychlejšímu tempu výroby, snížila by se ale životnost nástroje. Náklady na obrábění by tak vzrostly kvůli častějším výměnám nástroje a delším prostojům stroje během těchto výměn.
Zvyšování řezné rychlosti zkracuje životnost nástroje a může snížit celkovou stabilitu operace, zatímco změny hloubky řezu nebo rychlosti posuvu mají na životnost nástroje vliv jen minimální. Proto lze nejlepších výsledků dosáhnout vyváženým přístupem, který zahrnuje snížení řezné rychlosti s odpovídajícím proporcionálním zvýšením rychlosti posuvu a hloubky řezu. Použití největší možné hloubky řezu sníží potřebný počet záběrů a tím zkrátí dobu obrábění. Rovněž i rychlost posuvu by měla být co nejvyšší, avšak příliš velké rychlosti posuvu mohou negativně ovlivnit kvalitu obrobení povrchu.
Při změně řezné rychlosti ze 180 m/min na 200 m/min se například zvýší rychlost úběru materiálu pouze o přibližně 10 procent, dojde však k významnému zkrácení životnosti nástroje. Zvýšení rychlosti posuvu z 0,2 mm/ot. na 0,3 mm/ot. zvýší rychlost úběru o 50 procent, a to jen s minimálním (pokud vůbec nějakým) dopadem na životnost.
V mnoha případech dosáhne zvýšení rychlosti posuvu a hloubky řezu při stejné nebo i nižší řezné rychlosti stejné úrovně úběru materiálu jako při samostatném zvýšení řezné rychlosti. Mezi velmi zajímavé výhody práce s kombinací nižších řezných rychlostí s vyššími rychlostmi posuvu a menší hloubkou řezu patří také efekt snížení spotřeby energie.
Závěrečným krokem při optimalizaci řezných podmínek je výběr vhodného kritéria z hlediska minimálních nákladů nebo maximální produktivity a použití řezné rychlosti k jemnému doladění pro dosažení tohoto kritéria. K výběru lze použít model, který vyvinul na začátku 20. století americký inženýr F. W. Taylor.
Tento model ukazuje, že pro danou kombinaci hloubky řezu a rychlosti posuvu existuje určité rozpětí řezných rychlostí, při kterých dochází k bezpečnému, předvídatelnému a kontrolovatelnému opotřebení nástroje. V rámci tohoto parametrického rozsahu je možné posoudit a kvantifikovat vztah mezi řeznou rychlostí, opotřebením nástroje a jeho životností. Cílem je taková hodnota řezné rychlosti, která snižuje náklady na strojní čas, ale nadměrně přitom nezvyšuje náklady na obráběcí nástroj kvůli jeho zrychlenému opotřebovávání.
Řezný materiál a geometrie nástroje
Mezi další kroky při optimalizaci použití nástroje může patřit jemné doladění charakteristik řezného materiálu a geometrie břitu. Tak jako zahrnuje nastavení řezných podmínek zvažování kompromisů v závislosti na požadovaných výsledcích, vyžaduje dosažení maximální produktivity prostřednictvím změn řezného materiálu potřebu co nejlepšího využití všech jeho vlastností.
Z podstaty věci musí být břit nástroje tvrdší než obráběný materiál, a proto je tvrdost klíčovou charakteristikou materiálu nástroje. Vysoká tvrdost, zejména za zvýšených teplot vznikajících při vysokorychlostním obrábění, prodlouží životnost nástroje. Tvrdší nástroj je však zároveň také křehčí. Nerovnoměrné řezné síly vznikající při hrubování, a to hlavně při přerušovaných řezech způsobovaných okujemi nebo jinými nepravidelnostmi hloubky řezu, mohou způsobit rozlomení tvrdého materiálu nástroje. Také nestabilita samotného obrobku a jeho upnutí, jakož i celého obráběcího stroje, může přivodit selhání nástroje.
Proti tomu lze bojovat například zvýšením houževnatosti materiálu nástroje dosažené přidáním vyššího procentuálního podílu kobaltového pojiva, což zajistí vyšší odolnost nástroje vůči rázům. Současně však snížená tvrdost způsobí rychlejší opotřebovávání či deformace břitu nástroje při vysokorychlostních operacích nebo obrábění abrazivních obrobků. Klíčem je nalezení rovnováhy vlastností nástroje vzhledem k materiálu obráběného dílce.
Volba geometrií nástroje rovněž představuje kompromisy. Pozitivní řezná geometrie a ostrý břit snižují řezné síly a usnadňují odvod třísek. Ostrá řezná hrana však není tak pevná jako zaoblená. K zesílení řezné hrany je možné použít geometrické prvky, jako jsou například fazetky na břitu nebo zkosení ostří.
Fazetka na břitu – zesílená oblast za řeznou hranou – s pozitivním úhlem může poskytnout dodatečnou pevnost ke zvládání specifických operací a materiálů obrobků a také přispět k co nejúčinnějšímu snížení řezných sil. Zkosení pak zesiluje nejcitlivější část ostří, avšak za cenu zvýšených řezných sil. Geometrie pro „tvrdé“ utváření třísek vedou třísky pod relativně ostrým úhlem ke zkroucení a okamžitě je odlamují. Tyto geometrie mohou být efektivní u materiálů s dlouhými třískami, avšak způsobují vyšší zatěžování řezné hrany. Geometrie pro „měkčí“ utváření třísek způsobují menší zatížení břitu, ale generují přitom delší třísky. Různé geometrické prvky – stejně jako úpravy ostří, například honováním – lze kombinovat za účelem optimalizace řezného výkonu u specifických materiálů obrobku.
Provozní náklady
Modely nákladů na obrábění lze posuzovat z různé perspektivy. Mikroekonomické modely se na obráběcí procesy zaměřují z úzkého pohledu, kde jsou řezné podmínky přímo spjaty s náklady na obrábění. Makroekonomické modely naopak pracují s širší perspektivou a kladou důraz na celkový čas potřebný k výrobě daného obrobku.
Výrobci měří rychlost výroby různými způsoby – od počtu obrobků dokončených za určitý čas až k celkovému času potřebnému pro dokončení operace. Na rychlost výroby má vliv hodně faktorů včetně požadavků na geometrii obrobků a vlastnosti materiálů, průběh toku produktů výrobním závodem, vlivu lidského faktoru a záležitostí údržby, přídavných zařízení a činitelů spojených s životním prostředím, recyklací a bezpečností.
Některé části výrobních nákladů jsou pevně dané. Složitost obrobku a jeho materiál obecně předurčují typ a počet obráběcích operací nutných k výrobě dílu. Náklady na pořízení a údržbu obráběcích strojů a na energii nutnou k jejich provozu jsou také v zásadě fixními náklady. Cena práce je svým způsobem flexibilnější, avšak alespoň z krátkodobého hlediska je též účinně zafixována. Tyto náklady musí být kompenzovány výnosem z prodeje obrobených dílů. Pevně dané náklady může kompenzovat právě zvýšení rychlosti výroby (tedy rychlosti, jakou se z polotovarů stávají hotové produkty).
Závěr
Je třeba uvážit i to, že zatímco se pracovníci ve výrobních provozech velmi zajímají o řezné podmínky a produktivitu jednotlivých operací, kterou tyto představují, pracovníkům na vyšší úrovni vedení tato čísla mnoho neříkají - pracují totiž s obchodními cíli výrobních operací jako s celkem. Lidé, kteří přímo rozhodují o výběru obráběcích nástrojů a řezných podmínek by proto měli předem uvážit širší cíle obráběcích operací společnosti a využívat je k volbě takových nástrojů a řezných parametrů, jenž zajistí spolehlivý výkon, který umožní těchto cílů skutečně dosáhnout.
Univerzálnost nástroje v moderním pojetí výroby
V důsledku zvýšeného využívání výrobních strategií Just-in-Time a outsourcingu se výroba přesouvá od velkoobjemové hromadné výroby ke scénářům vysoce různorodé výroby nízkých objemů výrobků. Subdodavatelé ve stále větší míře produkují přerušované série menší velikosti, ale často opakované typové výroby. Hledání rovnováhy mezi produktivitou a náklady na nástroje vyžaduje používání takových nástrojů, které lze co nejvšestranněji využít ve velmi širokém spektru aplikací. Snížení počtu různých nástrojů v provozu zkracuje manipulační čas a prodlužuje tak dobu prakticky využitelnou pro obráběcí operace.
Tradiční způsob zvyšování produktivity při individuální operaci v rámci velké výrobní série identických dílů vyžaduje nástroje konstruované pro zcela konkrétní použití. Navrhování a zavádění speciálních nástrojů se však vyplatí jen za předpokladu, že náklady mohou být amortizovány právě díky výrobním dávkám s velkým objemem.
Hledání rovnováhy mezi produktivitou a náklady na nástroje se v situacích variabilní výroby s menšími sériemi daleko lépe provádí s „univerzálními“ nástroji, které umožňují velkou flexibilitu v širokém rozsahu aplikací. Tyto nástroje omezují prostoje, neboť je lze využít pro více obráběcích operací na různých zpracovávaných dílcích, čímž jsou jednak zkráceny časy nástrojových výměn a navíc ještě odpadá doba potřebná k přípravě, seřizování a testování dalších nástrojů.
Příkladem takového systému je řada rohových fréz Seco Turbo. Tyto nástroje vykazují všestrannost a flexibilitu v široké oblasti použití a přinášejí tak současně efektivitu i vysoký výkon. Pozitivní řezná geometrie těchto nástrojů ještě k tomu snižuje spotřebu energie a namáhání nástroje a umožňuje tak použití větších hloubek řezu a vyšších rychlostí posuvu.
Další přístup k všestranné využitelnosti představuje vybraný sortiment nástrojů schopný pokrýt nejrozličnější aplikace. Výběr nástrojů Seco Selection je navržen tak, aby byl co nejuniverzálnější. Tento doporučený sortiment obsahuje řadu nástrojů, které nutně nemusí vykazovat absolutně nejvyšší produktivitu nebo nákladovou efektivitu v každé aplikaci, avšak představují nejkomplexněji využitelnou a nejúspornější volbu nástrojového vybavení pro zpracování rychle se měnících typů obrobků a polotovarů z nejrůznějších materiálů.
