Produktywność skrawania metalu zależy od precyzyjnych obrabiarek i zaawansowanych narzędzi skrawających. Ale ważne jest także połączenie pomiędzy narzędziem skrawającym a wrzecionem maszyny, czyli oprawka narzędziowa. Producenci oprzyrządowania oferują szeroki wybór oprawek narzędziowych, z których każda została zaprojektowana tak, aby zapewniała optymalną wydajność w określonych zastosowaniach obróbki skrawaniem.

Dlatego warsztat zajmujący się obróbką skrawaniem powinien dobierać oprawki z jednej strony w oparciu o specyfikę wykonywanych zadań, a z drugiej z uwzględnieniem produkowanych części. Choć jednak warsztaty starają się pozyskać najbardziej zaawansowaną technologię obrabiarek i materiałów narzędzi skrawających, często przywiązują minimalną wagę do wyboru, stosowania i konserwacji oprawek narzędziowych, które najlepiej odpowiadają ich specyficznym potrzebom produkcyjnym.

Nie wszystkie oprawki są sobie równe

Żadna z metod mocowania narzędzi nie jest odpowiednia dla wszystkich możliwych zastosowań. Oprawka narzędziowa zaprojektowana do wykonywania szybkich operacji obróbki wykańczającej zazwyczaj nie ma sztywności i wytrzymałości niezbędnej do skutecznego wykonywania na przykład głębokiej obróbki zgrubnej odlewów surowych. I odwrotnie: oprawka przeznaczona do obróbki zgrubnej zazwyczaj nie ma właściwości równoważących, które pozwoliłyby na pracę z dużymi prędkościami w operacjach obróbki wykańczającej. Dodatkowo solidna konstrukcja i duża objętość oprawki do obróbki zgrubnej mogą ograniczać dostęp do elementów drobnych lub głębokich. Wytrzymałe materiały elementów obrabianych wymagają zastosowania oprawek narzędziowych o zwiększonej wytrzymałości i sztywności. Ważnym kryterium wyboru jest również zdolność oprawki narzędziowej do tłumienia wibracji i efektywność doprowadzania chłodziwa.

Użycie nieodpowiedniej oprawki narzędziowej może prowadzić do błędów wymiarowych, wzrostu odsetka części złomowanych, nadmiernego zużycia wrzecion obrabiarki, zmniejszenia trwałości narzędzia i zwiększenia prawdopodobieństwa pęknięcia narzędzia. W przypadku zadań niemających znaczenia krytycznego oprawka narzędziowa w przystępnej cenie może zapewniać zadowalające wyniki. Jednak kiedy jest wymagana powtarzalna precyzja — zwłaszcza gdy złomowanie drogich elementów obrabianych obniża zysk na części — inwestycja w najwyższej jakości oprawki narzędziowe, dostosowane do konkretnego zastosowania, pozwala zminimalizować ryzyko takich nieprzewidzianych strat.

Niektórzy kierownicy wydziałów produkcyjnych tną koszty, używając długich wersji oprawek narzędziowych w wielu zastosowaniach. Ale korzystanie z możliwie najkrótszej oprawki maksymalizuje sztywność, minimalizuje wibracje degradujące powierzchnię i zwiększa trwałość narzędzia.

Oprawki narzędziowe stanowią mniej niż dwa procent całkowitych kosztów produkcji. Nawet obniżenie tego kosztu o połowę daje znikome oszczędności, podczas gdy złomowanie elementu obrabianego lub pęknięcie narzędzia przynosi znaczne straty. Wysokiej jakości narzędzia i oprawki mogą zwiększyć tempo skrawania metalu, co zapewnia natychmiastowy zwrot z inwestycji w narzędzia. Szczególnie w branżach takich jak przemysł lotniczy i kosmonautyczny, gdzie stabilność procesu obróbki jest najważniejsza, wielu producentów koncentruje się przede wszystkim na pozyskiwaniu wysokiej jakości narzędzi, aby uniknąć produkcji wadliwych części i marnowania czasu na rozwiązywanie problemów czy przestoje. Producenci z branży lotniczej i kosmonautycznej zazwyczaj potrzebują więcej czasu, aby zweryfikować nowe koncepcje oprawek przed użyciem ich w produkcji.

Cechy elementu obrabianego a wybór oprawki

Czynniki wpływające na wybór oprawek narzędziowych obejmują obrabialność materiału w każdym zadaniu, jak również konfigurację części końcowej, która może określać wymiary oprawek narzędziowych potrzebnych do uzyskania określonych konturów i/lub cech. Jednocześnie oprawki narzędziowe powinny być tak proste i łatwe w użyciu, jak to tylko możliwe, aby zminimalizować ryzyko popełnienia błędu przez operatora.

Niezależnie od tego, która technologia mocowania narzędzi jest stosowana, o tym, jakie operacje są wykonalne, decydują sztywność narzędzia obrabiarki, moc wrzeciona i zdolność do zapewniania wąskich tolerancji. Na przykład próba zapewnienia tolerancji w skali mikro na zużytej obrabiarce to oczywista strata czasu.

Podstawowe elementy konstrukcyjne obrabiarek odgrywają kluczową rolę — szybka maszyna z prowadnicami liniowymi najlepiej wykorzysta oprawki narzędziowe zaprojektowane do pracy z dużymi prędkościami, podczas gdy maszyny z prowadnicami skrzynkowymi zapewnią wsparcie dla ciężkiej obróbki. Maszyna wielozadaniowa w pełni wykorzysta możliwości oprawek narzędziowych, które nadają się zarówno do operacji toczenia, jak i frezowania/wiercenia.

Na wybór oprawek narzędziowych ma również wpływ strategia obróbki skrawaniem. Na przykład warsztaty mogą wybierać narzędzia w celu maksymalizacji produktywności podczas szybkiego skrawania (HSC) z wykorzystaniem mniejszych głębokości skrawania lub do wysokiej wydajności skrawania (HPC), gdzie koncentrują się na generowaniu dużych prędkości usuwania metalu na maszynach o odpowiedniej mocy, ale o ograniczonej prędkości.

Małe, powtarzalne bicie może pomóc zapewnić stałą ścieżkę narzędzia, a tym samym zmniejszyć wibracje i zmaksymalizować trwałość narzędzia. Bardzo ważne jest wyważenie — wysokiej jakości oprawka narzędziowa powinna być precyzyjnie wyważona z jakością G2,5–25 000 obr./min (1 g.mm). Warsztaty zajmujące się obróbką skrawaniem mogą prowadzić własne badania i konsultować się z dostawcami narzędzi w celu dobrania systemów oprawek narzędziowych, które zaspokoją ich potrzeby produkcyjne bez przekraczania budżetu

Odpowiedni dobór oprawki = optymalne rezultaty

Oprawki narzędziowe — zarówno proste oprawki Weldon, jak i konstrukcje zaciskowe, termokurczliwe, mechaniczne i hydrauliczne — powinny być również dostosowane do konkretnych wymagań operacyjnych. Na przykład proste oprawki końcowe do narzędzi z chwytem Weldon są sztywne, łatwe w użyciu, mogą przenosić wysoki moment obrotowy i zapewniają bezpieczne mocowanie z niezawodną ochroną przed przypadkowym wysunięciem. Doskonale nadają się do ciężkiej obróbki zgrubnej, ale brakuje im precyzyjnej współosiowości. Ogólnie rzecz biorąc, są z natury niewyważone i nie nadają się do produktywnych zastosowań wykorzystujących duże prędkości obrotowe.

Tuleje zaciskowe i wymienne tulejki są najbardziej rozpowszechnioną formą technologii mocowania narzędzi z chwytem cylindrycznym. Ekonomiczne wersje ER są dostępne w szerokiej gamie wielkości i oferują wystarczający chwyt dla niezawodnego lekkiego frezowania i wiercenia. Precyzyjne oprawki zaciskowe ER charakteryzują się niskim biciem (

Oprawki termokurczliwe (typu shrinkfit) oferują dużą siłę zacisku, koncentryczność 3 µm w przypadku wariantu 3xD i doskonałe wyważenie. Ich małe konfiguracje z prostym narożem zapewniają dobry dostęp do drobnych detali.

Wersje wzmocnione mogą wykonywać frezowanie od umiarkowanego do ciężkiego, ale siła zacisku zależy od tolerancji wewnętrznej średnicy chwytu narzędzia i oprawki. Narzędzia typu shrinkfit wymagają zakupu specjalnego urządzenia grzewczego, a proces podgrzewania/chłodzenia pochłania więcej czasu na ustawienie niż wymiana tulejek.

Mechaniczne uchwyty frezów zapewniają dużą siłę zacisku i wysoką sztywność promieniową dzięki zastosowaniu wielu rzędów łożysk igiełkowych. Konstrukcja umożliwia ciężkie frezowanie i szybką wymianę narzędzi, ale bicie może być większe niż w systemach tulejkowych. Uchwyty mechaniczne są zazwyczaj większe niż inne rodzaje oprawek narzędziowych, co może ograniczać dostęp narzędzia do niektórych obszarów części.

Uchwyty hydrauliczne, które wykorzystują ciśnienie oleju do wytworzenia siły mocowania, mają mniej elementów wewnętrznych niż konstrukcje mechaniczne i w rezultacie są smuklejsze. Charakteryzują się niskim biciem i są skuteczne w rozwiercaniu, wierceniu i lekkim frezowaniu przy dużych prędkościach wrzeciona, ale jednocześnie są wrażliwe na duże obciążenia promieniowe.

Równie ważne jak mocowanie narzędzia skrawającego przez oprawkę jest mocowanie go do wrzeciona obrabiarki. Od wrzeciona (lub stożkowego końca oprawki narzędziowej) zależy zdolność przenoszenia momentu obrotowego i dokładność centrowania narzędzia. Tradycyjne stożki narzędziowe BT, DIN i CAT są skuteczne w mniejszych maszynach, ale mogą ograniczać możliwość pracy z dużymi prędkościami. Wersje, które zapewniają kontakt zarówno stożka oprawki, jak i powierzchni czołowej, oferują zwiększoną sztywność i dokładność, zwłaszcza przy dużym wysięgu. Większe rozmiary stożków są wymagane, aby niezawodnie przenosić większe momenty obrotowe. Na przykład oprawka HSK-E32 nie może zastąpić oprawki HSK-A125A w przypadku ciężkiej obróbki.

Wybór typu stożka oprawki często zależy od preferencji regionalnych. Stożek HSK pojawił się w Niemczech w połowie lat 90., kiedy zyskały popularność maszyny 5-osiowe. Stożki CAT stosowane są głównie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w Azji popularne są chwyty BT, często w wersjach stożkowo-czołowych.

Stożek HSK jest bardzo popularny w przypadku 5-osiowej obróbki skrawaniem. Połączenia PSC (poligonalny system mocowania: Capto) i KM są stosowane głównie w maszynach wielozadaniowych i obecnie spełniają normy ISO. KM i Capto to również systemy modułowe umożliwiające montaż narzędzi o różnych długościach poprzez zastosowanie przedłużek lub reduktorów. Rodzaje oprawek narzędziowych, które umożliwiają toczenie, frezowanie lub wiercenie części bez zmiany z użyciem jednego mocowania, zyskują coraz większą popularność, ponieważ maszyny wielozadaniowe są coraz częściej używane.

Chociaż istnieją autorskie systemy mocowania narzędzi, które wykorzystują unikalne oprawki i tulejki w innowacyjny sposób, aby osiągnąć imponujące wyniki, warsztat musi ocenić korzyści wynikające z ich zastosowania. Systemy te zazwyczaj generują większe koszty i cechują się ograniczonym wyborem narzędzi — pochodzących od jednego dostawcy.

Koszty i inne kwestie

Choć podstawowy koszt oprawki hydraulicznej lub mechanicznej jest wyższy w porównaniu z oprawką tulejkową lub oprawką typu shrinkfit, trzeba uwzględnić także czynniki takie jak koszt systemu podgrzewania oraz czas potrzebny na wymianę narzędzi. Konieczne jest również posiadanie oprawki typu shrinkfit dopasowanej do każdego narzędzia jako alternatywy dla stosowania narzędzi o różnej średnicy poprzez prostą wymianę tulejek w systemach uchwytów z tulejami zaciskowymi.

Operatorzy obrabiarek i personel zajmujący się konserwacją narzędzi także odgrywają ważną rolę w maksymalizacji skuteczności oprawek narzędziowych. Podobnie jak w przypadku obrabiarek i innych urządzeń produkcyjnych oprawki narzędziowe wymagają prawidłowego użytkowania i konserwacji, aby zmaksymalizować korzyści z ich stosowania i wykorzystać w pełni ich potencjał. Na przykład operator musi włożyć chwyt narzędzia do oprawki na całą jego długość, ponieważ niewłaściwe osadzenie prowadzi do obniżających dokładność wibracji, a nawet wyrzucenia narzędzia. Stosowanie się do specyfikacji montażu narzędzia ma krytyczne znaczenie. Operatorzy nie powinni używać przedłużek do przykładania nadmiernego momentu podczas dokręcania uchwytu, ponieważ powoduje to przekręcenie tulejki i nieprawidłowe ustawienie narzędzia.

Konserwacja narzędzi jest również ważna, choć często ignorowana. Operatorzy powinni zawsze czyścić oprawki przed użyciem, jak również sprawdzać wrzeciono obrabiarki. Uchwyty powinny być przechowywane w stanie czystym i suchym, z zaślepkami zabezpieczającymi stożek narzędzia. Ciśnienie płynu w uchwytach hydraulicznych powinno być sprawdzane regularnie.

Wnioski

Warsztaty zajmujące się obróbką skrawaniem muszą uznać znaczenie oprawek narzędziowych w systemie obróbki skrawaniem i dowiedzieć się, w jaki sposób właściwe dopasowanie odpowiedniej oprawki narzędziowej do konkretnych obrabiarek, strategii obróbki skrawaniem i obrabianych elementów może zwiększyć produktywność i zmniejszyć koszty. Producenci oprawek narzędziowych oferują coraz większy wybór produktów (patrz pasek boczny) zaspokajających indywidualne potrzeby.

Przyszłe ulepszenia wykraczają poza samą oprawkę. Zarządzanie narzędziami z wykorzystaniem oprogramowania i znaczników RFID jest elementem produkcji opartej na danych i staje się coraz bardziej powszechne. Postępy w technologii oprawek narzędziowych obejmują oprawki wyposażone w czujniki, które umożliwiają monitorowanie sił działających na oprawkę w czasie rzeczywistym. Zebrane dane pozwalają dostosowywać parametry obróbki w trakcie procesu przez operatora lub nawet automatycznie poprzez sztuczną inteligencję w połączeniu z modułem sterującym obrabiarki. Te i inne nowe technologie jeszcze bardziej przyczynią się do wzrostu produktywności, jaki oprawki narzędziowe wnoszą w operacje obróbki skrawaniem.