ЗАЩИТА ИНСТРУМЕНТА - НАЗРЕВШАЯ НЕОБХОДИМОСТЬ

Михаил Евсеевич Горелик, технический консультант ООО "Искар СНГ"

 

Станкостроение не перестает удивлять темпами и все возрастающим качеством предлагаемого оборудования. Технологические возможности современных металлорежущих станков выгодно отличаются от возможностей предшественников не только способностью работы с высокими скоростями резания и с большими рабочими и ускоренными подачами, но и обеспечением диагностики процесса обработки - контролем уровней нагрузки и вибраций, действующих на инструмент.

Парадоксальность ситуации заключается в том, что при современном уровне развития станкостроения и прикладного программного обеспечения, позволяющего "творить чудеса" в области диагностики и анализа процесса обработки, в подавляющем большинстве предлагаемых образцов металлорежущего оборудования встроенная функция контроля уровня нагрузки используется лишь для предохранения шпинделей станков от перегрузки!

При этом функция защиты инструмента от поломки на поставляемом оборудовании потребителям практически не предлагается, а уж тем более не рекламируется в качестве приоритетных преимуществ оборудования. Отечественный потребитель практически не осведомлен о реальных возможностях современного металлорежущего оборудования различных производителей в части предохранения инструмента от поломки, что связано с отсутствием доходчивой рекламы и исчерпывающей технической информации. В качестве одной из причин сложившейся ситуации можно усмотреть недооценку важности этого вопроса со стороны станкостроителей.

Несмотря на все достижения современного станкостроения, инструмент был и остается ключевым фактором повышения производительности, оставаясь при этом самым незащищенным звеном в процессе обработки. Замечательное высказывание Тейлора - одного из основоположников теории резания в начале прошлого века - о том, что "…вся производительность держится на кончике режущей кромки", находит подтверждение и сегодня.

Никакие "суперстанки" сами по себе не могут повысить производительность обработки в процессе резания при использовании старого инструмента, в то время как даже на старом оборудовании, в ряде случаев, можно существенно увеличить производительность обработки в несколько раз при использовании современных видов инструментов.

Защита инструмента - резерв в повышении надежности и производительности обработки

Потенциал инструмента, определяющего в итоге эффективность технологического процесса, остается в значительной степени неиспользованным. Типичной ситуацией в производстве является умышленное занижение режимов обработки с целью предотвращения поломки инструмента. В условиях значительно возросшей стоимости современных инструментов и обрабатываемых деталей отсутствие надежной системы контроля нагрузки, действующей на инструмент, и предохранения инструментов от поломки приводит к "внутреннему запрету" форсирования режимов резания и к назначению гарантированно меньшего ресурса эксплуатации инструментов. В большинстве случаев заниженные режимы резания остаются незыблемыми на долгие времена, что значительно снижает эффективность средств, вложенных в переоснащение производства.

Такое понятие, как стойкость инструмента, носит очень субъективный характер. В большинстве случаев инструмент снимается с эксплуатации, не выработав свой возможный ресурс, что в значительной степени приводит к существенному перерасходу средств. Возможность увеличения ресурса инструмента, не опасаясь поломки и доводя инструмент до одинакового износа (до одинакового уровня нагрузки), открывает совершенно иные перспективы по организации производства.

Введение защиты инструмента оказывает очень большое влияние на психо-эмоциональное состояние рабочего. Отсутствие текущей информации о состоянии инструмента в процессе обработки, незнание уровня и характера изменения действующих нагрузок делают состояние оператора напряженно-тревожным, особенно при работе с инструментами, склонными к поломке. В то же время возможность наблюдения за уровнем и характером изменения действующих нагрузок и уверенность, что поломка инструмента не произойдет (сработает защита), делают состояние оператора комфортным. Исключить поломки инструмента, полагаясь лишь на квалификацию и реакцию оператора, невозможно, тем более в условиях многостаночного обслуживания. Очевидно, что введение автоматической защиты инструмента от поломок - это не только повышение надежности процесса обработки благодаря исключению человеческого фактора и учету изменяемых условий обработки (разнородность заготовки, износ инструмента и т.п.), но и значительный неиспользованный резерв сокращения расходов на производство (уменьшение брака, экономия на инструменте, возможность работать с большей производительностью).

"Умные станки"

Постепенное превращение современных станков в мини-диагностические центры открывает новые технологические возможности для технологов по изменению традиционного подхода к назначению и оптимизации режимов резания и определению (назначению) реального ресурса инструмента. Мы являемся свидетелями появления "умных станков", позволяющих не только контролировать уровень действующей нагрузки и останавливать процесс обработки, предохраняя инструмент от поломки, реализуя в том числе и адаптивное управление, но и анализировать процесс обработки. Задание максимально допустимого значения принципиально важного параметра (силы, мощности, момента) для данного инструмента на заданном переходе осуществляется в процессе проектирования технологического процесса при разработке программы обработки. После окончания обработки средства программного обеспечения (ПО) способны выдавать отчеты о процессе обработки (об изменении уровня нагрузок и других параметров в функции времени) как в виде таблиц, так и в виде графиков.
К сожалению, не все поставщики оборудования в состоянии предложить полный пакет услуг в части реализации возможностей ПО, связанного с предохранением инструментов от перегрузок. Но даже те поставщики, которым есть что предложить в виде "продвинутых" версий ПО, в большинстве случаев "не утруждают себя" раскрытием потенциальных возможностей поставляемого оборудования по защите инструмента.

Драматизм ситуации в отечественной промышленности в отличие от наиболее развитых промышленных стран, где это все работает, состоит в реальной неосведомленности подавляющего большинства потребителей о современных возможностях оборудования по реализации защиты инструментов от поломок. Массовое приобретение "упрощенных" моделей станков (или станков с не полностью раскрытыми опциями ПО) обрекает потребителя на десятилетия работы без защиты инструмента, "отбрасывая" его по технологическому уровню в прошлый век.

Ситуация не изменится до тех пор, пока потребитель будет оставаться нетребовательным при выборе оборудования, как, впрочем, и инструмента. Выбор всегда остается за потребителем, но доведение информации до потребителя о возможностях современного оборудования и инструментов - прерогатива поставщиков.

Параметры контроля

В зависимости от вида обработки и от конструкции инструмента защита инструмента может быть обеспечена по ограничению различных видов нагрузок, действующих на инструмент: крутящего момента, осевой, радиальной или тангенциальной составляющей силы резания, действующих на инструмент или комбинации различных видов нагрузок.

Очень важным фактором, определяющим ресурс инструмента, является уровень вибраций инструмента - частоты и амплитуды колебаний режущей кромки в процессе обработки. Известно, что безвибрационных процессов резания не существует, а отличие процессов резания заключается лишь в уровне частоты и амплитуды колебаний режущей кромки - от долей микрометра до долей миллиметра по амплитуде и от нескольких герц до сотен килогерц по частоте колебаний. Причем определенное сочетание частоты и амплитуды колебаний является благоприятным фактором для работы инструмента, в то время как некоторые другие сочетания могут являться для инструмента губительными. Факторами, определяющими уровень вибраций режущей кромки, являются режимы обработки, обрабатываемый материал и жесткость технологической системы. Поэтому контроль уровня вибраций в процессе резания следует считать крайне предпочтительным, а вовсе не излишней опцией. Другой вопрос - "как организована та или иная система контроля, что и как она контролирует?"

Совершенно очевидно, что наибольшее внимание при защите инструмента от поломки следует уделять наименее прочным и наиболее подверженным поломкам инструментам - сверлам, метчикам и концевым фрезам малого диаметра. Но это не означает, что другие виды инструмента не нуждаются в защите от поломки. Защищать надо все инструменты. Инструменты малого диаметра ломаются чаще, но и стоят они значительно меньше, в то время как "мощные" инструменты ломаются реже, но стоимость их может быть на несколько порядков больше. Возможность реализации наиболее производительных режимов обработки посредством защиты инструмента относится, в первую очередь, к черновым и получистовым операциям, когда фактор нагрузки на инструмент имеет существенное значение.

Для различных инструментов критичными являются разные силовые параметры. Так, для сверл диаметром до 12…16 мм критичным является величина осевой нагрузки, а для сверл большего диаметра - величина крутящего момента. Для метчиков, торцевых, дисковых и жестких концевых фрез определяющей оказывается величина крутящего момента. Для нежестких концевых фрез, работающих с большим вылетом, - изгибающая сила и крутящий момент. Для большинства резцов превалирующей является тангенциальная составляющая нагрузки.

Поставляемое оборудование отличается различным набором возможностей контролируемых параметров (Рx, PY, Pz, Мкр, уровень вибраций), причем не каждый из производителей оборудования в состоянии обеспечить защиту инструмента по отдельным интересующим потребителя параметрам.

Новое технологическое мышление

Важнейшим моментом для объективной оценки работоспособности инструмента и влияния условий эксплуатации, а также, что немаловажно, сравнимости результатов, являются знание и контроль абсолютных, а не относительных значений действующих нагрузок на инструмент.

При проектировании технологического процесса (формировании программы обработки) на станках нового поколения с возможностью реализации контроля уровня нагрузки на каждом переходе технолог может указать допустимый уровень нагрузки для каждого "проблемного" для него перехода. Незнание реального допустимого уровня нагрузки на конкретный инструмент не является препятствием для организации работы в режиме предохранения инструмента. Реально допустимый уровень нагрузки на инструмент может быть получен из справочной литературы или, что еще более ценно, определен непосредственно методом постепенного приближения при проведении испытаний. В процессе обработки станок не позволит превысить допустимый (установленный) уровень нагрузки для каждого "защищаемого" инструмента.

Знание абсолютных значений нагрузок позволит изменить "технологическое мышление" при проектировании технологического процесса и сделает возможным:

- объективно оценивать влияние различных технологических факторов (режимов резания, схемы обработки, обрабатываемого материала, жесткости оборудования, технологической оснастки и инструмента);
- обеспечит возможность назначать и изменять (поддерживать) режимы обработки по объективному фактору - допустимому уровню нагрузки или уровню вибраций (в зависимости от изменения условий эксплуатации: например, увеличения износа инструмента);
- использовать инструмент до максимального ресурса и с максимальной производительностью, не доводя до поломки;
- ускорить процесс оптимизации режимов обработки;
- разрабатывать объективные технологические рекомендации по условиям эксплуатации инструментов и реализовывать их на различном оборудовании;
- дать объективную оценку применяемым конструкциям инструментов (износостойкость, жесткость, прочность: на изгиб, на сжатие, на кручение, виброустойчивость и др.), что приведет к повышению качества выпускаемого инструмента;
- на практике объективно проверить и реализовать рекомендации из различных источников по допустимой нагрузке на данный вид инструмента, причем как для нового, так и для инструментов с различной степенью износа.

Следует иметь в виду, что знание только уровней нагрузки, действующей на инструмент, для оценки его работоспособности может оказаться недостаточным без учета реального уровня вибраций, зависящего от состояния оборудования, жесткости оснастки и инструмента.

Тем не менее реализация идеологии "обработки без поломок" делает целесообразным информировать потребителя (в т.ч. и через каталоги) о предельно-допустимых значениях нагрузок для различных инструментов (Рx, Py, Pz, Мкр).

Выводы

1. Отсутствие на оборудовании системы защиты инструмента от поломки ведет к росту расходов на инструмент, увеличению брака, увеличению трудоёмкости обработки и снижает эффективность использования оборудования.

2. Эффективность защиты и, в первую очередь, нежестких инструментов напрямую будет зависеть от чувствительности и быстродействия реакции системы управления станка. Вопросом, заслуживающим дополнительного изучения, является алгоритм управления станком при выработке аварийного сигнала, не допускающий поломки инструмента.

3. Требования к оборудованию по повышению уровня чувствительности систем защиты, оснащению станков датчиками контроля уровня вибраций, программным обеспечением с расширением функций диагностики и анализа процесса резания будут возрастать. Уже сегодня современные автоматизированные и роботизированные металлообрабатывающие производства не работают без встроенной защиты от поломки инструмента.

Только совместные усилия станкостроителей, инструментальщиков и технологов позволят осуществить качественные прорывы в изменении технологии механообработки.

Компания ISCAR уделяет огромное внимание созданию наиболее качественных высокопроизводительных инструментов. При этом потенциал создаваемых инструментов во многих случаях не может быть полностью раскрыт для потребителя и реализован при работе на станках, не отвечающих требованиям сегодняшнего дня.

В настоящее время компания "Искар СНГ" совместно с одним из мировых лидеров в области защиты инструмента проводит целенаправленную работу по реализации концепции автоматического предохранения инструмента от поломки на существующем оборудовании с ЧПУ. Возможно обеспечение как защиты инструмента от сверхдопустимой нагрузки, так и реализация адаптивного управления с целью повышения производительности. Реализация современных технологических подходов возможна благодаря применению дополнительного программного обеспечения или использованию дополнительных аппаратных средств.

Компания ISCAR искренне заинтересована в реализации современных технологий с использованием современного оборудования и средств диагностики процесса резания, в наибольшей степени отвечающих интересам Заказчика и обеспечивающих повышение производительности и стойкости инструментов.