З впровадженням лазерних кута зрізу в інструментальній розробці з'являється абсолютно новий підхід, як з конструктивної, так і з технологічної точки зору. Замість традиційної субтрактивної обробки через шліфувальні процеси лазерна обробка вимагає негативної конструкції, де геометрії інструментів спеціально розробляються для видалення матеріалу за допомогою лазера. Це призводить до збільшення витрат на проектування, вимагає спеціалізованих CAD-процесів і ставить нові вимоги до структурування даних.
«Інтеграція лазерних геометрій затискачів у твердосплавні інструменти позначає основний злам у конструкції та виробництві», підкреслює Олександр Зайферман, керівник конструкторського відділу виробника прецизійних інструментів SIMTEK з Мессінга. «Там, де раніше ми переважно шліфували, сьогодні часто використовують лазер – з суттєвими наслідками для геометрії, конструкції та застосування. Від класичного, великоплощинного видалення матеріалу – до точкового та тривимірного оформлення складних геометрій у негативі.»
Технологічний прогрес також приносить підприємствам переваги: «Переваги очевидні: ми можемо створювати високоточні, кругові геометрії різання - з оптимізованим контролем стружки та часто розширеним функціоналом», додає генеральний директор SIMTEK Норберт Зайферман. Незважаючи на початкові труднощі, які потрібно було подолати, додаткові зусилля для більшості випадків використання індивідуальних інструментів виправдовують себе. «Результати різання настільки переконливі, що ми поступово впроваджуємо лазерні геометрії в наш стандартний каталог інструментів».
Конструктивне перетворення: Від видалення до негативної конструкції
Класичне проектування інструментів ґрунтувалося на принципі класичного, великоплощинного видалення матеріалу. Конструкція була розроблена так, щоб у виробництві з заготовки шляхом шліфування можна було отримати визначені кути стружки та вільні поверхні. Лазерна обробка, натомість, вимагає зовсім іншого мислення – тепер моделюється те, що пізніше буде видалено.
Ця «негативна конструкція» вимагає значно більших витрат у CAD і створює кілька додаткових наборів даних для кожного інструмента. Конструктор повинен точно визначити, які ділянки потрібно видалити – принцип, який нагадує про виготовлення інструментів у литті під тиском, але на практиці є значно складнішим. «Оскільки при лазерному різанні дійсно працюють з негативом, сконструйована модель слугує лише для внутрішнього контролю», – пояснює керівник конструкторського відділу Олександр Зайферман.
„Виробництво безпосередньо звертається до негативної моделі, віртуально розміщує її на різці і потім точно видаляє матеріал, який був раніше конструктивно визначений.“
Лазерна обробка відкриває нові можливості для зняття стружки, але висуває вищі вимоги.
Лазерні геометрії дозволяють створювати надскладні структури: економії, випуклості, горбки - все планується в тривимірному форматі та точно реалізується. Це відкриває нові можливості в контролі стружки та оптимізації інструментів. Водночас зростають вимоги до конструкції: потрібні ґрунтовні знання та значно тісніший процес узгодження з клієнтом. Крім того, використовувані SIMTEK ринкові CAD-програми лише частково підходять для цього процесу - потрібні спеціальні робочі методи, щоб забезпечити чисті переходи та безпомилкові геометрії. Олександр Зайферман та його команда знають про цю проблему: «Те, що ми в процесі шліфування могли вирішити за допомогою досвідчених оцінок та стандартних форм, стає конструктивним викликом при лазерному різанні».
Вимоги до CAD, виробництва, а також комунікації з клієнтами значно зростають – і при більш ніж 3 500 різних індивідуальних нових розробках на рік це не дрібниця. Одночасно ми відкриваємо абсолютно нові можливості з лазерними геометріями: кращий контроль стружки, вищий термін служби, стабільніші процеси та інтеграція кількох етапів обробки в одному інструменті.
Компетенція з досвіду
Вступ до лазерного оброблення геометрій зажимів у SIMTEK був важким навчальним процесом – через спроби, помилки та досвід протягом років була сформована глибока експертиза. Сьогодні як спеціальні, так і стандартні інструменти можуть бути оснащені лазерними геометріями. Ці інструменти пропонують особливо великі переваги в обробці дрібних деталей, при роботі з міддю, алюмінієм або іншими безсвинцевими матеріалами в плані ведення стружки та якості поверхні.
Проте при впровадженні лазерних геометрій часто існує потреба в уточненні. У цьому випадку експерти компанії SIMTEK надають своїм клієнтам консультації та демонструють переваги, які приносить лазерна геометрія. У таких випадках заплановану геометрію спочатку візуалізують і пояснюють, щоб зробити конструктивні наміри прозорими. Цей процес узгодження зазвичай призводить до запитань і може трохи подовжити процес затвердження, проте в більшості випадків забезпечує підвищене розуміння і, врешті-решт, кращі результати.
Лазерне оброблення не завжди означає одне й те саме.
У розмовах іноді зазначається, що лазерна обробка геометрій інструментів вже багато років є усталеною практикою. Проте слід провести диференціацію: хоча ця технологія вже зарекомендувала себе в сфері ПКД-інструментів (полікристалічний алмаз), лазерна обробка твердих сплавів – особливо в контексті інструментів для мікровиробництва – є значно більшим викликом.
Технологічно обумовлено, що матеріали під час лазерної обробки поводяться по-різному: частинки ПКД розкладаються приблизно з 700°C до графіту. Під дією кисню окислювальний розклад і розкладання починаються вже з приблизно 600°C, під вакуумом розкладання затримується до 1300°C. Графіт розкладається, стає все більш нестабільним і його відносно легко видалити. «Цей процес починається, перш за все, на межах зерен, які є особливо важливими для ріжучих інструментів – там часто знаходиться ріжучий край або визначена форма ведучих ступенів стружки», уточнює Олександр Зайферман. На відміну від цього, температура плавлення вольфраму в твердому сплаві становить приблизно 3400°C, а температура випаровування навіть понад 5000°C. Проте при цих температурах вже випаровуються інші складові зв'язуючих матеріалів, такі як кобальт і вуглець, що значно ускладнює обробку.
Після того, як SIMTEK вперше публічно представила лазерні геометрії на AMB 2024, інші також приєдналися до цього тренду. «Ми усвідомлювали, що й інші виробники інструментів тепер ще активніше працюватимуть над темою лазера, після того як побачили, що це працює», - підкреслює Норберт Зайферман. Спочатку це були ще простіші структури, які були далеко від основного ріжучого краю, але тепер геометрії стали складнішими.
Крім того, додаються також синтеровані або литі ISO-формати. «Ми лазерно обробляємо мікрогеометрії, які вже не можна синтерувати або литтям, і це лазерно до ріжучого краю – цілеспрямовано і з високою точністю.» Результат – надзвичайно гострі ріжучі краї. «Те, що візуально іноді виглядає як захисний фас, насправді є точно визначеним, круговим кутом, який точно впроваджений і функціонально точно налаштований», уточнює керівник конструкції Олександр Зайферман.
Контроль за обробкою потребує діалогу – чому комунікація є вирішальною.
Лазерно оброблені геометрії відкривають абсолютно нові можливості у зварюванні – від цілеспрямованого зламу стружки до перенаправлення і визначеного намотування. Однак для того, щоб ці потенціали були повністю реалізовані, важливим є тісний обмін інформацією між користувачем і виробником. «Чим більше ми знаємо про конкретний випадок застосування, тим точніше можемо спроектувати геометрію», - пояснює Норберт Зайферман. Це особливо актуально для складних матеріалів, таких як C10-глибоковитяжна сталь, безсвинцевий алюміній або мідь. Тут можна реалізувати процесно безпечні злами стружки з узгодженими параметрами та лазерно обробленими геометріями – навіть там, де фізичні межі заважають повному зламу стружки.
Практична інформація як основа для оптимальних результатів
Щоб інструмент міг розкрити свій повний потенціал, точні дані про матеріал, різальні параметри та умови використання є незамінними. На практиці було показано, що невеликі відхилення в подачі або якості матеріалу можуть суттєво вплинути на поведінку стружки. «Якщо ми рано дізнаємося ці параметри, ми можемо оптимально налаштувати геометрію», підкреслює Олександр Зайферман. У випадку спеціальних інструментів, які часто використовуються лише в малих кількостях або одноразових застосуваннях, конструктивний зворотний зв'язок є особливо цінним. Таким чином, успішні геометрії можуть бути цілеспрямовано вдосконалені. «Тісна співпраця з нашими клієнтами забезпечує те, що ми можемо розробляти практичні рішення навіть без повністю цифрового моделювання - індивідуально, надійно та орієнтуючись на застосування».
Від спеціального випадку до стандартного інструмента
На відміну від індивідуального спеціального виробництва, в стандартному сегменті в SIMTEK можна проводити внутрішні тестові серії. Багато з сьогоднішніх стандартних геометрій, отже, базуються на раніше успішно реалізованих спеціальних рішеннях. «Ми перенесли знання з спеціальної розробки, наприклад, щодо геометрій на основі повного радіусу, у стандартні інструменти і там з великим успіхом їх закріпили», - пояснює керівник відділу конструкції підхід.
Особливо ефективною є лазерно згенерована геометрія для різців з повним радіусом: вона забезпечує рівномірне ведення стружки по всій області різання – на відміну від класичного шліфування, де кут стружки змінюється ненавмисно в залежності від подачі та глибини занурення.
Більша ефективність завдяки цілеспрямованій корекції геометрії. Конкретний приклад застосування яскраво демонструє перевагу лазерних геометрій: там, де раніше були потрібні два інструменти та додатковий тримач для виконання радіальних втиснень та від'єднань, сьогодні достатньо одного лазерного інструмента, як показує практика. Це не тільки економить заміну інструментів та енергію, але й значно зменшує знос машини та інструменту.
Ще один практичний приклад стосується обробки зливної пробки для олії з кількома діаметрами та осьовим вільним вирізом. У той час як для таких завдань у процесі шліфування зазвичай використовувалися два окремі інструменти з обмеженим керуванням геометрією, завдяки лазерному різанню можна ввести кути стружки таким чином, щоб всі етапи роботи виконувалися лише одним інструментом – без компромісів у веденні стружки.
Норберт Зайферман про це сказав: «З шліфуванням ми б внесли ступінь ведення стружки в основному напрямку стружки - але що в такому випадку взагалі є основним напрямком стружки? Ймовірно, ми б вибрали кут стружки 0°, що є вкрай не оптимальним. Натомість при лазерній обробці геометрію можна точно адаптувати до процесу з усіх боків.»
Конструктивні зміни з наслідками
Поки що конструкція спочатку оцінювала кожен новий інструмент індивідуально, це вже стало перевіреним конструкційним принципом. Перший крок: обтічна, ріжуча геометрія, налаштована на очікувані подачі. «Це безпосередньо впливає на поведінку машини: інструменти працюють тихіше, ріжучі сили знижуються, вібрації зменшуються – і водночас можна реалізувати вищі ріжучі параметри», – зазначає Норберт Зайферман.
Конкретний випадок демонструє цей ефект: при використанні добре оброблювального матеріалу перехід на лазерний інструмент дозволив не лише суттєво покращити якість поверхні, але й заощадити цілий етап доопрацювання.
Паризький шліф замінено лазеруванням
Навіть якщо контроль стружки часто є головною метою, також на користь використання лазерних геометрій свідчать вищі швидкості різання, коротші часи обробки та кращі якості поверхні. Яскравим прикладом є так званий «Паризький шліф» – складна, шліфована гібридна геометрія для операцій різання та поздовжнього токарства. Однак ця геометрія викликала неконтрольоване утворення стружки і була більш витратною у виробництві для виробника інструментів. Завдяки переходу на лазерне рішення компанія SIMTEK змогла повністю вирішити цю проблему. Раніше шліфувальна версія вже була виключена з каталогу і замінена лазерною версією.
Стандартні геометрії з системою - і з межами
Попри всі досягнення, стандартна область залишається обмеженою універсальними геометріями, такими як, наприклад, грубе оброблення та фінішне оброблення. Вони повинні працювати для різноманітних матеріалів. Це неминуче призводить до конфліктів цілей: те, що відмінно працює у одного клієнта, може бути непридатним для іншого. Повне покриття всіх випадків використання в стандарті, отже, не є реалістичним – тут спеціальний інструмент залишається кращим вибором.
Лазерне різання з урахуванням економічності - вирішує ефективність.
Незважаючи на технологічні можливості, лазерна обробка не завжди є економічно доцільною. Особливо у випадку малих серій або простих обробок, лазерна геометрія може перевищувати фактичні потреби. Рішення завжди повинно прийматися індивідуально, залежно від матеріалу, завдання обробки, тактових і налаштувальних часів, а також очікуваної кількості. Також буває, що лазерний варіант хоч і вражає, але шліфований варіант краще вписується в тактові вимоги замовника. Тому девіз такий: не все, що технічно можливо, потрібно лазерувати – а лише те, що є економічно вигідним і процесно надійним.
Висновок: Від спеціального випадку до серійного рішення
Лазерна обробка дозволяє точно налаштовувати інструменти відповідно до конкретних вимог клієнтів – наприклад, за рахунок кругових геометрій для процесів втискання та копіювання. Це зменшує кількість змін інструментів, економить час обробки та підвищує надійність процесу. Навіть раніше важкі для контролю проблеми, такі як сплутані стружки при нарізанні різьби або наростання стружки при негативних кутках різання, можна успішно вирішити за допомогою лазерних геометрій. Те, що в SIMTEK починалося як експериментальний підхід, сьогодні стало усталеною технологією з чітко визначеними процесами. Лазерні геометрії інструментів забезпечують надійний контроль стружки, високу тривалість служби та відкривають нові можливості в розробці інструментів. Для приблизно 80-90 відсотків застосувань 3D-лазерні інструменти є реалістичною – і часто переважною – альтернативою традиційному шліфуванню – як з технічної, так і з економічної точки зору.
Автор: Ральф М. Хассенгіер
Контакт:
