Warsztaty, które decydują się na ekspansję na nowe rynki, są często zachęcane do dodawania nowego sprzętu obróbczego lub przyjmowania nowych procesów obróbki w celu wsparcia swoich wysiłków. W przypadku True Die, kroki podjęte w celu zróżnicowania oferty produktów poprzez produkcję precyzyjnych okrągłych narzędzi do głębokiego tłoczenia blachy doprowadziły do opracowania skutecznej strategii toczenia na twardo. Celem było wyeliminowanie potrzeby szlifowania średnicy wewnętrznej (ID) i średnicy zewnętrznej (OD) (głównie) hartowanych okrągłych narzędzi z proszków metali o twardości do 64 HRC, co umożliwiło osiągnięcie wyższych szybkości usuwania materiału przy jednoczesnym dopasowaniu tego, co można osiągnąć szlifowaniem pod względem koncentryczności, wykończenia powierzchni i dokładności wymiarowej. Od tego czasu udało się to zrobić, ustanawiając możliwość toczenia na twardo średnic i promieni z dokładnością ±0,0002 cala.

W rzeczywistości dwa z ostatnich dodatków maszynowych do warsztatu w Zeeland, Michigan to centra tokarskie, które zostały zakupione głównie do toczenia na twardo. Mitch Stahl jest specjalistą technicznym True Die, który wraz z Chrisem McClearym, koordynatorem toczenia, kierował zespołem maszynistów w ustalaniu strategii toczenia na twardo w warsztacie. Krótko mówiąc, mówi, że podejście warsztatu sprowadza się do trzech powiązanych ze sobą koncepcji: ustanowienia ogólnej sztywności procesu, wdrożenia odpowiednich typów narzędzi skrawających i zastosowania odpowiednich danych dotyczących cięcia.

Kluczowym słowem jest tutaj wzajemne powiązanie. Pan Stahl utrzymuje, że wdrożenie tylko jednej lub dwóch z tych koncepcji nie zadziała; wszystkie muszą być odpowiednio uwzględnione, aby zapewnić skuteczne toczenie na twardo. „Równie ważne jest również zwracanie uwagi na drobne szczegóły podczas wdrażania takiego procesu” – zauważa.

Prawdziwa kostka, dawniej Contour Tool and Engineering, zanim przejęła tę firmę w 2015 r., ma doświadczenie w projektowaniu, obróbce i montażu form wtryskowych z tworzyw sztucznych i zestawów matryc progresywnych. Posiada zróżnicowany zestaw sprzętu do obróbki w swoim zakładzie o powierzchni 10 000 stóp kwadratowych, w tym frezarki CNC, centra tokarskie, szlifierki oraz urządzenia do obróbki elektroerozyjnej drutem i wgłębieniem.

Brian Brown, prezes True Die, mówi, że przemysł głębokiego tłoczenia metali stanowił dla warsztatu okazję do dywersyfikacji na nowy rynek, który uzupełnia inne, którym służy. „Nasze doświadczenie w stosowaniu głębokiego tłoczenia dało nam wyjątkową pozycję jako dostawcy narzędzi, umożliwiając nam wprowadzanie na rynek namacalnych rozwiązań i bardziej wydajnych narzędzi” — mówi pan Brown. „Dzięki ponad 100-letniemu łączonemu doświadczeniu w projektowaniu, rozwoju i produkcji tłoczonych tłoczników byliśmy dobrze przygotowani i dokładnie rozumieliśmy wyjątkowe wymagania tej branży”.

W momencie zakupu Contour zajmował się wyłącznie produkcją form i matryc. Nawiązanie strategicznego partnerstwa z firmą zajmującą się tłoczeniem głębokim umożliwiło dwóm dodatkowym klientom dywersyfikację i możliwość szybkiego wzrostu, dzięki czemu sklep mógł ładnie uzupełnić swoją ofertę, tworząc to, co pan Brown nazywa „działem detali”, który dostarcza pojedyncze komponenty do nowych i istniejących narzędzi do głębokiego tłoczenia i zautomatyzowanego sprzętu montażowego. W rzeczywistości prace nad detalami stanowią obecnie 50 procent sprzedaży sklepu, a firma wzrosła o prawie 700 procent w ciągu dwóch lat od wejścia na rynek detali.

To okrągłe narzędzie jest używane w złożonych, progresywnych i głębokotłocznych matrycach używanych do tworzenia komponentów (zwykle cylindrycznych) z blachy (najczęściej ze stali nierdzewnej), głównie do zastosowań motoryzacyjnych, takich jak komponenty do układów paliwowych, hamulcowych i poduszek powietrznych. „Pierwotnie zakładaliśmy, że będziemy musieli kupić bardziej wydajną szlifierkę cylindryczną, aby osiągnąć tolerancje i wykończenie wymaganych okrągłych narzędzi” — mówi pan Brown. „Jednakże, biorąc pod uwagę swoje doświadczenie w toczeniu na twardo, pan Stahl zasugerował, że proces toczenia na twardo zapewni precyzję wymaganą przez narzędzia i pozwoli uzyskać szybszą przepustowość niż szlifowanie ze względu na wyższe szybkości usuwania materiału. Ponadto moglibyśmy również wydajnie toczyć złożone profile w utwardzonych materiałach, których szlifowanie byłoby nieopłacalne i prawdopodobnie wymagałoby operacji szlifowania kształtowego”.

Ponieważ True Die jest warsztatem produkcyjnym, jego partie narzędzi okrągłych są niskie (często wahają się od jednej do sześciu sztuk), a asortyment produktów jest wysoki. Długość narzędzi może wynosić do 20 cali, a średnice od 0,1 do 12 cali, a wiele wersji ma wysoki stosunek długości do średnicy (L:D).

Warsztat wytwarza przede wszystkim okrągłe narzędzia z prętów ze stopów metali proszkowych, które są wykonane z połączonych cząstek różnych metali i pierwiastków stopowych. „Receptura” na metal proszkowy jest kompresowana do postaci pręta, który warsztat najpierw obrabia w stanie miękkim lub „zielonym” przed obróbką cieplną, która łączy poszczególne cząstki, tworząc utwardzony komponent. W zależności od konkretnego stopu metali proszkowych twardość narzędzia w stanie zielonym jest zasadniczo pomijalna i można je skutecznie obrabiać przy użyciu konwencjonalnych metod toczenia. Jednak po obróbce cieplnej twardość narzędzia może wynosić do 64 HRC. Typowe stale proszkowe, które warsztat obrabia, obejmują CPM 3V, 9V i 10V, a także M2 i M4.

True Die zazwyczaj pozostawia około 0,010 do 0,012 cala dodatkowego materiału po toczeniu narzędzi w stanie wstępnie utwardzonym, aby umożliwić późniejsze przejścia toczenia na twardo. Może pozostawić więcej materiału na częściach, które mają tendencję do silnego odkształcania się po obróbce cieplnej, takich jak te o wysokim L:D. W przypadku znacznego odkształcenia wyzwaniem nie jest osiągnięcie tolerancji rozmiaru, ale raczej ścisłych tolerancji koncentryczności. „Czasami trudniej jest wyprostować odkształconą część niż dopasować ją do rozmiaru” — mówi pan Stahl.

Dwa ostatnio zakupione przez firmę True Die centra tokarskie do obróbki materiałów twardych to: MazakModele Quick Turn Nexus 250 II z 12-stanowiskowymi wieżami (żadna z nich nie ma stanowisk z narzędziami roboczymi). Pierwsza z tych maszyn została zakupiona w kwietniu 2016 r., a druga później w sierpniu tego samego roku. Oferują one sztywność potrzebną warsztatowi do stworzenia fundamentu pod proces toczenia na twardo, mówi pan Stahl.

Według Mike’a Uttera, przedstawiciela dystrybutora obrabiarek Maszyny Addy(Grand Rapids, Michigan), który sprzedał maszyny True Die, ich hybrydowe systemy prowadnic rolkowych MX są głównym czynnikiem wpływającym na ich sztywność. „Rolki zapewniają większą powierzchnię styku niż łożyska kulkowe, ale przy mniejszym tarciu niż prowadnice” — wyjaśnia. „System ten skutecznie radzi sobie również z dużymi obciążeniami, ponieważ rolki powodują mniejsze odkształcenia sprężyste i zapewniają wysoki stopień tłumienia, co wydłuża żywotność narzędzia. Posiada również konstrukcję typu X, która skutecznie rozkłada obciążenie w czterech kierunkach — promieniowo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara), odwrotnym promieniowo i bocznym — i zmniejsza błędy odwrócenia podczas wykonywania ruchów na zakrętach”. Ponadto integralny silnik wrzeciona używany w tych maszynach ma zapewniać lepszą koncentryczność podczas cięcia pod dużym obciążeniem niż maszyny z wrzecionami napędzanymi paskiem.

Pan Stahl mówi, że równie ważne jest uwzględnienie mocowania przedmiotu obrabianego i sztywności narzędzia skrawającego podczas toczenia na twardo. Aby rozwiązać ten pierwszy problem, warsztat używa tulei zaciskowych zamiast szczęk, aby zapewnić większą powierzchnię styku z prętem. „Ponadto równoległe zaciskanie jest łatwiejsze do osiągnięcia, ponieważ nie ma podnoszenia szczęk za pomocą tulei zaciskowych” — mówi pan Stahl. „Wszystkie powierzchnie współpracujące również muszą być czyste, w tym przedmiot obrabiany, tuleja zaciskowa i końcówka wrzeciona”.

True Die używa HardingeSystem tulei zaciskowej FlexC Quick-C na maszynach Nexus (jak również na wielu innych centrach tokarskich w warsztacie), który oferuje całkowite wskazane bicie (TIR) w granicach 0,0004 cala. FlexC przyspiesza również czas konfiguracji i wymiany w porównaniu do konwencjonalnych uchwytów szczękowych. Ten system obejmuje zespół mocowania wrzeciona, głowice tulei zaciskowej i ręczny klucz ze spustem zwalniającym, używany do ręcznego instalowania lub wymiany głowic tulei zaciskowej, gdy uchwyt maszyny znajduje się w pozycji odmocowanej.

Głowice tulei zaciskowej składają się z hartowanych stalowych segmentów, które są łączone ze sobą w procesie wulkanizacji. Ponieważ nie ma trzonka tulei zaciskowej, segmenty tulei zaciskowej pozostają równoległe do materiału. Mówi się, że równoległe zaciskanie minimalizuje „odpychanie” materiału i wymaga mniejszej siły drążka pociągowego, aby osiągnąć taką samą zdolność chwytania jak konwencjonalne tuleje zaciskowe. Ten system może pomieścić średnice prętów do 3,25 cala, a typowa głowica tulei zaciskowej FlexC ma zakres chwytania ±0,020 cala mniejszy i większy od jej nominalnego rozmiaru, aby dostosować się do zmian rozmiaru pręta bez konieczności zmiany na tuleję zaciskową o innym rozmiarze. Warsztat używa standardowych uchwytów trzy- i sześcioszczękowych do średnic obrabianych przedmiotów większych niż 3,25 cala.

Aby zapewnić sztywność narzędzia skrawającego, najpierw ważne jest ustawienie frezów na właściwej wysokości środka narzędzia, wyjaśnia pan McCleary. „Odchylenie od środka o zaledwie 0,002 cala może powodować drgania i wibracje”, mówi. „Ponadto im mniejsza średnica przedmiotu obrabianego, tym ważniejsza jest wysokość środka narzędzia”. Dzieje się tak, ponieważ przy tej samej odległości narzędzia od środka przedmiotu obrabianego, odsetek błędów wzrasta wraz ze zmniejszaniem się średnicy przedmiotu obrabianego.

Należy również zminimalizować wystawanie i wysuwanie się narzędzia z uchwytu narzędzia. Zazwyczaj decydującym czynnikiem jest luz narzędzia przy toczeniu zewnętrznym przy użyciu konika i głębokość otworu przy rozwiercaniu średnic wewnętrznych. „Jeśli wysunięcie powoduje drgania, pierwszym krokiem jest modyfikacja prędkości i posuwów”, wyjaśnia pan McCleary. „Kolejnym krokiem byłoby rozważenie innego promienia ostrza płytki narzędzia skrawającego lub przygotowania krawędzi”.

W większości przypadków True Die wykorzystuje narzędzia skrawające z azotku boru (CBN) do obróbki na twardo, głównie Sumitomo. Warsztat odkrył, że CBN jest trwalszy od ceramiki w przypadku bardzo twardych materiałów, jest bardziej powtarzalny i można go używać z chłodziwem. Wadą jest to, że frezy CBN są droższe od ceramicznych. Zazwyczaj używa się gatunku Sumiboron BNC200 do cięcia ciągłego i gatunku BNC300 do cięcia przerywanego (około 25 procent okrągłych narzędzi ma cięcie przerywane). Mówi się, że te płytki oferują dobrą równowagę między odpornością na pękanie i zużycie, a także mają powłokę z azotku tytanu i aluminium (TiAlN).

True Die używa płytek w kształcie diamentu o zakresie od 25 do 80 stopni (zwykle o ujemnej geometrii) i promieniach naroży od 0,004 do 0,031 cala. Płytka 55-stopniowa jest powszechnie używana do toczenia OD, z promieniem naroża 0,030 cala do obróbki zgrubnej i promieniem naroża 0,015 cala do obróbki wykańczającej. Mocniejsza płytka diamentowa 80 stopni jest używana do silnie przerywanych cięć. Do operacji rozwiercania warsztat powszechnie używa płytki 80 stopni o dodatniej geometrii.

Pan McCleary mówi, że istnieje kompromis przy wyborze między płytkami o geometrii ujemnej lub dodatniej. „Odkryliśmy, że płytki o geometrii ujemnej są mocniejsze niż płytki o geometrii dodatniej, a także można je odwrócić, aby uzyskać cztery użyteczne krawędzie”, wyjaśnia. Jednak te płytki wytwarzają większy nacisk skrawania i oferują mniejszy luz. Płytka o geometrii dodatniej tnie swobodniej i ma większy luz, ale jest słabszą krawędzią skrawającą.

Jeśli chodzi o dane dotyczące cięcia, nie ma stałych wartości dla każdego zastosowania toczenia na twardo w True Die, ponieważ różnią się one w zależności od rodzaju materiału, twardości, L:D obrabianego przedmiotu, warunków cięcia itd. Warsztat może pracować na poziomie od 150 sfm w przypadku silnie przerywanych cięć w bardzo twardych materiałach do 550 sfm w przypadku łagodniejszych materiałów o umiarkowanym stopniu twardości.

Pan Stahl mówi, że typowa głębokość cięcia (DOC), którą warsztat stosuje do operacji wykańczających, wynosi od 0,003 do 0,004 cala, mimo że przedstawiciele narzędzi skrawających zasugerowali, że DOC powinien wynosić co najmniej tyle, ile wynosi promień ostrza narzędzia. Jednak True Die odkryło, że w niektórych przypadkach, na przykład gdy stosunek L:D przedmiotu obrabianego jest wyższy niż 20:1, nacisk głębszego cięcia powodowałby zbyt duże ugięcie przedmiotu obrabianego i często uniemożliwiałby utrzymanie tolerancji. Ten nacisk może nawet nadać części naprężenie, powodując jej odkształcenie.

Pozostawiając 0,010 do 0,012 cala materiału do usunięcia po obróbce cieplnej, można wykonać trzy przejścia toczenia na twardo przy lub około tej samej głębokości obróbki 0,003 lub 0,004 cala. W ten sposób nacisk narzędzia jest taki sam dla każdego przejścia.

„Jeśli poprzednia część jest obrócona zgodnie ze specyfikacją, operator powinien być w stanie cofnąć narzędzie o całkowitą ilość materiału, który został właśnie usunięty, tak aby narzędzie ledwo ocierało się o część” — wyjaśnia pan Stahl. „Następnie chodzi o wykonanie pierwszego przejścia, aby uzyskać dobrą powierzchnię do pomiaru przedmiotu obrabianego, wykonanie drugiego przejścia i dokonanie pomiaru, aby upewnić się, że operacja się powtarza, a następnie wykonanie ostatniego przejścia, aby doprowadzić przedmiot obrabiany do ostatecznego rozmiaru”.

Użycie tej metody umożliwia warsztatowi pchanie narzędzia, aż przestanie się powtarzać. Zużycie jest normalne i oczekiwane, i można sobie z nim poradzić, dopóki wkładka zużywa się w powtarzalnym stopniu. Jednak wkładki muszą zostać wymienione lub zindeksowane do świeżej krawędzi, jeśli bieżąca krawędź się nie powtarza.

Poza cięciami przerywanymi, warsztat pracuje z chłodziwem w prawie wszystkich przypadkach. Używa chłodziwa nie do wypłukiwania wiórów lub zapewnienia smarowania, ale raczej do utrzymania części w chłodzie. „Czasami kierujemy przepływ chłodziwa z dala od obojętnej końcówki, nawet po przeciwnej stronie części w niektórych przypadkach” — mówi pan McCleary. „Materiały z proszków metali o wysokiej twardości generują dużo ciepła podczas toczenia na twardo do tego stopnia, że rozszerzalność cieplna spowodowana ciepłem może przekroczyć nasze dopuszczalne tolerancje. Ponadto, jeśli nie zostanie użyte chłodziwo, operator musiałby schłodzić obrabiany przedmiot po toczeniu na twardo przed jego zmierzeniem. Użycie chłodziwa umożliwia nam natychmiastowy pomiar części”. Warsztat nie używa chłodziwa do cięć przerywanych ze względu na możliwość pęknięcia termicznego krawędzi skrawającej.

Jedna z dwóch maszyn Quickturn Nexus firmy True Die jest zarezerwowana do obróbki tokarskiej, podczas gdy druga jest czasami używana, gdy potrzebna jest pojemność do toczenia konwencjonalnego. W rzeczywistości pan Stahl uważa, że ważne jest, aby w miarę możliwości przeznaczyć centrum tokarskie do obróbki tokarskiej. „Jeśli masz pracę, aby wypełnić harmonogram maszyny operacjami wykańczającymi toczenia tokarskiego, to po co niszczyć tę maszynę, wykonując na niej również obróbkę zgrubną?” pyta. „Na dłuższą metę lepiej jest zachować jedną maszynę przeznaczoną do obróbki tokarskiej, ponieważ uważam, że wydłuża to czas, w którym maszyna może skutecznie wykonywać te precyzyjne operacje. Ponadto umożliwia to przechowywanie wszystkich odpowiednich narzędzi tokarskich, czołowych i rozwiercających ustawionych w maszynie, co przyspiesza ustawianie. To powiedziawszy, nie zawsze praktyczne jest przeznaczanie maszyny do obróbki tokarskiej, szczególnie w warsztacie o małej objętości i dużej różnorodności”.