Мастерские, которые решают выйти на новые рынки, часто вынуждены добавлять новое обрабатывающее оборудование или внедрять новые процессы обработки для поддержки своих усилий. В случае True Die, шаги, предпринятые ею для диверсификации своего ассортимента продукции путем производства точного круглого инструмента для глубокой вытяжки листового металла, привели к разработке эффективной стратегии для твердой токарной обработки. Цель состояла в том, чтобы исключить необходимость шлифования внутреннего диаметра (ID) и наружного диаметра (OD) круглого инструмента из закаленного порошкового металла (в первую очередь) в диапазоне до 64 HRC, что позволило бы достичь более высоких скоростей съема материала, при этом соответствуя тому, чего можно достичь шлифованием с точки зрения концентричности, чистоты поверхности и точности размеров. С тех пор это было сделано, установив возможность твердой токарной обработки диаметров и радиусов с точностью ±0,0002 дюйма.

Фактически, два из недавних приобретений станков цеха в Зеланде, штат Мичиган, являются токарными центрами, которые были приобретены в первую очередь для твердой токарной обработки. Митч Шталь — технический специалист True Die, который вместе с Крисом МакКлири, координатором токарной обработки, руководил группой станочников по разработке стратегии твердой токарной обработки цеха. Короче говоря, он говорит, что подход цеха сводится к трем взаимосвязанным концепциям: установление общей жесткости процесса, внедрение правильных типов режущих инструментов и применение соответствующих данных резки.

Ключевое слово здесь — взаимосвязанные. Г-н Шталь утверждает, что реализация только одной или двух из этих концепций не сработает; все они должны быть соответствующим образом рассмотрены для эффективного жесткого поворота. «Также важно помнить о мелких деталях при внедрении такого процесса», — отмечает он.

Настоящий кубик, ранее Contour Tool and Engineering, до того как она приобрела эту компанию в 2015 году, имеет опыт в проектировании, обработке и сборке литьевых форм для пластика и прогрессивных штампов. На своем предприятии площадью 10 000 квадратных футов она располагает разнообразным оборудованием для обработки, включая фрезерные станки с ЧПУ, токарные центры, шлифовальные станки, а также электроэрозионное оборудование для проволочной и прошивной обработки.

Брайан Браун, президент True Die, говорит, что отрасль глубокой вытяжки металла предоставила цеху возможность диверсифицироваться на новом рынке, который дополняет другие, которые он обслуживает. «Наш опыт применения глубокой вытяжки штамповки позиционировал нас как уникального поставщика инструмента, что позволило нам предложить рынку ощутимые решения и более производительные инструменты», — говорит г-н Браун. «Благодаря более чем 100-летнему совокупному опыту в проектировании, разработке и производстве вытянутых штамповок мы были хорошо подготовлены и имели полное понимание уникальных требований этой отрасли».

На момент покупки Contour занималась исключительно изготовлением пресс-форм и штампов. Развитие стратегического партнерства с компанией, занимающейся штамповкой глубокой вытяжки, позволило и двум дополнительным клиентам, которые обеспечили диверсификацию и возможность быстрого роста, магазину удалось дополнить свои предложения, создав то, что г-н Браун называет «отделом деталей», который поставляет отдельные компоненты для новых и существующих инструментов глубокой вытяжки и автоматизированного сборочного оборудования. Фактически, работа с деталями в настоящее время составляет 50 процентов продаж магазина, и компания выросла почти на 700 процентов за два года с момента выхода на рынок деталей.

Этот круглый инструмент используется в сложных, прогрессивных и глубоких штампах, используемых для создания компонентов (обычно цилиндрических) из листового металла (обычно из нержавеющей стали), в первую очередь для автомобильных применений, таких как компоненты для топливной, тормозной систем и подушек безопасности. «Изначально мы предполагали, что нам нужно будет приобрести более производительный круглошлифовальный станок для достижения требуемых допусков и отделки круглого инструмента», — говорит г-н Браун. «Однако, учитывая его опыт в твердом точении, г-н Шталь предположил, что процесс твердого точения позволит достичь точности, требуемой инструментами, и реализовать более высокую производительность, чем шлифование, из-за более высоких скоростей съема материала. Кроме того, мы также могли бы эффективно вытачивать сложные профили из закаленных материалов, шлифование которых было бы слишком дорогим и, возможно, потребовало бы операций шлифования формы».

Поскольку True Die — это цех по изготовлению деталей, размеры партий круглой оснастки невелики (часто варьируются от одной до шести штук), а ассортимент продукции высок. Длина оснастки может составлять до 20 дюймов, а диаметр — от 0,1 до 12 дюймов, и многие версии имеют высокое отношение длины к диаметру (L:D).

В цехе в основном изготавливают круглые инструменты из пруткового проката порошковых металлических сплавов, которые изготавливаются из комбинированных частиц различных металлов и легирующих элементов. Порошковый металлический «рецепт» спрессовывается в прутковую форму, которую цех сначала обрабатывает в мягком или «зеленом» состоянии перед термической обработкой, которая связывает отдельные частицы вместе, создавая закаленный компонент. В зависимости от конкретного порошкового металлического сплава твердость инструмента в зеленом состоянии по существу незначительна и может эффективно обрабатываться с использованием обычных методов токарной обработки. Однако после термической обработки твердость инструмента может составлять до 64 HRC. Обычные порошковые металлические стали, которые обрабатывает цех, включают CPM 3V, 9V и 10V, а также M2 и M4.

True Die обычно оставляет около 0,010–0,012 дюйма дополнительного припуска после токарной обработки в предварительно закаленном состоянии, чтобы обеспечить возможность последующих проходов твердой токарной обработки. Он может оставить больше припуска на деталях, которые имеют тенденцию сильно деформироваться после термообработки, например, тех, у которых высокое отношение L:D. В случае значительного коробления проблема заключается не столько в достижении допусков размера, сколько в жестких допусках концентричности. «Иногда сложнее выпрямить деформированную деталь, чем довести ее до нужного размера», — говорит г-н Шталь.

Два последних токарных центра True Die, приобретенных для твердого точения, МазакМодели Quick Turn Nexus 250 II с 12-позиционными револьверными головками (ни одна из них не имеет станций приводного инструмента). Первый из этих станков был приобретен в апреле 2016 года, а второй — в августе того же года, и они обеспечивают жесткость, необходимую цеху для формирования основы для процесса твердой токарной обработки, говорит г-н Шталь.

По словам Майка Аттера, представителя дистрибьютора станков Эдди Машинери(Гранд-Рапидс, Мичиган), которая продала станки True Die, их гибридные роликовые направляющие системы MX вносят основной вклад в их жесткость. «Ролики обеспечивают больший контакт поверхности, чем шарикоподшипники, но с меньшим трением, чем ползуны», — объясняет он. «Система также эффективно справляется с большими нагрузками, поскольку ролики имеют меньшую упругую деформацию, и они обеспечивают высокую степень демпфирующей способности, что продлевает срок службы инструмента. Она также имеет конструкцию типа X, которая эффективно распределяет нагрузку в четырех направлениях — радиальном (по часовой стрелке и против часовой стрелки), обратном радиальному и боковому — и снижает ошибки реверса при выполнении поворотных движений». Кроме того, встроенный двигатель шпинделя, используемый в этих станках, как говорят, обеспечивает лучшую концентричность при резке с большой нагрузкой, чем станки со шпинделями с ременным приводом.

Г-н Шталь говорит, что так же важно учитывать жесткость зажима заготовки и режущего инструмента во время жесткой токарной обработки. Чтобы решить первую проблему, в цехе используют цанги вместо кулачков, чтобы обеспечить большую площадь контакта с прутковой заготовкой. «Кроме того, параллельного зажима легче добиться, поскольку при использовании цанг нет подъема кулачков», — говорит г-н Шталь. «Все сопрягаемые поверхности также должны быть чистыми, включая заготовку, цангу и носик шпинделя».

True Die использует ХардингСистема быстрой смены цанг FlexC на станках Nexus (а также на многих других токарных центрах в цехе), которая обеспечивает полное указанное биение (TIR) в пределах 0,0004 дюйма. FlexC также ускоряет время настройки и переналадки по сравнению с обычными кулачковыми патронами. Эта система включает в себя узел крепления шпинделя, головки цанг и ручной ключ с триггерным отпусканием, используемый для ручной установки или замены головок цанг, когда патрон станка находится в разжатом положении.

Головки цанг состоят из сегментов из закаленной стали, которые соединены вместе методом вулканизации. Поскольку хвостовик цанги отсутствует, сегменты цанги остаются параллельными заготовке. Говорят, что параллельный зажим минимизирует «отталкивание» заготовки и требует меньшего усилия тяги для достижения той же способности захвата, что и обычные цанги. Эта система может работать с прутками диаметром до 3,25 дюйма, а типичная головка цанги FlexC имеет диапазон захвата ±0,020 дюйма меньше и больше своего номинального размера, чтобы приспособиться к изменению размера прутка без необходимости замены на цангу другого размера. В цехе используются стандартные трех- и шестикулачковые патроны для диаметров заготовок более 3,25 дюйма.

Чтобы обеспечить жесткость режущего инструмента, в первую очередь важно расположить резцы на правильной высоте центра инструмента, объясняет г-н Макклири. «Смещение от центра всего на 0,002 дюйма может вызвать дребезжание и вибрацию», — говорит он. «Кроме того, чем меньше диаметр заготовки, тем важнее высота центра инструмента». Это связано с тем, что при одинаковом расстоянии инструмента от центра заготовки доля погрешности увеличивается с уменьшением диаметра заготовки.

Вылет инструмента и свес из держателя инструмента также должны быть сведены к минимуму. Обычно определяющим фактором является зазор инструмента для внешнего точения при использовании задней бабки и глубина отверстия при расточке внутреннего диаметра. «Если вылет приводит к вибрации, первым шагом будет изменение скорости и подачи», — объясняет г-н Макклири. «Следующим шагом будет рассмотрение другого радиуса носовой части режущей пластины или подготовки кромки».

Почти во всех случаях True Die использует режущие инструменты из кубического нитрида бора (CBN) для твердого точения, в первую очередь Сумитомо. В цехе обнаружили, что CBN служит дольше керамики для очень твердых материалов, более воспроизводим и может работать с охлаждающей жидкостью. Компромисс заключается в том, что фрезы CBN стоят дороже керамических. Обычно для непрерывной резки используется марка Sumiboron BNC200, а для прерывистой резки (примерно 25 процентов круглого инструмента имеют прерывистые разрезы). Говорят, что эти пластины обеспечивают хороший баланс между трещиностойкостью и износостойкостью и имеют покрытие из нитрида титана и алюминия (TiAlN).

True Die использует ромбовидные вставки с углом от 25 до 80 градусов (обычно с отрицательной геометрией) и радиусом носа от 0,004 до 0,031 дюйма. 55-градусная вставка обычно используется для точения внешнего диаметра, с радиусом носа 0,030 дюйма для черновых операций и радиусом носа 0,015 дюйма для чистовой обработки. Более прочная 80-градусная алмазная вставка используется для сильно прерывистых резов. Для операций расточки в цехе обычно используется 80-градусная вставка с положительной геометрией.

Г-н МакКлири говорит, что существуют компромиссы при выборе между пластинами с отрицательной или положительной геометрией. «Мы обнаружили, что пластины с отрицательной геометрией прочнее пластин с положительной геометрией, а также их можно переворачивать, чтобы получить четыре пригодные для использования кромки», — объясняет он. Однако эти пластины создают большее давление резания и обеспечивают меньший зазор. Пластина с положительной геометрией режет свободнее и имеет больший зазор, но имеет более слабую режущую кромку.

Что касается данных резки, то в True Die нет четких значений для каждого применения твердой токарной обработки, поскольку они различаются в зависимости от типа материала, твердости, L:D заготовки, условий резки и т. д. В цехе может использоваться от 150 sfm для сильно прерывистых резов в очень твердых материалах до 550 sfm в более мягких материалах со скромной степенью твердости.

Г-н Шталь говорит, что типичная глубина реза (DOC), которую цех использует для финишных операций, составляет от 0,003 до 0,004 дюйма, хотя представители режущего инструмента предположили, что DOC должна быть не менее радиуса носа инструмента. Однако True Die обнаружила, что в некоторых случаях, например, когда отношение L:D заготовки превышает 20:1, давление более глубокого реза может вызвать слишком большой прогиб заготовки и часто не позволит ей выдерживать допуски. Это давление может даже передавать напряжение в деталь, вызывая ее деформацию.

Оставляя 0,010–0,012 дюйма материала для снятия после термообработки, можно выполнить три прохода твердой токарной обработки с одинаковой или близкой к ней глубиной резания 0,003 или 0,004 дюйма. Таким образом, давление инструмента будет одинаковым для каждого прохода.

«Если предыдущая деталь обработана по спецификации, оператор должен иметь возможность отвести инструмент на всю величину только что снятого материала, так что инструмент будет едва касаться детали», — объясняет г-н Шталь. «Затем нужно сделать первый проход, чтобы получить хорошую поверхность для измерения заготовки, сделать второй проход и измерить, чтобы убедиться, что операция повторяется, а затем сделать последний проход, чтобы довести заготовку до окончательного размера».

Использование этого метода позволяет мастерской нажимать на инструмент до тех пор, пока он не перестанет повторяться. Износ является нормальным и ожидаемым, и им можно управлять, пока вставка изнашивается в повторяющейся степени. Однако вставки необходимо менять или индексировать на новую кромку, если текущая кромка не повторяется.

За исключением прерывистых резов, в цехе почти во всех случаях используется охлаждающая жидкость. Она использует охлаждающую жидкость не для смывания стружки или смазки, а для поддержания детали в прохладном состоянии. «Иногда мы направляем поток охлаждающей жидкости в сторону от инертного наконечника, а в некоторых случаях даже на противоположную сторону детали», — говорит г-н МакКлири. «Высокотвердые порошковые металлические материалы генерируют много тепла во время твердой токарной обработки, в той степени, что тепловое расширение от тепла может превысить наши допустимые допуски. Кроме того, если не использовать охлаждающую жидкость, оператору придется охлаждать заготовку после твердой токарной обработки перед ее измерением. Использование охлаждающей жидкости позволяет нам мгновенно измерять деталь». В цехе не используют охлаждающую жидкость для прерывистых резов из-за возможности термического разрушения режущей кромки.

Один из двух станков True Die Quickturn Nexus зарезервирован для твердого точения, а другой иногда используется, когда требуется мощность для обычного точения. На самом деле, г-н Шталь считает, что важно выделить токарный центр для процессов твердого точения, если это возможно. «Если у вас есть работа, чтобы заполнить график станка операциями твердого точения, то зачем загружать этот станок черновой обработкой?» — спрашивает он. «В долгосрочной перспективе вам лучше оставить один станок, выделенный для твердого точения, так как я считаю, что это продлит время, в течение которого станок может эффективно выполнять эти точные операции. Кроме того, это позволяет вам держать все соответствующие токарные, торцевые и расточные инструменты настроенными на станке, что ускоряет настройку. Тем не менее, не всегда практично выделять станок для твердого точения, особенно в цехе с небольшим объемом и большим ассортиментом работ».