Korzyści z zastosowania prowadnic hydrostatycznych w obróbce tytanu i Inconelu

Wystarczy lekkie pchnięcie, a dwunastotonowa kolumna przyspiesza na łożu maszyny, bez konieczności dodatkowych czynności. To właśnie stąd bierze się beztarciowy poślizg, który zapewnia znacznie wyższe tempo usuwania materiału, lepszą dynamikę oraz dłuższą żywotność narzędzia.

Od wielu lat maszyny Starrag wyznaczają standardy w ekonomicznej obróbce elementów konstrukcyjnych, wielopłaszczyznowych i obudów, wymaganych w przemyśle lotniczym i energetycznym. Seria STC jest idealnie dostosowana do jednoczesnej 5-osiowej ciężkiej obróbki części z tytanu i Inconelu ze względu na doskonałe właściwości statyczne i dynamiczne.

Maszyny są wyposażone w wytrzymałe wrzeciona z przekładnią oraz niezwykle kompaktową obrotową głowicę frezarską, która umożliwia stosowanie krótszych, a tym samym bardziej stabilnych narzędzi, co przyczynia się do wydajnej obróbki. Aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność obróbki tytanu, specjaliści od obróbki ciężkiej w firmie Starrag przeprowadzili szereg badań. Bernhard Güntert, kierownik działu testów, wyjaśnia: „Najważniejsze punkty to sztywność i właściwości tłumiące maszyny. Mają one istotny wpływ na możliwą głębokość skrawania i zużycie narzędzia, a tym samym na efektywność ekonomiczną”.

Hydrostatyka zwiększa wydajność

Najistotniejszy wynik testu: pod względem tłumień drgań prowadnice hydrostatyczne nie mają sobie równych. Jest to obszar, w którym Starrag ma już doświadczenie.

Rainer Hungerbühler, dyrektor ds. sprzedaży w branży lotniczej i turbinowej, wspomina: „Już ponad 15 lat temu mieliśmy centra obróbcze wyposażone w prowadnice hydrostatyczne. Jednak dynamika tych maszyn pozostawiała wiele do życzenia, więc wyposażyliśmy kolejne serie STC w prowadnice rolkowe. Biorąc pod uwagę dzisiejsze tempo usuwania materiału podczas obróbki zgrubnej, prowadnice hydrostatyczne mają znaczne korzyści pod względem dynamiki”.

Spojrzenie za kulisy techniczne

Rolando Senn jest głównym projektantem hydrostatyki i wyjaśnia zalety tej technologii: „Zasadniczą cechą prowadnic hydrostatycznych jest stała obecność filmu olejowego pomiędzy prowadnicą a łożem lub stojącą częścią konstrukcyjną. Oznacza to, że nie ma kontaktu między prowadnicami, a wózek porusza się całkowicie bez tarcia”. Ze względu na brak tarcia nie występuje zużycie, a olej tłumi drgania występujące podczas obróbki. Duże powierzchnie styku zapewniają również ogromną sztywność. „Zwiększyliśmy ją jeszcze bardziej, wybierając system z wstępnie naprężonymi prowadnicami zamiast statycznie otwartego systemu”, wyjaśnia Rolando Senn.

Aby móc sklasyfikować te mocne strony, konieczne jest przyjrzenie się podstawowym cechom innych systemów prowadnic. Na przykład prowadnice hydrodynamiczne wykazują wiele podobnych właściwości do prowadnic hydrostatycznych, jednak mają jedną poważną wadę: elementy prowadnicy stykają się podczas postoju. Warstwa olejowa, która je rozdziela, formuje się jedynie w trakcie ruchu, co oznacza, że tarcie statyczne musi być zlikwidowane podczas uruchamiania, prowadząc do niepożądanego efektu stick-slip.

Czyste prowadnice ślizgowe również wykazują efekt stick-slip i dodatkowo podlegają wysokiemu tarciu i związanemu z nim zużyciu. Prowadnice rolkowe nie są tak podatne na tarcie i zużycie, jednak są również mniej sztywne i mają ograniczone właściwości tłumiące. Ponadto podczas procesu toczenia występują mikrodrgania, które mogą negatywnie wpłynąć na jakość powierzchni podczas operacji obróbki wykańczającej.

Potrójna ilość wiórów podczas obróbki zgrubnej

Użytkownik czerpie największe korzyści z zastosowania prowadnic hydrostatycznych podczas obróbki zgrubnej. Dzięki znacznie większej sztywności i tłumieniu drgań w porównaniu z prowadnicami rolkowymi, głębokość skrawania można zwiększyć nawet trzykrotnie. Czasy obróbki zgrubnej są znacznie krótsze. Efekt tłumienia jest wyraźnie słyszalny.

Jak relacjonuje Rainer Hungerbühler, podczas testowej obróbki nawet doświadczeni operatorzy byli zaskoczeni:

„Staliśmy tuż obok maszyny i prawie nie zauważyliśmy żadnego hałasu ani wibracji. Dopiero rzut oka przez okno wziernikowe pokazał nam, że proces skrawania już się rozpoczął, frez był w ruchu i leciały naprawdę grube wióry tytanowe”. Nowa wersja STC 1250 HD korzysta również z hydrostatycznych prowadnic podczas obróbki wykańczającej. Zwiększona sztywność zmniejsza przechyły kolumny, co redukuje nagłe szarpnięcia i przyspieszenia.”

Aby wzmocnić dynamikę, zdecydowaliśmy się na zastosowanie bardziej wytrzymałych elementów napędowych w STC 1250 HD ” – dodaje Rolando Senn. „Zamiast używać śruby kulowej o średnicy 63 mm, jak wcześniej, teraz używamy śruby o średnicy 80 mm w HD. Oznacza to o 61% większy przekrój poprzeczny, co przekłada się w stosunku 1:1 na sztywność w kierunku osiowym”. Większa dynamika jest zauważalna w wyższych prędkościach początkowych, przyspieszeniach oraz szybszych ruchach w pięciu osiach. Ostatecznie prowadzi to do skrócenia czasu obróbki wykańczającej.

Znacznie mniejsze zużycie narzędzi

Jednym z głównych czynników kosztowych w obróbce tytanu są narzędzia, które ulegają intensywnemu zużyciu. Dzięki doskonałemu tłumieniu, możliwa jest znacząca poprawa w tym obszarze poprzez wydłużenie żywotności narzędzi, nawet przy zwiększonych prędkościach skrawania.

Według Rolando Senna daje to ogromny potencjał oszczędności: „Przy intensywnym użytkowaniu maszyny, oszczędności sprawiają, że na dodatkowe koszty związane z zastosowaniem hydrostatyki można spojrzeć z zupełnie innej strony”.

Brak tarciowego ruchu dwóch osi liniowych oraz eliminacja mikrodrgań wpływa również korzystnie na dokładność i jakość powierzchni, szczególnie w przypadku 5-osiowej obróbki symultanicznej z częstymi zmianami kierunku

Firma zapewnia dalszą optymalizację procesu poprzez wyposażenie prowadnic hydrostatycznych w czujniki ciśnienia i temperatury. Użytkownicy mogą w ten sposób monitorować obciążenia prowadnic w trakcie procesu i wykorzystywać zapisane dane do dalszych modyfikacji

Prawdziwe wartości widać w praktyce

Na przykładzie typowego elementu konstrukcyjnego, drzwi ramowych o wymiarach 80 × 300 × 1220 mm, firma przeprowadziła porównanie z poprzednim modelem STC 1250. Kuta część wykonana z Ti6Al4V, ważąca 37,1 kg i posiadająca naddatek 13 mm z każdej strony, wymagała obróbki do 5,5 kg. Wymogi specyfikacji: idealna powierzchnia z cienkimi ściankami i dnem. Dzięki zastosowaniu hydrostatycznej frezarki STC 1250 HD, czas obróbki zgrubnej został skrócony o połowę, a całkowity czas obróbki o 30%.

Wartości te można wykorzystać do obliczenia kolejnej, początkowo niespodziewanej korzyści: zmniejszonego zużycia energii podczas obróbki zgrubnej. Wynika to z faktu, że skrócony o połowę czas obróbki zgrubnej pozwala użytkownikowi – mimo o jedną trzecią wyższego zużycia energii – zużywać tylko połowę wcześniej wymaganej mocy napędu, a także moc obciążenia podstawowego, na którą składa się pobór mocy układu chłodziwa, hydrauliki, pneumatyki, chłodzenia itp. Ogólnie rzecz biorąc, przykładowy komponent zużywa o 33% mniej energii.

Kolejny plus: minimalna konieczność konserwacji

Ze względu na brak tarcia, prowadnice systemu hydrostatycznego nie ulegają zużyciu, podczas gdy w przypadku prowadnic rolkowych konieczna jest ich wymiana co pięć do dziesięciu lat. Ponadto cały układ hydrauliczny jest niezwykle łatwy w konserwacji.

Oto krótkie spojrzenie na technologię prowadnic hydrostatycznych. W maszynie Starrag STC 1250 HD jednostka hydrostatyczna aktywnie dostarcza olej do kieszeni ciśnieniowych płyt prowadzących pod ciśnieniem 80 barów. Wytwarza się tam dynamiczne ciśnienie, które tworzy szczelinę 0,02 do 0,03 mm wypełnioną olejem między łożem a prowadnicą. Olej, który stale wydostaje się na krawędź prowadnicy, przepływa z powrotem wzdłuż łoża do pojemnika zbiorczego. Kolejna pompa dostarcza go z powrotem do jednostki hydrostatycznej poprzez filtr przełączający.

Producent zapobiega niepożądanemu mieszaniu oleju hydrostatycznego z innymi olejami. Rolando Senn wyjaśnia: „Używamy również oleju hydrostatycznego do smarowania stołu obrotowego i innych łożysk. Nawet w przypadku utraty niewielkich ilości oleju z tych komponentów, trafia on do zbiornika hydrostatycznego, gdzie nie powoduje żadnych uszkodzeń. Wręcz przeciwnie. Jeśli z czasem ilość ta nieznacznie wzrośnie, można spuścić trochę oleju i wykorzystać go do usunięcia zanieczyszczeń zebranych na korku spustowym”.

Aby uniknąć konieczności serwisowania i konserwacji oraz zapewnić bezpieczeństwo procesów, firma chroni prowadnice i związany z nimi obwód hydrostatyczny przed brudem, wodą i wiórami na dwa sposoby: za pomocą teleskopowych stalowych osłon i mieszków pod spodem.

Producent przewidział również najgorszy scenariusz, czyli awarię, i zdefiniował początkowy punkt zużycia. Kieszenie dociskowe zainstalowane w prowadnicach są wykonane z materiału, który jest znacznie bardziej miękki niż łoże maszyny i dlatego może absorbować większość energii. Ponieważ kieszenie te są łatwe do wymiany, uszkodzenia można łatwo usunąć.

A co z kosztami?

Prowadnica hydrostatyczna jest droższa niż prowadnica rolkowa. Oczywiście znajduje to odzwierciedlenie w kosztach zakupu maszyny. Ostatecznie jednak liczą się koszty jednostkowe. Ze względu na krótsze czasy obróbcze, wyższa cena zakupu jest zwykle amortyzowana w stosunkowo krótkim czasie.