Jak wykorzystać potencjał tokarek CNC w zakładzie produkcyjnym

Gdy zagłębimy się w świat obrabiarek, tokarka wyróżnia się jako fundamentalna i wszechstronna maszyna, która ma zastosowanie w bardzo szerokim przemyśle. Jej zdolność do kształtowania materiałów w precyzyjne formy ma kluczowe znaczenie w wielu branżach, od skomplikowanego zegarmistrzostwa po solidne komponenty lotnicze.

Poniższy artykuł ma na celu pokazanie czym są tokarki. Pokazanie zastosowania tych maszyn oraz korzyści z ich użytkowania. Na koniec przytoczymy krótkie studium przypadku bazujące na wdrożeniu tych maszyn w firmie Koelner, zajmującej się produkcją śrub dla przemysłu.

Co to są tokarki CNC?

Tokarki to grupa maszyn technologicznych przeznaczonych głównie do precyzyjnej obróbki detali obrotowych, dzięki nim można wykonywać między innymi takie elementy  jak: wały, tuleje, tarcze, trzpienie itp. Sam proces obróbki polega na wprawieniu w ruch obrotowy  półfabrykatu (np.: wał, rura), który wykonuje ruch obrotowy wokół własnej osi, zaś ruch posuwowy wykonuje narzędzie skrawające.

Maszyny typu CNC zostały opracowane w odpowiedzi na rosnące potrzeby produkcyjne dotyczące wytwarzania powtarzalnych i precyzyjnych detali. Zaczęły być powszechnie stosowane w latach 80., rewolucjonizując proces produkcji i stopniowo wypierając tradycyjne tokarki konwencjonalne.

Maszyny skrawające konwencjonalne, a sterowane numerycznie CNC

Największą różnicą  pomiędzy obrabiarkami konwencjonalnymi, a sterowanymi numerycznie CNC jest sposób ich sterowania. W pierwszym przypadku za wszystkie ruchy obrabiarki odpowiedzialny jest operator, który za pomocą odpowiednich dźwigni i pokręteł ustawią maszynę tak aby realizowała odpowiednie zadania technologiczne.

W przypadku maszyn sterowanych numerycznie odpowiedzialnym za realizację odpowiedniej trajektorii ruchu narzędzia jest sterownik, który realizuje wszystkie ruchy na podstawie wcześniej przygotowanego programu NC.

Pomimo wszechobecnej automatyzacji mogłoby się wydawać, że obrabiarki konwencjonalne mają coraz mniejsze zastosowanie w przemyśle. Jednak nie wszystkie zadania technologiczne wymagają stosowania obrabiarek sterowanych numerycznie.

Dobrym przykładem są firmy zajmujące się produkcją jednostkową czy wydziały utrzymania ruchu, wszędzie tam gdzie np. jest potrzebna szybka reakcja przy założeniu wykonania niewielkiej modyfikacji (zmiana średnicy, która wynikła np. podczas montażu) obrabianego elementu.

Obrabiarki konwencjonalne używa się również do przygotowania półfabrykatu do następnych operacji technologicznych, które mogą być już realizowane na innych maszynach np. obrabiarkach CNC.

Obecnie produkowane obrabiarki konwencjonalne są wyposażane w cyfrowe odczyty liniowe, które zwiększają dokładność odczytu pozycji np. narzędzia skrawającego, a tym samym mogą istotnie wpływać na dokładność przeprowadzanej obróbki.

Zalety stosowania tokarek CNC w zakładach produkcyjnych

Obróbka skrawaniem realizowana za pomocą maszyn CNC to jedna z najefektywniejszych metod produkcji. Jej głównym celem jest zwiększenie wydajności produkcji, poprzez większą ilość wyprodukowanych detali w danej jednostce czasu, a co za tym idzie obniżenie kosztów i lepszy wynik ekonomiczny.

Posiadanie tokarki CNC w ramach parku maszynowego to również większa uniwersalność i elastyczność produkcji uzyskiwanej dzięki nim. W przypadku zastosowanie tokarek sterowanych numerycznie CNC warto zwrócić uwagę na możliwości ich doposażenia o opcje rozszerzające możliwości technologiczne takie jak: podajniki pręta czy integrację z robotem przemysłowym.

Nowoczesne tokarki CNC posiadają możliwość podpięcia maszyny do sieci, a co za tym idzie jej zdalne serwisowanie, przesyłanie programów NC z innego stanowiska czy też  monitorowanie produkcji. Oferta tych opcji jest uzależniona od dostawcy tokarki i warto wziąć ją pod uwagę w procesie podejmowania decyzji o wyborze dostawcy tych urządzeń.

Korzyści wynikające z wykorzystania tokarek CNC

Zastosowanie maszyn CNC w obróbce metali może wpłynąć na lepszy wynik ekonomiczny firmy uzyskany dzięki redukcji kosztów wytworzenia, które pozwalają między innymi wygenerować dodatkowe środki na rozwój firmy oraz pozyskać nowe rynki zbytu dzięki zwiększeniu potencjału produkcyjnego.

Inwestowanie w nowoczesne technologie to również ważny aspekt w zakresie wizerunku firmy na zewnątrz i wewnątrz. Park maszynowy wyposażony w nowoczesne maszyny CNC jest doceniany przez zewnętrznych klientów, dostawców jak również kadrę pracowniczą.

Zwiększenie precyzji produkcji

Najistotniejszym elementem jest uzyskana dzięki tokarkom CNC powtarzalność produkcji i dokładności wymiarowo kształtowej obrabianych detali. Tokarki sterowane numerycznie gwarantują wysoką powtarzalność i dokładność pozycjonowania.

Duża wymagania stawiane przez klientów co do dokładność obrabianego detalu powoduje, że producenci maszyn CNC muszą na bieżąco rozwijać swój produkt. Między innymi dzięki takim działaniom  jest możliwe monitorowanie procesu skrawania oraz automatyczne wprowadzanie korekt w jego przebiegu przez sterownik maszyny CNC.

Główne zastosowania tokarek CNC

Tokarki mają zastosowanie w trzech różnych obszarach: produkcja seryjna, wykonanie elementów o skomplikowanych kształtach i prototypowanie.

Produkcja seryjna detali skupia się na optymalizacji czasu wykonania, skróceniu czasów pobocznych oraz zmniejszeniu zużycia materiału dlatego najczęściej wykorzystuje się w niej automatyzację, dodatkowe wyposażenie jak np. podajniki pręta ograniczające pracę człowieka.

Wykonywanie elementów o skomplikowanych kształtach wymaga zastosowania obróbki wieloosiowej oraz oprogramowania typu CAM. Takie rozwiązanie wymaga również napisania odpowiedniego postprocesora, który uwzględnia kinematykę danej maszyny CNC.

Postprocesor odpowiedzialny jest z wygenerowanie programu NC dedykowanego dla danej maszyny CNC z kodu pośredniego stworzonego w oprogramowaniu typu CAM. Trajektoria ruchu narzędzia w programie CAM generowana jest na podstawie wcześniej przygotowanych modeli 3D elementów obrabianych.

Tokarki sterowane numerycznie CNC znajdują zastosowanie również w firmach zajmującymi się produkcją jednostkową maszyn i urządzeń na indywidualne zlecenie klienta. W tego typu rodzaju produkcji występują części maszyny, które wymagają odpowiedniego dopasowania – elementy prototypowe.

Sam proces prototypowania odbywa się w sposób elastyczny dzięki zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania poprzez wprowadzenie do programu właściwych korekt kształtu czy skorygowanych wymiarów obrabianego detalu – detal prototypowy.

Szkolenie personelu obsługującego tokarki CNC

Podstawowe szkolenie operatora CNC trwa około 3-4 dni. Przeszkolenie w zakresie obsługi tokarki trwa nieco dłużej niż frezarki ponieważ obsługa tokarki CNC  wymaga większej ostrożności i większych umiejętności w zakresie mocowania detalu i samej obróbki.

Konstrukcja nowoczesnych tokarek zapewnia bezpieczeństwo operatora podczas pracy dzięki zwartej konstrukcji i zabezpieczeniom, jednak nadal ryzyko jest większe niż w przypadku frezarek.

Rodzaje sterowania CNC stosowanych w tokarkach

W przypadku maszyn sterowanych numerycznie za sterowanie poszczególnymi podzespołami maszyny odpowiedzialny jest sterownik. Na rynku dostępnych jest bardzo wiele różnych odmian sterowań dedykowanych tym maszynom.

W zależności od producenta obrabiarek CNC, do określonego typu obrabiarki  może być dostępnych nawet do kilku różnych sterowań. Dlatego osoby odpowiedzialne za zakupy nowych obrabiarek w zakładach przemysłowych muszą podjąć bardzo ważną decyzję co do wyboru odpowiedniego sterowania.

Do najbardziej popularnych sterowań dostępnych na rynku można zaliczyć między innymi sterowania (Rys.1):

• Heidenhain,
• Sinumerik,
• Fanuc, itp.

Jednym z kryteriów doboru odpowiedniego sterowania może być łatwość programowania kodu NC. Samo programowanie maszyny sterowanej numerycznie możemy podzielić na trzy typy:

• programowanie dialogowe (z pulpitu),
• programowanie parametryczne (dla bardziej zaawansowanych programistów),
• programowanie z zastosowaniem oprogramowania typu CAD/CAM.

W zależności od profilu produkcji i skomplikowania poszczególnych elementów firmy produkcyjne wybierają najbardziej optymalny sposób programowania dla swoich potrzeb. Dlatego producenci sterowań oferują gotowe rozwiązania technologiczne które ułatwiają pracę operatorowi przez zastosowanie dedykowanych nakładek typu WOP (Programowanie zorientowane warsztatowo).

W przypadku toczenia najbardziej popularnymi rozwiązaniami są ShopTurn – Sinumerik czy Manual Guide – Fanuc. Nakładki te mają jako główne zadanie ułatwić proces programowania trajektorii ruchu narzędzia, tak aby operator bez znajomości G-code mógł po krótkim szkoleniu samodzielnie wykonać program NC.

Należy również zwrócić uwagę przy wyborze dostawcy maszyn czy oferuje on możliwość podnoszenia wersji oprogramowania. Takie rozwiązanie gwarantuje posiadanie najnowszego oprogramowanie wraz z wszystkim poprawkami oraz dodatkowymi opcjami przygotowanymi przez producenta.

Małe serie, a duże serie

Sam sposób programowania obrabiarek CNC jest ściśle powiązany z wielkością serii jaka jest realizowana. W produkcji seryjnej jak i wielkoseryjnej każda sekunda odgrywa bardzo duża znaczenie, ponieważ jeżeli uda się zoptymalizować program NC lub parametry technologiczne to każda sekunda zredukowana pomnożona przez wielkość serii przynosi globalnie bardzo duże korzyści ekonomiczne.

Dlatego bardzo istotne jest intensyfikacja procesu obróbki poprzez dodatkową optymalizację jaką może być również automatyczne podawanie półfabrykatu.

W przypadku operacji tokarskich bardzo dobrym rozwiązaniem jest doposażenie tokarki w dodatkowe urządzenie wspomagające podawanie półfabrykatu jakim jest podajnik pręta (Rys. 2).

Skrócenie czasu obróbki

Dzięki możliwościom sterowania CNC oraz oprogramowaniu typu CAM produkcja złożonych detali o skomplikowanych kształtach na tokarkach CNC jest zdecydowanie szybsza do wdrożenia.

Optymalizacja produkcji polega również na wykorzystaniu oprogramowania inżynierskiego do projektowania i przygotowania produkcji oraz  tworzenia zaplecza logistycznego przed fizycznym rozpoczęciem produkcji.

Ważnym zagadnieniem jest wirtualna optymalizacja obrabiarek i procesu produkcyjnego oparta na użytkowanych w przemyśle pakietach oprogramowania i tutaj coraz częściej stosowane jest rozwiązanie symulacji obróbki zarówno jako opcja w sterowaniu ale też zewnętrzne rozwiązanie.

Funkcja jednoczesnej symulacji obróbki pozwalająca na sprawdzenie poprawności napisanego programu bezpośrednio w układzie sterowania, daj to możliwość przeglądania na ekranie sterowania poszczególnych fragmentów w powiększeniu co ma znaczenia w przypadku skomplikowanej obróbki.

Podajnik pręta

Jest to urządzenie służące między innymi do zautomatyzowania ciągłego podawania prętów/rur do tokarki. Ułatwia to pracę operatorom oraz pozwala na skrócenie do niezbędnego minimum czasu przygotowania całej operacji.

Podajnik pręta cechuje się kompaktową konstrukcją, co oznacza, że ma stosunkowo niewielkie wymiary. Zastosowanie takiego rozwiązania znacząco zwiększa produktywności obróbki.

Należy jednak zwrócić uwagę, że wykorzystanie podajnika pręta znajduje zastosowanie w produkcji seryjnej i wielkoseryjnej. Wynika to z faktu, że przygotowanie takiego urządzenia do produkcji wiąże się dodatkowym czasem potrzebnym na jego ustawienie.

Możliwość frezowania

Kolejnym aspektem, na który warto zwrócić uwagę podczas projektowania procesów technologicznych jest możliwość łączenia operacji tokarskich z operacjami frezarskim czy też wiertarskimi.

Nowoczesne automaty tokarskie sterowane numerycznie np. seria i-42 (Rys.3) lub tokarki z dodatkową osią Y np. seria VTY posiadają  możliwość wykonywania operacji frezarskich oraz wiertarskich (wiercenie otworów nieosiowych). Oznacza to, że w znaczący sposób można przyspieszyć proces realizacji określonego zadania technologicznego (np. toczenie + wiercenie) na jednej tokarce CNC.

W przypadku braku takiej możliwości dla wyżej wymienionego zadania technologicznego należałoby wykonać to zadanie w pierwszej kolejności na tokarce, a następnie na frezarce czyli musiałyby zostać zastosowane dwie operacje technologiczne.

Konieczność obróbki w jednym zamocowaniu powoduje dobór maszyn o bardziej złożonej konstrukcji zapewniającej sterowanie w wielu osiach. Rozwiązanie takie jak wrzeciono przechwytujące ma zastosowanie w obróbce dwustronnej przedmiotu.

Jeżeli detal toczony ma być dodatkowo frezowany należy dobrać tokarkę z osią Y oraz napędzanymi narzędziami, które są umieszczane w głowicy rewolwerowej tokarki.

Oprawki napędzane

Oprócz samych możliwości technicznych wykonywania dodatkowych zadań technologicznych (frezowania czy też toczenia) na tokarce CNC, potrzebne jest również zastosowanie odpowiednich oprawek.

Zadaniem tych oprawek jest napędzanie narzędzia skrawającego, stąd też ich nazwa – oprawki napędzane. Innymi słowy oprawki napędzane odpowiedzialne są za przeniesienie obrotów oraz momentu z głowicy narzędziowej na obrotowe narzędzie skrawające.

Dzięki takiemu rozwiązaniu będzie można wykonywać np. otwory nieosiowe, czy też kształty, które są niemożliwe do uzyskania w procesie toczenia elementu.

Obecnie na rynku dostępne jest kilka rodzajów oraz typów oprawek napędzanych: oprawki napędzane proste, kątowe jaki i nastawne (Rys.4).

Wdrożenie tokarek CNC w zakładzie produkcyjnym: studium przypadku

Przykładem jak efektywnie wykorzystać tokarki CNC w produkcji jest firma Koelner, która w produkcji śrub wykorzystała zautomatyzowane stanowisko robocze przygotowane przez firmę TBI Technology Sp. z o.o. składające się z tokarek CNC (model TBI TC 300 MC), robota marki Fanuc oraz wibropodajników.

Największa korzyść dla klienta, to uzyskanie możliwości produkowania na bieżąco u siebie, pod własną kontrolą oraz bezobsługowa produkcja detali w szerokim zakresie. Rezygnując z podwykonawców (i m.in. idących za tym narzuconych terminów) Koelner otworzył się nowy rynek zbytu.

Bezsprzeczną zaletą tego rozwiązania jest całkowita automatyzacja. Stacje robocze zostały specjalnie wydzielone aby zostało zachowane bezpieczeństwo.

Automatyzacja jest zapewniona na każdym etapie produkcji, od specjalnie zaprojektowanego wibropodajnika, po system zamykania drzwi w tokarkach.

---

LITERATURA:
https://procestechnologiczny.com.pl
„Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych” Wit Grzesiek
„Techniki wytwarzania. Obróbka wiórowa i ścierna” – Praca zbiorowa pod redakcją Jana Kosmola