W profesjonalnych maszynach CNC najszybciej zużywają się nie elementy konstrukcyjne maszyny, lecz narzędzia skrawające i podzespoły mające stały kontakt z wiórami, chłodziwem, albo wykonujące tysiące cykli mechanicznych.

Typowa kolejność zużywania

Element Typowa skala trwałości Co się zużywa
Ostrza i narzędzia skrawające minuty–setki godzin krawędź tnąca, powłoka, geometria
Filtry, chłodziwo, smary dni–miesiące zanieczyszczenie, degradacja chemiczna
Wycieraki i osłony prowadnic miesiące–kilka lat gumy, tworzywa, teleskopowe blachy
Oprawki, tuleje zaciskowe, chwyt narzędzia miesiące–lata powierzchnie stożka, bicie, siła zacisku
Mechanizm wymiany narzędzi kilka–kilkanaście lat chwytaki, rolki, krzywki, łożyska
Układ zacisku narzędzia we wrzecionie kilka lat sprężyny talerzowe, palce chwytaka, siłownik
Łożyska wrzeciona tysiące–dziesiątki tysięcy godzin bieżnie, kulki, smar
Śruby kulowe i prowadnice liniowe zwykle wiele lat kulki, bieżnie, nakrętka, uszczelnienia
Przekładnie osi obrotowych wiele lat zęby, ślimak, łożyska, hamulce
Korpus i odlewy maszyny dziesięciolecia praktycznie nie zużywają się przy normalnej pracy

1. Narzędzia skrawające

To zdecydowanie najszybciej zużywający się element całego procesu:

  • płytki tokarskie i frezarskie;
  • frezy pełnowęglikowe;
  • wiertła;
  • rozwiertaki;
  • gwintowniki;
  • ściernice.

Przy ciężkiej obróbce HEU, stali nierdzewnej i stopów wolframu, płytka może wymagać wymiany nawet po kilkunastu minutach rzeczywistego skrawania.

Zużycie narzędzia zwykle jako pierwsze zaczyna pogarszać chropowatość, temperaturę, siły skrawania, drgania i w efekcie powodować ryzyko nagłego pęknięcia.

2. Oprawki i interfejs wrzeciono–narzędzie

Oprawki BT, CAT, HSK, Capto czy tuleje ER nie są wieczne. Zużywają się przez:

  • wielokrotne zaciskanie;
  • zabrudzenie drobnymi wiórami;
  • fretting, czyli mikroruchy na styku powierzchni;
  • korozję;
  • przeciążenie;
  • nieprawidłowe wyważenie.

Szczególnie wrażliwe są:

  • stożek oprawki;
  • powierzchnia czołowa HSK;
  • rowki chwytaka automatycznej wymiany;
  • tuleje zaciskowe;
  • śruby i nakrętki oprawek.

Zużyta lub brudna oprawka może wprowadzić bicie rzędu kilku–kilkunastu mikrometrów, mimo że samo wrzeciono jest nadal sprawne.

3. Mechanizm zaciskania narzędzia we wrzecionie

Wrzeciono zwykle utrzymuje narzędzie za pomocą pakietu sprężyn talerzowych i mechanizmu chwytającego trzpień oprawki. Zużywają się:

  • palce chwytaka;
  • sprężyny talerzowe;
  • drążek zaciskowy;
  • siłownik zwalniający;
  • czujniki obecności i położenia narzędzia.

Spadek siły zacisku może powodować mikroprzemieszczanie oprawki, gorszą powierzchnię, drgania, uszkodzenie stożka, a w skrajnym przypadku nawet wysunięcie narzędzia.

W maszynach intensywnie pracujących siłę zacisku powinno się okresowo mierzyć specjalnym przyrządem.

4. Łożyska wrzeciona

Są jednym z najdroższych elementów eksploatacyjnych. Ich trwałość silnie zależy od:

  • prędkości obrotowej;
  • obciążenia promieniowego i osiowego;
  • wyważenia narzędzia;
  • temperatury;
  • jakości smarowania;
  • kolizji;
  • czasu pracy na maksymalnych obrotach.

Wrzeciono pracujące ciężko przy 3000 obr./min może przeżyć bardzo długo. To samo wrzeciono stale pracujące przy 20 000 obr./min zużyje się znacznie szybciej.

Pierwsze objawy to:

  • wzrost hałasu;
  • drgania;
  • nagrzewanie;
  • pogorszenie powierzchni;
  • wzrost bicia;
  • błędy czujników temperatury lub obciążenia.

Profesjonalne wrzeciono może przepracować od kilku do kilkudziesięciu tysięcy godzin, ale jedna poważna kolizja może zakończyć jego życie natychmiast.

5. Wycieraki, osłony i uszczelnienia osi

To niepozorne, ale bardzo ważne elementy. Ich zadaniem jest niedopuszczenie, aby wióry, pył ścierny, chłodziwo, czy opiłki metalu dostały się na prowadnice i śruby kulowe.

Najczęściej zużywają się:

  • gumowe wycieraki;
  • segmenty osłon teleskopowych;
  • harmonijki;
  • prowadnice osłon;
  • rolki;
  • uszczelnienia śrub kulowych.

Uszkodzona wycieraczka kosztuje niewiele, ale jej ignorowanie może doprowadzić do zniszczenia prowadnicy lub śruby wartej dziesiątki tysięcy złotych.

6. Śruby kulowe

W śrubach kulowych zużywają się:

  • bieżnia śruby;
  • kulki;
  • bieżnia nakrętki;
  • uszczelnienia;
  • układ wstępnego napięcia.

Efektem może być:

  • wzrost luzu zwrotnego;
  • pogorszenie powtarzalności;
  • drganie przy zmianie kierunku;
  • nierówna praca osi;
  • wzrost poboru prądu serwonapędu.

Na dużych, ciężkich maszynach osie mogą ważyć kilka lub kilkanaście ton, więc obciążenia nakrętek są ogromne. Z drugiej strony takie maszyny mają zwykle bardzo duże, odpowiednio przewymiarowane śruby.

W maszynach z napędami liniowymi nie ma śrub kulowych, ale pozostają prowadnice, układy pomiarowe i łożyskowanie.

7. Prowadnice liniowe lub ślizgowe

Prowadnice toczne

Zużywają się:

  • wózki;
  • kulki lub wałeczki;
  • bieżnie;
  • uszczelki;
  • system smarowania.

Największym zagrożeniem nie jest często samo obciążenie, lecz brak smaru albo dostanie się drobnych wiórów.

Prowadnice ślizgowe typu box way

W ciężkich obrabiarkach stosuje się prowadnice ślizgowe ze względu na tłumienie drgań i nośność. Zużywać mogą się:

  • powierzchnie ślizgowe;
  • warstwa Turcite lub podobnego tworzywa;
  • kanały smarujące;
  • listwy regulacyjne.

Ich regeneracja jest pracochłonna i może obejmować szlifowanie albo ręczne skrobanie powierzchni.

8. Automatyczny magazyn i zmieniacz narzędzi

Mechanizm ATC wykonuje ogromną liczbę powtarzalnych ruchów. Zużywają się:

  • chwytaki;
  • sprężyny;
  • rolki;
  • krzywki;
  • łańcuch magazynu;
  • kieszenie narzędziowe;
  • czujniki;
  • siłowniki pneumatyczne lub hydrauliczne.

Jeżeli maszyna zmienia narzędzie co minutę, podczas dwóch zmian może wykonać ponad 2000 zmian na dobę. W takim zastosowaniu mechanizm wymiany może zużywać się szybciej niż same osie.

9. Chłodziwo, pompy i układ filtracji

Elementy te często pracują bez przerwy:

  • pompy chłodziwa;
  • pompy wysokiego ciśnienia;
  • uszczelnienia wirników;
  • filtry;
  • separatory oleju;
  • dysze;
  • złącza obrotowe doprowadzające chłodziwo przez wrzeciono.

Chłodziwo może:

  • zostać skażone bakteriami;
  • zmienić stężenie;
  • utracić właściwości smarne;
  • zawierać drobiny działające jak ścierniwo;
  • powodować korozję.

Szczególnie eksploatowane jest obrotowe złącze wrzeciona przy chłodzeniu przez narzędzie pod wysokim ciśnieniem.

10. Transportery wiórów

Zużywają się szybko zwłaszcza przy:

  • długich, splątanych wiórach;
  • ciężkich wiórach stalowych;
  • materiałach ściernych;
  • pracy całodobowej.

Typowe problemy:

  • rozciągnięcie łańcucha;
  • uszkodzenie listew;
  • zużycie kół;
  • zakleszczenie;
  • przeciążenie silnika;
  • uszkodzenie uszczelnień.

11. Osi obrotowe i stoły 5-osiowe

W zależności od konstrukcji zużywają się:

  • przekładnie ślimakowe;
  • przekładnie cykloidalne;
  • przekładnie harmoniczne;
  • łożyska;
  • enkodery;
  • hydrauliczne zaciski osi;
  • powierzchnie hamulców;
  • uszczelnienia złączy obrotowych.

W osi obrotowej niewielki luz kątowy może powodować znaczny błąd liniowy na końcu dużego detalu. Przykładowo błąd 0,001° na promieniu 1 m odpowiada przesunięciu około 17 µm.

Co niszczy najszybciej samą maszynę

Największe znaczenie mają zazwyczaj:

  1. kolizje wrzeciona lub osi;
  2. brak albo awaria smarowania;
  3. dostawanie się wiórów na prowadnice;
  4. praca niewyważonymi narzędziami;
  5. przeciążanie wrzeciona i osi;
  6. zanieczyszczone chłodziwo;
  7. brak kontroli temperatury;
  8. niewłaściwe mocowanie ciężkich detali.

Jedna poważna kolizja może uszkodzić wrzeciono, prowadnice, śrubę kulową, enkoder i geometrię maszyny jednocześnie. Natomiast przy prawidłowej obsłudze korpus dużej maszyny może pracować 30–50 lat, przechodząc po drodze kilka regeneracji wrzeciona, śrub, prowadnic i elektroniki.

Najpraktyczniej można to podsumować tak: najczęściej wymienia się narzędzia, filtry, chłodziwo, wycieraki i elementy zacisku; najdrożej zużywają się wrzeciono, śruby kulowe, prowadnice oraz osie obrotowe.

Trwałość procesu zaczyna się przed uruchomieniem wrzeciona

Podręcznik Janusza Pobożniaka porządkuje proces CAM w trzy powiązane grupy PPR: produkt, proces i zasoby. Produktem jest nie tylko geometria gotowej części, lecz także półfabrykat i jego stan po kolejnych operacjach. Proces obejmuje zabiegi, kolejność, punkty bazowe, ruchy robocze oraz pomocnicze. Zasobami są obrabiarka, narzędzia, oprawki i elementy mocujące.2 Ten podział dobrze nadaje się do diagnostyki: błąd wymiaru nie musi pochodzić z zużytej osi, jeżeli do programu wprowadzono niewłaściwy półfabrykat albo źle ustawiono bazę.

Model docelowego detalu nie wystarcza do sprawdzenia obróbki. Program powinien znać rzeczywisty naddatek oraz aktualny stan materiału po poprzednich zabiegach. Jeżeli symulacja zaczyna się od idealizowanej bryły innej niż półfabrykat na stole, może nie pokazać przeciążenia przy wejściu w nadmiar materiału, pozostawionej resztki albo ruchu przecinającego obszar, który w modelu był pusty.

Podobnie model narzędzia powinien obejmować nie tylko część skrawającą, ale także część nieskrawającą, oprawkę i wystającą długość zespołu. Tor bezkolizyjny dla wyidealizowanego walca może prowadzić oprawkę w uchwyt lub detal. Dokładniejszy model nie zapobiega automatycznie kolizji, lecz pozwala o nią zapytać przed wykonaniem ruchu.

Zamocowanie jest częścią modelu procesu, a nie wyposażeniem stojącym poza nim. Szczęki, imadło, stół, dociski i położenie ciężkiego półfabrykatu określają dostęp narzędzia, sztywność oraz przestrzeń bezpiecznego przejazdu. Przy ciężkim analogu uranu istotna jest również zgodność położenia środka masy i podparcia z tym, co przyjęto w planie operacji. Książka opisuje geometrię mocowania, ale nie może zastąpić obliczenia siły zacisku ani instrukcji rzeczywistego oprzyrządowania.2

Ruch skrawający jest tylko częścią programu. Makra dojazdu, odjazdu i przejścia między zabiegami określają, co dzieje się przed pierwszym kontaktem ostrza i po jego zakończeniu. Pobożniak pokazuje, że brak zdefiniowanej bezpiecznej sekwencji może pozostawić systemowi połączenie dwóch fragmentów prostą, która przecina detal albo uchwyt.2 Dlatego analiza kolizji nie może kończyć się na konturze roboczym.

Równie ważne są układ współrzędnych i punkty odniesienia. Zero modelu, zero przedmiotu, pozycja narzędzia oraz punkt wymiany muszą odpowiadać rzeczywistemu ustawieniu. Samo rozpoznanie oznaczeń M, R, W, E i N z podręcznika nie upoważnia do przeniesienia ich położenia do innej maszyny: definicje i procedury bazowania należy sprawdzić w dokumentacji konkretnego sterowania.

Ścieżka obliczona w CAM jest jeszcze opisem geometryczno-technologicznym. Dopiero postprocesor tłumaczy ją na dialekt sterowania, funkcje maszyny, osie, korekcje i kod wykonawczy. Zmiana postprocesora może więc zmienić zachowanie obrabiarki mimo niezmienionej geometrii w CAM. Wersja postprocesora powinna być identyfikowalną częścią rekordu procesu, tak samo jak wersja modelu i programu.

W książce rozróżniono symulację samego toru, symulację usuwania materiału, analizę stanu końcowego i symulację z modelem obrabiarki.2 Poziomy te odpowiadają na inne pytania. Pierwszy pokazuje kolejność i charakter ruchów, drugi materiał pozostający albo usunięty nadmiarowo, trzeci ułatwia ocenę wyniku, a czwarty może dodatkowo uwzględnić kinematykę i zakresy osi. Zaliczenie jednego poziomu nie jest zaliczeniem wszystkich pozostałych.

Brak komunikatu o kolizji jest prawdziwy tylko względem wprowadzonych modeli, tolerancji i reguł programu. Jeżeli pominięto szczękę, zaniżono długość oprawki, błędnie ustawiono oś albo model maszyny ma niewłaściwy zakres, symulator może poprawnie nie znaleźć kolizji w świecie, który sam otrzymał. Walidacja symulacji obejmuje więc kontrolę danych wejściowych, a nie tylko obejrzenie zielonego wyniku.

W procesie wielozamocowaniowym stan po pierwszej operacji staje się półfabrykatem następnej. Trzeba zachować bryłę wyniku, transformację układu oraz informację, która powierzchnia ustala kolejną bazę. Niezależne programowanie każdego zamocowania od idealnego modelu końcowego może ukryć skumulowany błąd albo pozostawić naddatek w innym miejscu niż zakłada kolejny zabieg.

Obróbka resztek pokazuje z kolei, że inne narzędzie nie oznacza prostego skopiowania programu. Duże narzędzie może wydajnie usunąć większość objętości, a mniejsze wejść tylko w niedostępne promienie. Stan materiału po pierwszym narzędziu musi być jednak rzeczywistym wejściem dla drugiego; inaczej mały frez może otrzymać niespodziewane pełne skrawanie albo pozostawić część obszaru.

Książkowe prędkości, posuwy, średnice i wartości makr należą do tutoriali dla określonych modeli, narzędzi i historycznej konfiguracji CATIA V5. Nie są parametrami dla uranu, WHA, paliwa ceramicznego ani współczesnej obrabiarki. Ich wartość dydaktyczna polega na pokazaniu, gdzie parametry występują i jak wpływają na tor, nie na dostarczeniu gotowej recepty warsztatowej.

Z tego wynika praktyczne kryterium trwałości cyfrowej procesu. Po zmianie modelu, narzędzia, oprawki, zamocowania, bazy, makra, postprocesora albo mechaniki maszyny trzeba ponownie ustalić, które wcześniejsze wyniki weryfikacji przestały obowiązywać. Proces nie jest „ten sam”, jeżeli zmienił się element mogący wpłynąć na kod, kolizję, naddatek lub wynik pomiaru.

Ostatecznym sprawdzianem nie jest animacja, lecz kontrolowany przebieg i pomiar. Symulacja ogranicza liczbę błędów, próba potwierdza zachowanie kodu na konkretnej konfiguracji, a kontrola wymiarowa ocenia wynik. Dopiero połączenie tych trzech warstw pozwala odróżnić zużycie fizyczne maszyny od błędu przygotowania procesu.

Co niszczy najszybciej samą maszynę

Największe znaczenie mają zazwyczaj:

  1. kolizje wrzeciona lub osi;
  2. brak albo awaria smarowania;
  3. dostawanie się wiórów na prowadnice;
  4. praca niewyważonymi narzędziami;
  5. przeciążanie wrzeciona i osi;
  6. zanieczyszczone chłodziwo;
  7. brak kontroli temperatury;
  8. niewłaściwe mocowanie ciężkich detali.

Jedna poważna kolizja może jednocześnie naruszyć wrzeciono, prowadnice, śrubę kulową, enkoder i geometrię maszyny. Korpus może pozostawać użyteczny znacznie dłużej niż elektronika i zespoły ruchowe, ale nie wolno z tego wyprowadzać uniwersalnej liczby lat: o dalszej przydatności decydują pomiary geometrii, stan powierzchni bazowych, możliwość kompensacji, historia napraw i wymagania procesu.

Zużycie trzeba rozpoznawać po trendzie, nie po samym wieku

Harmonogram przeglądów oparty wyłącznie na liczbie godzin nie rozstrzyga, czy pogorszenie wymiaru pochodzi od ostrza, oprawki, wrzeciona, osi, mocowania czy od temperatury. Bardziej użyteczny jest ciąg danych zbieranych w porównywalnych warunkach: wyniki pomiaru detalu, korekcje narzędzia, obciążenie wrzeciona, czas cyklu, alarmy i zdarzenia serwisowe. Dopiero zgodny trend kilku wielkości pozwala oddzielić szybko zużywający się element procesu od wolnej degradacji samej obrabiarki.1

Sonda narzędziowa lub przedmiotowa może wprowadzić kontrolę bezpośrednio do cyklu, ale jej wynik nie jest „prawdą maszyny” bez warunków brzegowych. Trzeba znać sposób kalibracji sondy, kierunek i prędkość najazdu, temperaturę, stan końcówki, czystość powierzchni oraz regułę wyliczania korekcji. Pomiar na obrabiarce jest szczególnie dobry do szybkiego wykrywania zmiany, natomiast nie zastępuje automatycznie niezależnej kontroli na osobnym, metrologicznie nadzorowanym stanowisku.1

Rzeczywisty moment lub prąd wrzeciona może być użytecznym wskaźnikiem obciążenia skrawaniem, także w sterowaniu adaptacyjnym posuwem. Ten sam wzrost sygnału może jednak wynikać ze stępienia ostrza, większego naddatku, zmiany twardości materiału, bicia, drgań albo pogorszenia doprowadzenia chłodziwa. Sygnał obciążenia staje się informacją o zużyciu dopiero po zestawieniu z etapem programu, geometrią narzędzia, materiałem i pomiarem wyniku obróbki.1

Raport pomiarowy ma wartość diagnostyczną tylko wtedy, gdy zachowuje kontekst: identyfikator detalu i programu, wersję programu, narzędzie i jego korekcję, czas wykonania, wynik, jednostkę, status kalibracji sondy oraz informację o przekroczeniu kryterium. Sam plik z kilkoma średnicami nie pozwala odtworzyć, czy zmianę spowodowało narzędzie, aktualizacja kodu czy inna partia półfabrykatu. Surowe wyniki powinny pozostać dostępne obok wartości przetworzonych, aby późniejsza analiza nie zależała wyłącznie od bieżącego algorytmu raportowania.1

Po wymianie sondy, modyfikacji cyklu, zmianie makra, postprocesora lub mechaniki maszyny nie wystarcza stwierdzenie, że program nadal się uruchamia. Potrzebne są ponowna symulacja, próba w kontrolowanych warunkach, sprawdzenie ruchów i limitów, wzorzec kontrolny oraz porównanie raportu przed i po zmianie. W szkoleniu z obróbki ciężkich analogów uranu taka ścieżka jest ważniejsza niż uczenie konkretnej składni: pokazuje, że korekcja procesu musi pozostawić ślad i zostać zweryfikowana, zanim stanie się nową wartością domyślną.1

Najpraktyczniej można to podsumować tak: najczęściej wymienia się narzędzia, filtry, chłodziwo, wycieraki i elementy zacisku; najdrożej zużywają się wrzeciono, śruby kulowe, prowadnice oraz osie obrotowe.