Awarie maszyny CNC oraz najczęstsze wady obróbki

Obróbka skrawaniem CNC to podstawa wielu działań, jakimi zajmuje się szeroko rozumiana obróbka metali. Oprogramowanie, w jakie są wyposażone maszyny CNC steruje ruchem narzędzi po określonym torze, mając na uwadze rodzaj materiału, projekt detalu i precyzję wykonania. Wiąże się z tym również wydajność procesu produkcyjnego opartego na maszynach CNC. Są one narażone na różnego rodzaju usterki i awarie, które mogą prowadzić do wad obróbki. Zrozumienie tych zagrożeń i zapobieganie im pozwoli zminimalizować koszty wynikające z ich powstania, a tym samym umożliwi zachowanie jakości i ograniczenie przestojów produkcji. Identyfikowanie i rozwiązywanie problemów przed ich wystąpieniem i natychmiastowe ich rozwiązywanie jest często najbardziej wydajnym i opłacalnym sposobem na zwiększenie czasu sprawności obróbki.

Jakie typowe usterki napotykają maszyny CNC?

Zakłócenia różnego typu mimo, że mogą wydawać się jedynie drobnymi usterkami, mogą spowodować znaczne uszkodzenia maszyny CNC i narzędzi. Każdy z nich może doprowadzić do skrócenia żywotności maszyny, a tym samym wpłynąć na jej wydajność, wzrostu kosztu wymiany części czy długich przestojów. W efekcie mogą doprowadzić do całkowitej awarii maszyny CNC. Prawidłowe rozpoznanie usterki oraz zapobiegawcza konserwacja maszyny pozwoli na uniknięcie niepotrzebnych kosztów. Do najczęstszych przyczyn usterek można zaliczyć:

• Błędy kodu, wynikające z nieumiejętności programowania maszyn przez operatorów lub z błędów komputera; te pierwsze wynikają z wprowadzenia nieprawidłowych zmiennych do programu, błędów konfiguracji lub braku zrozumienia różnych rodzajów kodów G i M,
• Brak regularnej konserwacji, co w przypadku zanieczyszczonego środowiska pracy jest niezbędne; maszyny CNC pracują w określonych ścisłych tolerancjach, aby utrzymać jakość produktu, a każde zabrudzenie, czy wiór ukryty w zakamarku może spowodować zacięcie maszyny lub jej trwałe uszkodzenie,
• Wibracje lub drgania w trakcie pracy, które również prowadzą do skrócenia żywotności maszyny; drgania te mogą trwać znacznie dłużej zanim operator usłyszy jakiekolwiek niepokojące dźwięki, pomogą tu nowoczesne metody konserwacji, które obejmują regularne monitorowanie częstotliwości drgań i ultradźwięków,
• Nieprawidłowe trzymanie detalu w trakcie obróbki przez uchwyt maszyny, które może doprowadzić do niewspółosiowości, drgań lub odkształceń, uszkadzając maszynę lub obrabiany przedmiot; może to być wynikiem złego zamocowania lub popsutego uchwytu; sytuacja taka może być również niebezpieczna dla obsługującego maszynę operatora,  
• Niekompatybilny zasilacz, a konkretnie zasilacz z nieodpowiednim napięciem na wejściu lub na wyjściu; zbyt mała lub zbyt duża moc może doprowadzić do awarii urządzenia,
• Niewłaściwie dobrane narzędzie tnące do danego zadania powoduje widoczne ślady na obrabianym detalu, jak np. ślady po nożu, szorstkie krawędzie lub ślady przypalenia na krawędziach i rogach materiału; używanie takiego narzędzia doprowadzi do jego nadmiernego zużycia, a to w połączeniu ze źle dobraną prędkością może mieć również wpływ na jakość wykończenia,
• Przegrzanie, które jest częstym problemem w przypadku dużych wolumenów produkcji i długich okresów obróbki; powodem przegrzania wrzeciona jest często zanieczyszczenie maszyny i brak prawidłowego przepływu powietrza, ale również temperatury otoczenia.

Czy można zapobiegać usterkom maszyny CNC?

Nie da się całkowicie wyeliminować błędów popełnianych w trakcie obróbki metali, ale można zminimalizować pewne ryzyka. O utrzymanie długowieczności maszyn można zadbać choćby za pomocą:

• Regularnych szkoleń operatorów maszyny CNC, które powinny być priorytetem, gdyż wraz z automatyzacją i robotyzacją produkcji wzrasta też poziom oczekiwań co do umiejętności operatorów maszyny CNC, bez umiejętności programistycznych nie będą oni w stanie podążać za zmianami technologicznymi zachodzącymi w firmie; nowoczesny operator powinien potrafić zwizualizować i zaprojektować proces obróbki, dobrać właściwe narzędzia i sekwencje poleceń do danego zadania oraz napisać odpowiedni program,
• Programu konserwacji zapobiegawczej, gdyż maszyny CNC wymagają regularnego czyszczenia; powinna być więc prowadzona szczegółowa dokumentacja wszelkich wykonanych napraw, na podstawie której będzie można ustalić harmonogram planowanych kontroli i działań, jak np. wymiana chłodziwa, czy zużytych narzędzi tnących,
• Analizy drgań, którą mogą przeprowadzić operatorzy lub profesjonalna firma serwisowa, pozwoli to na wcześniejsze wykrycie awarii łożysk, wygiętych wałów, niewspółosiowości, luźnych komponentów i in. potencjalnych przyczyn awarii,
• Monitorowania otoczenia maszyn, a konkretnie temperatury, wilgotności, hałasu, wahań mocy,
• Regularnej kalibracji maszyny CNC, która utrzymuje dokładność i niezawodność maszyny.

Jakie są najczęstsze wady obróbki CNC i jak je naprawić?

Nierówności wykończenia powierzchni, czyli wszelkie odchylenia od oczekiwanej jakości. Zalicza się do nich szorstkość, linie czy inne nieestetyczne nierówności.

• Przyczyny: drgania, wibracje, tępe narzędzia, nieprawidłowe strategie frezowania, niewystarczające chłodzenie, niewłaściwe parametry cięcia np. zbyt szybkie posuwy
• Rozwiązanie: regularna konserwacja maszyny CNC, dbanie o ostrość narzędzi tnących, odpowiednie strategie frezowania, optymalizacja parametrów cięcia np. dostosowanie prędkości posuwu i prędkości wrzeciona, zastosowanie pełnego frezowania współbieżnego do obróbki powierzchni bocznych.

Ślady przepaleń, które świadczą o przegrzaniu podczas obróbki.

• Przyczyny: źle dobrana kombinacja posuwu i prędkości, niewystarczające chłodzenie,
• Rozwiązanie: zmniejszenie prędkości skrawania w stosunku do współczynnika posuwu może obniżyć temperaturę obróbki, ale może być też konieczne wzmocnienie chłodzenia.

Niedokładności wymiarowe, które mogą prowadzić do problemów z dopasowaniem części czy ich funkcjonalnością.

• Przyczyny: błędy kalibracji maszyny CNC, niedokładności materiału, czynniki środowiskowe jak np. temperatura, wilgotność, które mogą wpływać na rozmiar materiału,
• Rozwiązanie: rutynowa kalibracja maszyny CNC, kontrola jakości materiałów i środowiska.

Ślady po drganiach to regularne, faliste linie na obrabianej powierzchni, ale też ślady narzędzi w postaci widocznych linii.  

• Przyczyny: wibracje pomiędzy narzędziem skrawającym a przedmiotem obrabianym, problemy ze stabilnością narzędzia, niestabilne podłoże maszyny, sztywność przedmiotu obrabianego itp. czy zbyt agresywne parametry skrawania, niewłaściwy dobór narzędzi,
• Rozwiązanie: dostosowanie prędkości i szybkości posuwu, poprawienie zamocowania obrabianego przedmiotu, stosowanie narzędzi zaprojektowanych do tłumienia drgań, regulacja nacisku wywieranego przez narzędzie, w przypadku śladów po narzędziu można zastosować szlifowanie lub polerowanie wykończeniowe.

Powstawanie zadziorów, czyli różnej maści wypukłości, podniesionych krawędzi czy rogów.

• Przyczyny: nadmierne odkształcenie zbyt miękkiego materiału, użycie tępych narzędzi, nieprawidłowe ustawienia ścieżki narzędzia, wykruszanie się materiału,
• Rozwiązanie: gratowanie termiczne, wibracyjne lub pilnikami czy papierem ściernym, optymalizacja narzędzi, zmiana procesu obróbki np. modyfikacja ścieżek narzędzi, użycie odpowiednich łamaczy wiórów itp.

Odkształcenie, czyli deformacja która występuje gdy obrabiany element ulega zginaniu, skręcaniu lub zmianie jego kształtu, co nie było przewidziane w projekcie.

• Przyczyny: uwalnianie naprężeń wewnętrznych, brak odpowiedniego wsparcia podczas obróbki,
• Rozwiązanie: odprężanie naprężeń wewnętrznych np. poprzez obróbkę cieplną,

Narastająca krawędź powstaje poprzez przywarcie wiórów do końcówki narzędzia skrawającego.

• Przyczyny: duże ciśnienie cięcia i ciepło tarcia, niewłaściwa prędkość skrawania i posuw, niewystarczająca ilość chłodziwa lub środka smarnego, zły stan i geometria narzędzi maszyny CNC, materiały ciągliwe i łatwo umacniane przez zgniot
• Rozwiązanie: zastosowanie narzędzia opcją tłumiącą, stosowanie odpowiednich narzędzi smarnych i chłodzących.

Pękanie, złamanie lub rozszczepienie obrabianej części.

• Przyczyny: duże siły skrawania, niewłaściwa ścieżka narzędzia i geometria, twardość przedmiotu obrabianego, niewystarczająca wytrzymałość narzędzia,
• Rozwiązanie: konserwacja i ostrzenie narzędzi tnących w celu zapewnienia czystych cięć, stosowanie narzędzi z twardą powłoką np. diamentową lub węglikową, wykorzystanie narzędzia z dużą liczbą krawędzi tnących w celu równomiernego rozłożenia sił skrawania.

Niekompletne cięcia lub słabe odwzorowanie szczegółów projektu, gdy maszyna nie jest w stanie dokładnie odtworzyć zamierzonego projektu, co skutkuje powstawaniem niedokończonych obszarów lub brakiem szczegółów w obrabianej części.

• Przyczyny: tępe narzędzie tnące, niewłaściwy dobór narzędzia, nieprawidłowe parametry skrawania jak prędkość i posuw, drgania lub niestabilność maszyny, błędy programowania lub oprogramowania
• Rozwiązanie: regularna konserwacja i ostrzenie narzędzi skrawających, dostosowanie parametrów cięcia do optymalnego poziomu, ustabilizowanie maszyny CNC, redukcja wibracji,

Złamanie narzędzia skrawającego w trakcie procesu obróbki.

• Przyczyny: nadmierna siła cięcia, niewłaściwa prędkość posuwu, materiał narzędzia nie jest odpowiedni do materiału przedmiotu obrabianego, niewystarczające smarowanie lub chłodzenie, zbyt długie użytkowanie narzędzi,
• Rozwiązanie: optymalne dobranie sił skrawania i prędkości posuwu, dobór narzędzi z odpowiedniego materiału, stosowanie określonego chłodziwa, kontrola i wymiana narzędzi,

Wgniecenia i inne niepożądane zagłębienia na powierzchni obrabianego przedmiotu.

• Przyczyny: nadmierna siła nacisku, zwłaszcza w przypadku miękkich materiałów, uderzenie narzędzia, niewłaściwa obsługa,
• Rozwiązanie: zastosowanie pośrednich płyt stalowych w celu równomiernego rozłożenia siły zacisku, zakup specjalnych uchwytów i osprzętu, które są bardziej miękkie i mniej podatne na uszkodzenia, metoda zaciskania o jak najmniejszej sile,  

Naprężenia wewnętrzne, które są uwalniane w trakcie obróbki i powodujące odkształcenia lub deformacje.

• Przyczyny: naprężenia powstałe w wyniku wcześniejszych procesów, nadmierna lub nierównomierna siła cięcia, niewystarczające umocowanie detalu, wysokie temperatury w trakcie obróbki,
• Rozwiązania: zabiegi odprężające przed obróbką mechaniczną, kontrola temperatury i zamocowań,
• Zapewnienie odpowiedniego wsparcia i mocowania w celu zminimalizowania wibracji i ruchów.

Powstawanie zadziorów, czyli resztekmateriału, które pozostają na obrabianym detalu po cięciu.

• Przyczyny: odkształcenie ostatniej warstwy obrabianego materiału,
• Rozwiązanie: gratowanie, czyli usunięcie zadziorów ręcznie przy użyciu narzędzi, termicznie lub wibracyjnie.

Ponowne cięcie wiórów, które polega na ponownym zetknięciu narzędzia tnącego z wiórami, które nie zostały prawidłowo usunięte.

• Przyczyny: nieodpowiednie odprowadzanie wiórów, niewłaściwe ścieżki narzędzia,
• Rozwiązanie: ulepszenie metod ewakuacji wiórów, optymalizacja ścieżek narzędzi, stosowanie łamaczy wiórów, dobranie właściwych parametrów skrawania, szczególnie przy frezowaniu CNC.