Wiercenie i pogłębianie w jednym ruchu, rozwiercanie i toczenie na tej samej stacji.
Jak narzędzia wielooperacyjne skracają czas cyklu na maszynach transferowych bez dodawania stacji.
Ograniczenie stacji krytycznej
Na maszynie transferowej — obrotowej lub liniowej — czas cyklu jest wyznaczany przez najwolniejszą stację. Każda stacja pracuje równolegle, ale stół indeksuje dopiero po zakończeniu ostatniej operacji. Jeśli jedna stacja zajmuje 6 sekund, a pozostałe 3, czas cyklu całej instalacji wynosi 6 sekund [1][2].
Zasada ta ma bezpośrednią konsekwencję: skrócenie czasu stacji będącej wąskim gardłem obniża czas cyklu każdej wyprodukowanej części. Przy partiach od 100 000 do 500 000 sztuk nawet 1 sekunda zaoszczędzona na cykl przekłada się na dziesiątki odzyskanych godzin maszynowych.
Tradycyjne podejście do obsługi liczby operacji przekraczającej liczbę dostępnych stacji przewiduje dwie drogi: dodanie stacji (z kosztami strukturalnymi i przestrzennymi) lub zaakceptowanie drugiego przejścia (podwajając czas stacji krytycznej). Narzędzie kombinowane to trzecia opcja: połączenie dwóch lub więcej operacji w jednym narzędziu, które wykonuje wszystko w jednym przebiegu.
Maskowanie czasu: ukryta przewaga maszyn transferowych
Kluczową koncepcją w maszynach transferowych jest maskowanie czasu (time masking): operacje na poszczególnych stacjach zachodzą jednocześnie. Rzeczywisty czas cyklu nie jest sumą wszystkich operacji, lecz czasem trwania najwolniejszej stacji [1].
Konkretny przykład. Korpus zaworu wymaga 8 operacji rozłożonych na 7 stacjach (ósma to załadunek/rozładunek). Jeśli stacja 4 — wykonująca wiercenie + pogłębianie w dwóch przejściach po 3,5 s każde — zajmuje łącznie 7 s, to ona wyznacza rytm całej instalacji. Narzędzie kombinowane wiertło-pogłębiacz wykonujące obie operacje w 4,5 s skraca czas cyklu o 36%, zwiększając zdolność produkcyjną bez żadnych nakładów na sprzęt.
Tab. 1 – Wpływ stacji będącej wąskim gardłem na dzienną wydajność (zmiana 8 h = 28 800 s)
| Czas stacji krytycznej | Rzeczywisty czas cyklu | Sztuki/zmianę (8 h) | Różnica vs 8 s |
| 8 s (dwa przejścia) | 8 s | 3.600 | — |
| 6 s (narzędzie kombinowane) | 6 s | 4.800 | +1.200 (+33%) |
| 5 s (zoptymalizowane narzędzie kombinowane) | 5 s | 5.760 | +2.160 (+60%) |
Źródło: obliczenia oparte na czasie cyklu = czas najwolniejszej stacji [1][2]. Wartości bez uwzględnienia czasów indeksowania (<0,3 s na nowoczesnych maszynach transferowych [3]).
Rodzaje narzędzi kombinowanych do maszyn transferowych
Przemysł stosuje różne konfiguracje narzędzi wielooperacyjnych. Każdy typ odpowiada na konkretną potrzebę kombinacji.
Tab. 2 – Główne konfiguracje narzędzi kombinowanych
| Konfiguracja | Połączone operacje | Typowe zastosowanie | Ograniczenie krytyczne |
| Wiertło-pogłębiacz (step drill) | Wiercenie + pogłębianie/planowanie w jednym przebiegu | Gniazda śrub, porty hydrauliczne SAE/ISO | Ø małe ≥ 50% Ø dużego [4] |
| Wiertło-rozwiertак (D-Reamer) | Wiercenie + wykańczające rozwiercanie | Otwory kalibrowane H7 z pełnego materiału | Odprowadzanie wiórów między strefami [5] |
| Narzędzie stopniowe wielośrednicowe | 2-4 różne średnice + skosy | Porty hydrauliczne, gniazda O-ring | Nakładające się siły skrawania [6] |
| Kombinowane narzędzie kształtowe | Profilowanie + wykańczanie + skos w jednym przebiegu | Złożone profile z wieloma kątami i promieniami | Sztywność układu i smarowanie |
| Wiertło + frez do gwintowania | Wiercenie + skos + gwintowanie (interpolacja helikalna) | Przelotowe otwory gwintowane na CNC | Wymaga interpolacji CNC [7] |
Źródła: [4] RTS Cutting Tools; [5] Patent USA 2013/0058734A1; [6] Matsumura, CIRP Annals 2019; [7] Cutting Tool Engineering / Superion-Allied Machine.
Wyzwania techniczne: co może pójść nie tak
Łączenie operacji w jednym narzędziu to nie jest po prostu „sklejenie dwóch wierteł razem”. Istnieją realne ograniczenia fizyczne, które — jeśli zostaną zignorowane — zamieniają przewagę w problem.
Odprowadzanie wiórów. Narzędzie stopniowe generuje wióry o różnej geometrii na każdej średnicy. Wióry z większej średnicy muszą przechodzić przez strefę mniejszej średnicy bez zatykania się. Jeśli stosunek małej do dużej średnicy spadnie poniżej 50%, przestrzeń w rowkach wiórowych staje się niewystarczająca i ryzyko zatykania gwałtownie wzrasta [4]. Geometria rowków wiórowych musi być zaprojektowana specjalnie dla każdego stopnia, z dedykowanymi kątami natarcia i skrawania.
Nakładające się siły skrawania. Gdy dwie strefy skrawania pracują jednocześnie — na przykład wiertło i stopień pogłębiacza — siły osiowe sumują się. Matsumura i Tamura (CIRP Annals, 2019) opracowali predykcyjny model sił skrawania dla narzędzi stopniowych, który pokazuje, jak moment obrotowy i posuw zmieniają się w sposób nieliniowy wraz z głębokością, z pikami mogącymi przekraczać o 40–60% wartości dla narzędzia pojedynczego [6].
Skompromitowane parametry skrawania. Narzędzie kombinowane obraca się z jedną prędkością obrotową. Jednak mała i duża średnica wymagają różnych prędkości skrawania dla optymalnej pracy. Wybrany parametr będzie kompromisem: typowo optymalizuje się go dla większej średnicy (która decyduje o krytycznym wykończeniu powierzchni) i akceptuje prędkość nieoptymalną dla mniejszej średnicy.
Smarowanie wewnętrzne. W złożonych narzędziach stopniowych kanały doprowadzania chłodziwa muszą docierać do wszystkich stref skrawania. Nieprawidłowo umieszczony otwór smarowania pozostawia strefę skrawania „na sucho”, powodując miejscowe zużycie i ryzyko spawania wióra [8].
Kiedy łączyć, a kiedy rozdzielać: kryteria decyzyjne
Nie wszystkie operacje należy łączyć. Poniższa tabela pomaga zdecydować, czy narzędzie kombinowane jest właściwym wyborem w danym przypadku.
Tab. 3 – Macierz decyzyjna: narzędzie kombinowane vs operacje osobne
| Kryterium | → Narzędzie kombinowane | → Operacje osobne |
| Stosunek Ø min/Ø max | ≥ 0,50 | < 0,50 (wióry nie są odprowadzane) |
| Tolerancja otworu krytycznego | IT8 lub wyższa | IT6–IT7 (wymagane dedykowane przejścia) |
| Wielkość produkcji | ≥ 5 000 szt./partia | Prototypowanie lub partie < 500 |
| Stacja krytyczna (wąskie gardło) | Tak — oszczędność przenosi się na cały cykl | Nie — zaoszczędzony czas jest zamaskowany |
| Sztywność układu | Sztywny wrzeciennik, stabilne mocowanie | Lekka maszyna, nadmierny wysięg |
| Materiał przedmiotu | Stale miękkie, aluminium, mosiądz, żeliwo | Superstopy, tytan (siły krytyczne) |
| Dostępność regeneracji | Tak (producent oferuje ponowne ostrzenie) | Nie (koszt wymiany prohibitywny) |
Źródła: kryteria zestawione na podstawie [4][6][7][9]. Stosunek Ø min/max wg RTS Cutting Tools [4].
Diagnostyka: typowe problemy z narzędziami kombinowanymi
Tab. 4 – Przewodnik diagnostyczny: objaw → przyczyna → działanie
| Objaw | Prawdopodobna przyczyna | Działanie korygujące |
| Zatkanie wiórów między stopniami | Niewystarczający rowek wiórowy; zbyt duży posuw na Ø mniejszym | Zmniejszyć posuw o 10–15%; sprawdzić geometrię rowków wiórowych; zwiększyć ciśnienie chłodziwa |
| Wibracje i słabe wykończenie na Ø większym | Nakładające się siły skrawania; nadmierny wysięg | Zmniejszyć wysięg; sprawdzić sztywność mocowania; rozważyć narzędzie z tłumieniem drgań (geometria asymetryczna) |
| Asymetryczne zużycie między średnicami | Niezbalansowana prędkość skrawania; chłodziwo nie dociera do wszystkich stref | Dostosować rpm do krytycznej średnicy; sprawdzić otwory smarowania wewnętrznego; rozważyć zróżnicowane powłoki |
| Otwór stożkowy lub poza tolerancją | Ugięcie narzędzia; luz wrzeciennika; zużycie prowadnic | Sprawdzić bicie (TIR ≤ 0,01 mm); wymienić tulejki prowadzące; zmniejszyć głębokość skrawania na przejście |
| Przedwczesne złamanie narzędzia | Nadmierny moment obrotowy od jednoczesnego skrawania; nagłe zatkanie wiórów | Sprawdzić moc wrzeciennika; dodać cykl czyszczenia wiórów (peck); skonsultować z producentem ponowne wyważenie geometrii |
Źródła: problemy udokumentowane w [4][5][6][8].
Rzeczywisty koszt jednej zmiany narzędzia mniej
Na centrum obróbczym CNC każda automatyczna zmiana narzędzia wymaga od 2 do 8 sekund na wymianę mechaniczną (chip-to-chip), plus 1–5 sekund na orientację wrzeciennika i przemieszczenie [10]. Na maszynie transferowej, gdzie cykl jest już zoptymalizowany co do sekundy, wyeliminowanie nawet jednej zmiany narzędzia — lub drugiego przejścia na stacji — może być czynnikiem odblokowującym wydajność całej instalacji.
Istnieje też zaleta wymiarowa: narzędzie kombinowane obrabia wszystkie średnice w jednym zamocowaniu, bez przemieszczania przedmiotu. Tolerancje wzajemne między elementami (współosiowość otworu i pogłębienia, współosiowość otworu i planowania) zależą wyłącznie od precyzji narzędzia, a nie od kumulacji błędów wielu zamocowań [7]. W przypadku portów hydraulicznych SAE/ISO z wieloma kątami i promieniami — gdzie wszystkie wymiary są wzajemnie powiązane — jest to decydująca przewaga.
Wnioski
Trzy punkty do zabrania do warsztatu w poniedziałek rano:
- Zidentyfikuj stację będącą wąskim gardłem. Czas cyklu Twojej maszyny transferowej to czas najwolniejszej stacji. Jeśli ta stacja wykonuje dwie operacje sekwencyjnie, właśnie tam narzędzie kombinowane może zrobić różnicę.
- Sprawdź ograniczenia przed połączeniem. Stosunek średnic ≥ 0,50, kompatybilne tolerancje (IT8+), wystarczająca sztywność. Jeśli jedno z tych kryteriów nie jest spełnione, narzędzie kombinowane stworzy więcej problemów, niż rozwiąże.
- Zaprojektuj narzędzie pod swój cykl, nie dostosowuj cyklu do narzędzia. Standardowe narzędzie kombinowane rzadko pasuje do zoptymalizowanego cyklu transferowego. Projektowanie na zamówienie — z dedykowaną geometrią rowków wiórowych, wyważeniem sił i smarowaniem wewnętrznym — to właśnie to, co odróżnia narzędzie działające od tego, które się łamie.
MadTools projektuje i wytwarza narzędzia kombinowane na zamówienie dla maszyn transferowych i centrów obróbczych. Dział 5 konstruktorów analizuje istniejący cykl, identyfikuje operacje możliwe do połączenia i opracowuje narzędzie z geometrią, materiałem i powłoką zoptymalizowanymi pod konkretne zastosowanie. Usługa obejmuje specjalistyczne ponowne ostrzenie w celu maksymalizacji żywotności narzędzia.
Źródła i odniesienia
[1] Production Machining — „Transfer Machines”. productionmachining.com. „The overall cycle time is determined by how long it takes to complete the slowest operation.”
[2] Wikipedia — „Rotary transfer machine”. Dostęp: luty 2026.
[3] Winema RV10 Flexmaster — Production Machining, 2022. Czas indeksowania stołu < 0,3 s.
[4] RTS Cutting Tools — „Custom Step Drill Builder”. rtscut.com. „The Step Drill is not practical with a small diameter less than 50% of the large diameter.”
[5] Patent USA 2013/0058734A1 — „Combined drill and reamer tool”. Analiza działania i ograniczeń narzędzi wiertło-rozwiertак.
[6] T. Matsumura — „Practical implementation of cutting force model for step drill using 3D CAD data”. CIRP Annals, Vol. 68, Issue 1, pp. 65-68, 2019.
[7] Cutting Tool Engineering — „Benefits of combining cutting operations in a single tool”. Whitepaper, 2017. Al Choiniere / Superion (Allied Machine & Engineering).
[8] N. Rupasinghe et al. — „Investigation of Chip Evacuation in Ejector Deep Hole Drilling”. Procedia CIRP (18th CIRP ICME), 2024.
[9] Shop Metalworking Technology — „Benefits of a Multi-Function, Single Tool”. shopmetaltech.com, 2022.
[10] CNC Concepts Inc. — „Can you speed up your tool change time?”. cncci.com. Czasy wymiany narzędzia: 2-8 s mechaniczne + 1-5 s orientacja wrzeciennika.
