Efektivní frézování kompozitů s termoplastickou matricí

V současné době se používá mnoho kombinací materiálů výztužných vláken a matric. Mezi nejběžnější materiály vláken patří uhlík a sklo, které mají v kompozitech podobu jednosměrných vláken nebo tkanin. Jako materiál matrice se používá široké spektrum termoplastů: polypropylen (PP), polyamid (PA), polypropylensulfid (PPS) nebo polyetereterketon (PEEK), a to v kombinaci s uhlíkovými nebo skleněnými vlákny. Tím je pokryta nabídka materiálů od levných až po high-tech plasty.

Základní výhodou kompozitů s termoplastovou matricí proti zatím běžněji používaným kompozitům s termosetovou matricí je možnost měnit tvar dílce při zahřátí na určitou teplotu (tzv. termoforming). To výrazně zjednodušuje a zrychluje výrobu dílců z těchto materiálů a současně otevírá možnosti dalších technologií, např. integrace insertů v podobě pouzder, vložek apod.

S nárůstem objemu dílců z těchto kompozitůs termoplastickou matricí roste také přirozeně i potřeba zvyšování efektivity jejich opracování,a tedy i obrábění. Současně s řešením efektivity obrábění je třeba velkou pozornost věnovat problematice dosažení požadované jakostiobrobeného povrchu a dílce, tj. bez defektů, jako je delaminace, neodříznutí vláken,vytržení vláken z matrice nebo lokální natavení matrice.Efektivitu obrábění významněovlivňují jakmateriálové vlastnosti (materiál matrice, typ a skladba vláken, podíl vláken v matrici), tak i volba řezných podmínek a řezného nástroje (typ, materiál a geometrie).

Přes velkou podobnost termoplastických a termosetových vláknových kompozitů je přístup k jejich obrábění rozdílný a vyplývá z odlišných vlastností obou typů matric. Termosetické matrice bývají zpravidla křehké, což ovlivňuje tvorbu třísky. Třísky jsou v tomto případěvelmi jemné, prakticky ve forměprachu. U termosetických matric je změna vlastností s rostoucí teplotou zanedbatelná, na rozdíl od termoplastických matric, kde se mechanické vlastnosti matrice s teplotou mění značně. Po překročení teploty skelného přechodu materiál začíná měknout a ztrácí své vlastnosti a s dalším zvyšováním teploty dochází k jeho tavení. Obrábění měkčí matrice s vyšší tažností u termoplastů nevede k tvorbě typicky velmi jemných třísek,ale k tvorbě krátkých třísek ne nepodobných těm, které vznikají při obrábění kovových materiálů, a pak nevelkého množství prachových částic z vláknové výztuže. Při obrábění kompozitů s termoplastickou matricí je kritickým faktorem také tepelné ovlivnění obrobku a obrobené plochy. S ohledem na větší či menší nasákavost těchto materiálů se však možnosti chlazení řezného procesu omezují výhradně na aplikaci ofuku upraveným či neupraveným tlakovým vzduchem.

V současné době je nabízeno nepřeberné množství typů a geometrií řezných nástrojů pro obrábění zmiňovaných materiálů. Nástroje jsou k dispozici jak pro vrtací a soustružnické operace, tak i pro operace rovinného a tvarového frézováníči stále populárnější operace –ořezávání dílců na konečný rozměr.Právě pro posledně jmenovanou operaci se používají většinou monolitní frézy menších průměrů (do cca 8–12 mm) s větším počtem břitů.

Je už praxí prokázáno, že nástroje pro efektivní obrábění obou typů kompozitů jsou dnes vyráběny buď z polykrystalického diamantu (PCD) anebo z povlakovaného slinutého karbidu (nejčastěji DLC povlaky). Povlakovaný karbidový nástroj je přitom oproti PCD nástrojům levnější variantou. Přestože mohou karbidové nástroje vykazovat i 10x nižší trvanlivost břitu než nástroje z PCD (především v důsledku abrazivního působení tvrdých vláken v kompozitu), jsouvelmi často vhodným řešením s ohledem na vyšší počet břitů a dosahovanou vyšší jakost obrobeného povrchu.Abrazivnímu opotřebení pochopitelně lépe odolávají nástroje s diamantovými břity.I z tohoto důvodu není dnes nasazení nástrojů s diamantovými břity ničím zvláštním, a to i přes jejich výrazně vyšší pořizovací cenu.Bylo však jižnaznačeno, že problém efektivního opracování kompozitů není spojen pouze s trvanlivostí břitu v řezu, ale také s výslednou jakostí obrobku. A právě diamantové nástroje díky málo pozitivní geometrii často vedou k výraznější tvorbě defektů v podobě neodříznutých vláken, tvorby otřepů, delaminace a nebo i výrazně větších řezných sil.

Výroba nástrojů s diamantovými břity navíc umožňuje jen tvorbu přímých ostří na nástroji, což má za následek jednak proměnlivou geometrii břitu po ostří a také znemožnění vytvoření většího počtu břitů. Dodržení požadované produktivity proto musí být kompenzováno dalším zvýšením řezných podmínek (řezné rychlosti a posuvu), což však může vést k již zmíněným nežádoucím vlivům na jakost povrchu. Zatímco možný nárůst řezné rychlosti je limitován potřebou malého tepelného ovlivnění plochy řezu, potřebný nárůst posuvu na zub často limituje posuvem zvýšená tvorba vad na obrobku (delaminace, nedoříznutá vlákna)a velká drsnost povrchu. Uvedená negativa nástrojů s břity z PCD lze výrazně potlačit laserovou úpravou břitu – vytvořením geometrie laserem. Nicméně dnešní cena takového řešení je velmi vysoká a cenu diamantového nástroje ještě prakticky zdvojnásobuje.

Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (VCSVTT) je v rámci výzkumných prací v projektu Fibrechain (7. rámcový program) řešena efektivita operací při ořezávání termoplastických kompozitů, zejména pak materiálů PA12/C, PPS/C, PEEK/C,PA12/G a sendvičové kompozitové struktury. Desky kompozitu o tloušťce do 5 mm jsou při této operaci ofrézovávány monolitními frézami menšího průměru (cca do 12 mm). Stranové zanoření nástroje se pak pohybuje cca do 1/2 jeho průměru. Pro tyto operace se jako nejvhodnější jeví tzv. dvojitě kompresní nástroje, tj. se dvěma protiběžnými šroubovicemi. Tato geometrie totiž nejlépeomezuje delaminaci a vytahování otřepů na obou stranách desky. Vlivem takto řešených geometrií však mívají tyto nástrojenižší počet břitů (u diamantových nástrojů těchto průměrů často i jen jeden břit), navíc mívají i nedostatečně pozitivní geometrií, která opět může výrazně omezit tvorbu vad na povrchu obrobku.

Cílem prováděného výzkumu a vývoje především je, aby bylo dosaženo zvýšení produktivity a efektivity této operace a aby kvalita obrobeného povrchu mohla být alternativou pro další používání technologie ořezávání–použití laserového nebo vodního paprsku. Pro možnost zvýšení efektivity a produktivitytéto obráběcí operace proto byly ve spolupráci s několika českými a jednou zahraniční firmou připraveny vlastní prototypy nástrojů. Jednalo se o inovaci jak samotného tvaru nástroje, tak i geometrie břitu.Prototypy byly podrobeny následnému dlouhodobému testování životnosti břitu a vlivu řezných podmínek na jakost obrobeného povrchu (obr.6). Výsledky doposud provedených testů ukázaly, že nové varianty řezných nástrojů mohou skutečně býtekonomicky příznivějším a produktivnějším řešením. Nástroje jsou sice v podobě prototypu o cca 40 % (povlakovaný karbid) a až50% (PCD) dražší než stávající katalogová řešení, při nasazení za stejných řezných podmínek však došlo ke zkrácení času obrobení vzorového dílceaž na 1/3 původního času.Dosažená jakost povrchu při porovnání nasazení PCD nástrojů byla navícnovými nástroji výrazně vyšší. S ohledem na možnost výroby lze navíc očekávat další výraznější snížení ceny nástrojů a tím i dosažení lepších parametrů efektivity.

Vývoj v rámci tohoto projektu však zdaleka není u konce. Dalším krokem bude druhá série prototypů, u které je výzkumníky předpokládán další posun ve výsledné hospodárnosti, produktivitě a kvalitě procesu. Současně s tím je řešena obdobná problematika při vrtání otvorů a soustružení kompozitových trubek.

Ing. Petr Mašek, Ing. Pavel Zeman, Ph.D.

Výzkum, který vedl k těmto výsledkům, získal finanční prostředky ze Sedmého rámcového programu 7RP/2007-2011 Evropského společenství na základě grantové dohody č. FP7-NMP-2010-LARGE-4 Fibre Chain – Integrated Process Chain for Automated and Flexible Production of Fibre-Reinforced Plastic Products.

Ústav výrobních strojů a zařízení, VCSVTT, FS ČVUT v Praze

J.Rudysova@rcmt.cvut.cz