Frézování titanu na nové úrovni

Fyzikální, chemické a tepelné vlastnosti titanu a jeho slitin činí tento material zcela ojedinělým z hlediska obtížnosti obrábění. Mezi typické problémy patří:

• nebezpečí opotřebení nástroje vzhledem k tomu, že břit je vystaven vysokým teplotám - titan je velmi špatným vodičem tepla;
• opotřebení/lom nástroje způsobené sklonem titanu k ulpívání na břitu, kdy následkem navařování třísek na břitovou destičku dochází k  vytrhávání malých částí ostří při dalším vstupu do záběru;
• průhyb materiálu/vibrace v důsledku jeho pružnosti;
• nebezpečí rychlého opotřebení nástroje vyvolaného účinkem vysokého tlaku v kombinaci s teplem soustředěným na malou styčnou plošku.

Pro obrábění titanu existuje několik hlavních pravidel, která je třeba dodržovat při použití relativně nízkých řezných rychlostí a ostrých břitů, stejně jako při optimalizaci rychlosti posuvu a zabránění chodu naprázdno během pracovní operace. Kromě toho je velmi prospěšná aplikace velkého množství řezné kapaliny dodávané přes vřeteno a nástroj, přednostně s využitím vysokotlakého přívodu, stejně jako výměna břitu při prvních známkách jakéhokoli opotřebení a využití sousledného frézování všude, kde je to možné.

Na začátku je vždy plánování

Při obrábění titanu je zcela samozřejmou nutností pečlivé plánování. Na počátku všech rozhodovacích procesů stojí volba vhodného obráběcího nástroje. Frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami nabízejí nejefektivnější způsob odebrání materiálu a v současné době představují první volbu pro hrubovací operace, právě tak, jako jsou nepřekonatelné, když se jedná o dokončování velkých rovinných ploch. Monolitní nástroje ze slinutého karbidu stále zůstávají přednostní volbou pro polodokončovací a dokončovací operace a také v případech, kdy poloměr, dutina nebo drážka mají tak malé rozměry, že nelze použít nástroj s vyměnitelnými břitovými destičkami.

Při výběru frézovacích nástrojů určených pro obrábění titanu je velmi důležité volit nástroj s relativně pozitivním úhlem čela a ostrým, ale pevným břitem a také karbidovou třídu, která dobře odolává tepelným a chemickým podmínkám vznikajícím při obrábění titanu. Pokud jde o geometrie a nástrojový materiál, prošla technologie využívající břitové destičky dlouhým vývojem a ve srovnání s monolitními nástroji ze slinutého karbidu nebo rychlořezné oceli je považována za cenově nejpříznivější dostupnou alternativu, zejména u nástrojů středních a velkých velikostí. Ještě do nedávna se pokrok v oblasti obrábění titanu nezdál být nějak dramatický, ale v současnosti se díky několika převratným objevům podařilo dosáhnout značného zvýšení funkčních a výkonnostních parametrů při frézování.

Řešení pro draky letadel

Mezi stále běžnější způsoby využití titanu se řadí také součásti draků letadel. Dominantní metodu v tomto případě představuje radiální frézování, částečně i proto, že charakteristická je zde přítomnost dutin, profilů, osazení, drážek a úzkých hran. Ale je zde i jiný důvod. Velké radiální hloubky řezu (Ae) mají za následek podstatné zkrácení životnosti nástroje, zatímco velké axiální hloubky řezu (Ap) se na životnosti nástroje projeví relativně velmi málo. Nejefektivnějšího způsobu úběru kovu při obrábění titanu je proto dosaženo při použití frézy s dlouhými břity a malou zubovou roztečí, radiální hloubky řezu 30 procent a největší možné axiální hloubky řezu, jakou daná aplikace umožňuje.

Fréza s dlouhými břity využívající vyměnitelné břitové destičky je zkonstruována tak, že paralelní řady břitových destiček nahrazují spojitý, ve šroubovici stočený břit monolitních frézovacích nástrojů. Při frézování titanu má rozhodující vliv absolutní stabilita uchycení břitů, jakýkoli pohyb, zejména při hrubovacích operacích, může vést k nerovnoměrnému opotřebení a vystavit břit nebezpečí poškození. Při obrábění titanu i nepatrné náznaky opotřebení nebo otupení nástroje velmi rychle přerůstají až v celkový lom.

Na základě těchto skutečností se pro novou frézu s dlouhými břity CoroMill 690 firmy Sandvik Coromant stalo prioritou vytvoření unikátního konstrukčního řešení břitové destičky. Její přesné ustavení a stabilní upnutí se tak projevuje ve spojení její schopnosti velké rychlosti úběru kovu a dostatečné prostornosti drážek pro odvod třísek. Břitové destičky pro frézu typu 690 byly optimalizovány pro obrábění titanu s využitím nových výrobních postupů umožňujících výrobu ostřejších, přímo lisovaných destiček, což se projevuje schopností lehčího řezu, plného záběru, snížením potřebného výkonu a způsobilostí pro použití vyšších rychlostí posuvu. Geometrie byla navržena speciálně pro radiální frézování titanu, přičemž vlastní průběh řezu napomáhá k prodloužení životnosti nástroje. Ukazuje se jako odolnější a spolehlivější těžce pracující "tahoun", který je vhodný pro efektivnější hrubování obrysů a dutin spojené s úběrem velkého množství materiálu, což je právě jedním z charakteristických požadavků při obrábění součástí draků letadel.

Zvýšení tlaku

Použití vysokotlakého přívodu řezné kapaliny dodávané přes vřeteno a nástroj významně ovlivňuje šíření tepla, utváření třísek, opotřebení nástroje a integritu obrobené plochy při obrábění titanu a jako takové přináší markantní rozdíl ve výkonnosti. Proud řezné kapaliny vystupující pod značným tlakem z trysky plní klíčovou úlohu při kontrole teploty, jelikož je přesně nasměrován na oblast břitové destičky, která je ve styku s opracovávaným povrchem, a vytváří jev tzv. "hydraulického klínu". Systém vysokotlakého přívodu řezné kapaliny může být snadno začleněn do obráběcího stroje prostřednictvím upínacího systému Coromant Capto, který je normalizován dle ISO.

Pokud pracovní postup zahrnuje také výrobu hlubokých úzkých dutin, nevyznačuje se monolitní karbidová stopková fréza upnutá v prodlužovacím sklíčidle optimální stabilitou, s čímž souvisí omezení hodnot řezných podmínek a eventuální riziko zhoršení kvality obráběné součásti. Avšak koncepce fréz s výměnnými řeznými hlavami je schopna nabídnout výhody vyplývající z možnosti výměny funkční části nástroje, ale také vysokou výkonnost při dokončování. Klíčovým prvkem této nástrojové koncepce je spojení mezi řeznou hlavou a stopkou nástroje, jelikož rozhodující vliv na funkční a výkonnostní charakteristiky má pevnost, stabilita, přesnost, opakovatelnost a jednoduchost ovládání.

Plnohodnotná axiální opěrná plocha, kuželová radiální opěrná plocha se speciálně vyvinutým závitem i opěrná plocha na konci závitu jsou naprosto neodmyslitelnou součástí nových frézovacích nástrojů s výměnnými řeznými hlavami CoroMill 316 firmy Sandvik Coromant.

Přijetí výzvy

Při čelním frézování titanu má zcela zásadní význam správná volba polohy nástroje vůči obrobku, společně se stanovením průměru frézy ve vztahu k šířce obráběné plochy. Spíše než používat vícenásobného průchodu nástroje je při frézování velkých ploch vhodné volit přednostně dráhu frézy tak, aby byl nepřetržitě zajištěn plný záběr nástroje, a pokud je to možné, aby nedocházelo k  přerušovaným řezům.

Pokud jde o vhodný typ čelní frézy, je s ohledem na pevnost a geometrii břitu velmi častou první volbou fréza s kruhovými břitovými destičkami, jako např. CoroMill 300. Použitá velikost musí zohledňovat rovnováhu mezi požadovanou hloubkou řezu, tvarem obráběné plochy a výkonem obráběcího stroje. Tento druh frézy představuje velmi efektivní a spolehlivý nástroj pro hrubování až polodokončování, vhodný také pro obrábění dutin pomocí šroubovicové interpolace. Mezi potenciální výhody, které přináší použití tohoto typu frézy, patří vysoká rychlost úběru kovu, dlouhá životnost nástroje a vrcholná spolehlivost.

Tenké třísky

Fréza se skutečně malým úhlem nastavení hlavního ostří, řekněme 10°, je schopná účinně využívat efektu ztenčení třísky, a tudíž dovoluje práci s vysokými rychlostmi posuvu. V kombinaci s malými hloubkami řezu může být frézování vysokými rychlostmi posuvu velmi efektivní metodou obrábění. Jelikož nevyžaduje vysoké hodnoty výkonu a krouticího momentu, je její použití možné také na menších, méně výkonných strojích.

Fréza pro vysoké rychlosti posuvu s úhlem nastavení 10°, jakou je např. CoroMill 210 využívající čtvercové břitové destičky, dovoluje ještě další způsob použití výhodný pro obrábění titanu - ponorné frézování. Fréza se posouvá v axiálním směru, přičemž postupně vytváří zahloubení do materiálu. Hlavní řezná síla směřuje vzhůru proti vřetenu stroje, a proto je velmi dobře eliminována. Vzhledem k tak vysokému stupni stability lze tedy frézu použít také při velkém vyložení nástroje.

§§§

Závěrem lze konstatovat, že axiální hloubka řezu představuje nejúčinnější prostředek pro optimalizaci rychlosti úběru kovu při hrubovacím frézování titanu, zatímco rychlost posuvu je nejúčinnější při optimalizaci dokončovacích operací. Při obrábění titanu představuje řezná rychlost pro oba typy operací, i když pokaždé v jiné míře, vždy limitující faktor. Za předpokladu využití těchto základních zásad pro obrábění titanu ve spojení se správně provedenou volbou a aplikací obráběcích nástrojů je z hlediska optimalizace obrábění titanu možné provádět celou řadu různých opatření, která vedou ke zvýšení konkurenceschopnosti a spolehlivosti obráběcího procesu.

Stanislav Škornička

Sandvik Coromant

B.Schoeniger@pinnaclemarcom.com