Inovace a zvýšení produktivity obrábění v leteckém průmyslu

Letecký průmysl se vyznačuje vysokými nároky a požadavky na nástroje, procesy i na používané materiály. Vyznačuje se mírou obrábění až devadesát procent. Ve světě průmyslu je obtížné najít jiné odvětví, které by mělo tak rozmanité požadavky na nástroje, jako letectví a kosmický průmysl.

Na konstrukční prvky, které se v tomto odvětví používají k sestavování větších celků a ve výsledku celých letadel, jsou kladeny vysoké nároky na přesnou rozměrovou stabilitu a maximální kvalitu obrobených povrchů. Pro splnění všech těchto požadavků společnost Gühring vyvinula a neustále vyvíjí nové nástroje a nová řešení pro vysoce výkonné nástroje pro obrábění. Tyto precizní nástroje přinášejí úsporu nejen delší životností, ale hlavně svým přínosem pro stabilní proces obrábění. Nástroje jsou vhodné pro obrábění na CNC strojích, strojích konvenčních nebo i pro ruční obrábění, zejména pro vrtání a vystružování.

Současným trendem v letectví jsou materiály z vláknitého kompozitu. Zde se pro méně namáhané díly používají sklolaminátové materiály (GFRP – Glass Fiber Reinforced Polymer) se zesílenými krátkými vlákny. Více zatěžované konstrukční součásti se zhotovují z kvalitních materiálů s uhlíkovými vlákny (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymer). Využitím této skupiny materiálů se optimálně využívá jejich potenciál pro výrobu lehkých konstrukcí. Avšak nekonečná vlákna i proces tváření, jež se využívají při výrobě těchto materiálů, staví výrobce nástrojů před nesnáze, které vznikají při obrábění. Tyto obtíže se kompenzují cílenými úpravami nástrojů právě pro tyto specifické aplikace.

Vývoj nástrojů není směrován pouze k delším trvanlivostem, ale také k maximální eliminaci tvorby delaminací při obrábění vláknových kompozitů. Nadměrná delaminace neznamená jen zvýšení podílu lidské práce pro její odstranění, pokud je ještě únosná, ale může také znamenat celkové znehodnocení obráběného dílce, či dokonce velkého celku. Z tohoto důvodu byla vyvinuta celá řada speciálních nástrojů, ať už ze slinutého karbidu včetně povlaků, nebo s polykrystalickým diamantem, které delaminaci nezpůsobují, případně ji minimalizují. Zejména jde vrtáky se speciální geometrií břitu a špičky. Na tyto nástroje navazují frézy, které jsou koncipovány tak, aby se mohly snadno zanořovat. Tyto frézy jsou opatřeny speciálním čelním výbrusem, který umožňuje frézování kolmo do materiálu, nebo zanoření jen do určité hloubky a vyfrézování kapsy. Tento typ fréz je velmi vhodný pro odfrézování i pouze některých vrstev obrobků z vícevrstvých kompozitů, kde se například kombinuje GFRP a CFRP.

V leteckém průmyslu se také hojně setkáváme s materiály ze slitin titanu a niklu. Jedná se o slitiny významné svou stálostí, pevností, teplotní odolností a v případě titanu také nízkou hmotností. Zejména niklové slitiny vynikají svou odolností proti nejrůznějším negativním vlivům, jimž jsou letecké komponenty vystaveny. Jejich obrábění je však velice obtížné. Pro aplikace v těchto materiálech firma Gühring vyvinula a samozřejmě dále vyvíjí nové nástroje, jejichž přednosti spočívají především v mikrogeometrii a speciálních tenkých vrstvách a jejich kombinacích.

Další skupinou konstrukčních materiálů, které se hojně používají v letectví, jsou oceli, především nerezové, žáruvzdorné a žárupevné. I v tomto případě je k dispozici velká škála nástrojů. Jedná se především o speciální nástroje, jak bylo výše zmíněno. Speciálním nástrojem však není myšleno jen to, že má jiný průměr, než mají katalogové nástroje, ale jedná se také o stupňové vrtáky, kde jednotlivé stupně vytvářejí díry o různých průměrech a také zároveň srážejí hranu na vstupu do díry. Samozřejmě jsou k dispozici i vrtáky s takzvaným zpětným srážením. To znamená, že když vrták provrtá materiál, následuje sražení hrany pomocí kruhové interpolace. To je zajištěno příslušným naprogramováním CNC stroje.

Je možné říct, že hlavní skupinou materiálů v leteckém průmyslu stále zůstávají slitiny hliníku. Hliník a jeho slitiny vynikají především svou nízkou hmotností a snadnou obrobitelností, ale přitom i dostatečnou pevností. Mnoho konstrukčních prvků letadel se stále vyrábí ze slitin hliníku, ať už se jedná o odlitky, výkovky, nebo válcované bloky. Tyto konstrukční prvky mohou být malé, ale výjimkou nejsou i několikametrové bloky. V případě velkých dílců dochází k odfrézování a odvrtání značné části původního polotovaru, což klade nároky nejen na nástroje, ale i na obráběcí stroje. Vzhledem k vlastnostem tohoto materiálu probíhá obrábění při velmi vysokých řezných rychlostech a vysokých posuvech i úběrech. To také klade vysoké nároky na konstrukci nástrojů a jejich trvanlivost.

Jedním ze zajímavých příkladů nástrojů vyvinutých přímo na základě specifických požadavků zákazníka je vrták s označením Aero-X. Je to nástroj z rychlořezné oceli HSCO s 8 % kobaltu se speciálním povlakem a ideálně tvarovanou drážkou pro odvod třísek. Úhel špičky je 135° s křížovým výbrusem. Tento nástroj je vhodný pro použití nejen na strojích a zařízeních různých typů, ale hlavně velmi dobře funguje i při ručním vrtání, které je při montáži celků a vlastně i celých letadel nejčastějším typem obrábění. Tento vrták je samozřejmě vhodný pro spoustu dalších aplikací, nejenom pro letectví. Zároveň tyto vrtáky vynikají svou dlouhou trvanlivostí.

V leteckém průmyslu se používá jedna velmi důležitá obráběcí aplikace – vystružování otvorů pro nýty. Prosté vyvrtání otvoru v součásti je pouze prvním stupněm toho, jak dosáhnout ideálního tvaru díry. Využití výstružníků pro dosažení požadovaných tolerancí je v tomto případě nezbytné. Výstružníky se zhotovují převážně ze slinutých karbidů, pro některé aplikace jsou však i dnes ideální variantou nástroje z rychlořezných ocelí. V převážné většině se jedná o nástroje speciální a téměř vždy mají v přední části vodicí průměr, který odpovídá průměru předvrtané díry.

Pro aplikace závitování v leteckém průmyslu je k dispozici široká škála závitníků a závitových fréz. Zde především vyniká závitová vrtací fréza MTMH3-Z, která je vhodná pro všechny druhy materiálů – u ocelí až do tvrdosti 65 HRc, kde s obecně doporučenými řeznými parametry dosahuje až o 90 % delší trvanlivosti, než je běžné u srovnatelných konkurenčních nástrojů. Jedná se o výjimečný nástroj, jehož hlavním znakem je to, že je levořezný.

Pro velké úběry materiálů při obrábění se používají i katalogové nástroje. Například frézy RF100A, které jsou k dispozici v několika variantách. Frézy s hrubovacím profilem jsou velmi výkonné při frézování různých vybrání a kapes, kdy je potřeba odebrat maximální možné množství materiálu za jednotku času. Ke dvěma základním variantám patří nástroje s povlakem Carbo a nástroje bez povlaku s leštěnou drážkou pro snadný odvod třísek i zamezení tvorby nárůstků na břitech.
Pro vrtání je ideální variantou vrták RT100Al, který má kromě speciální geometrie břitu také leštěnou drážku pro snazší odvod třísek.

Pro strojní vystružování jsou k dispozici také vysoce výkonné výstružníky HR500, a to ve variantách pro slepé i průchozí otvory. Jejich aplikace je možná v běžných konstrukčních materiálech i ve speciálních slitinách a v kalených ocelích do 63 HRc.

Příklad, jak by měl vypadat povrch díry po vrtání. Vlevo je CFRP s tkanou strukturou a vpravo se stejnosměrnou strukturou. (Zdroj: Gühring)

V leteckém a kosmickém průmyslu jsou kvůli snižování hmotnosti a zvýšení efektivnosti provozu stále více aplikovány materiály jako GFRP a CFRP, titan, slitiny hliníku a také zvláštní legované slitiny, například Inconel nebo Waspalloy. Ve velké míře se zde používají sendvičové materiály, jež jsou skládány z těchto materiálů v různých vrstvách a kombinacích. Obrábění těchto materiálů klade specifické požadavky na řezné nástroje, obráběcí stroje a celý výrobní proces.

Ve firmě Gühring je tomuto oboru věnována mimořádná pozornost. Celé speciální oddělení s názvem Aircraft s celosvětovými kompetencemi pomáhá při vývoji a návrhu jednotlivých řezných nástrojů a jejich aplikací. Jednotliví specializovaní prodejci a aplikační technici naslouchají zákazníkům a získávají od nich požadavky na nástroje, jaké na ně kladou specifické výrobní operace v tomto vrcholovém oboru.

Důležitou podporou tomuto oddělení je samozřejmě i centrální výzkum a vývoj disponující dostatečně dimenzovaným technickým zázemím pro vývoj optimálních řezných materiálů včetně vývoje a aplikací tenkých vrstev. Pro simulace a analýzy jsou k dispozici nejmodernější technické nástroje jako FEM, vysokorychlostní kamery i termokamery a také REM mikroskopy. Nechybí ani zařízení pro měření řezných sil během obrábění i nejmodernější zkušební stroje.
Výsledkem vývoje jsou jednotlivé špičkové nástroje, realizované také jako systémové nástrojové řešení pro komplexní obrábění.

Monika Müllerová

Gühring