Nástroje pro rychlejší a levnější obrábění CMC keramiky

Zavedením zesilujících vláken do polymerní matrice kombinují materiály CMC vlastnosti monolitické keramiky, jako je odolnost vůči korozi, teplotě a oděru, s takřka duktilním (tvárným) lomovým chováním. I když je prodloužení při přetržení polymerní matrice a výztužných vláken téměř stejně velké, vede cílené nastavení mezní plochy mezi vlákny a matricí k materiálu, u kterého se vznikající vrcholy pnutí lokálně snižují prostřednictvím mechanismů pohlcujících energii. Tento efekt význačně eliminuje například tvorbu mikrotrhlin nebo delaminaci.

Předpokladem pro splnění komplexních požadavků při obrábění CMC materiálů je použití PKD nástrojů a finálních konvenčních brousicích operací. Provozní teploty použitého materiálu C/C-SiC bez dodatečné oxidační ochrany závisí na prostředí a mohou činit až 1 400 °C (krátkodobě 1 500 °C) v neoxidační atmosféře. To je mnohokrát více, než je maximální provozní teplota plastů se zesílenými vlákny.

Uvedené vlastnosti umožňují konstrukci velmi výkonných tepelně zatížených součástí. Nejvýznamnějšími příklady jsou zakládací rošty do pecí, trysky hořáků a nouzové brzdové systémy pro výtahy. Keramika se zesílenými vlákny se však v současné době používá také v obložení turbín, zejména v proudových motorech a v systémech tepelné ochrany v aplikacích pro oblast kosmonautiky.

V budoucnu se budou materiály CMC používat stále více, zejména ke zvýšení únosnosti vysoce namáhaných konstrukcí – například pro zvýšení účinnosti turbín a tepelných výměníků. Nové studie ukazují, že třískové obrábění CMC materiálů s nástroji s geometricky definovanou řeznou hranou (namísto komplikovaných finálních operací broušením) přináší obrovský potenciál pro snížení vysokých výrobních nákladů těchto tvarově složitých součástí.

Uvedené komponenty z CMC byly dosud vyráběny „near net shape“, tj. co nejblíže finální kontuře. Konečného rozměru se doposud běžně dosahuje použitím procesu broušení s geometricky nedefinovaným břitem. Prostřednictvím těchto brousicích procesů se dosahuje velmi vysokých jakostí povrchu, avšak na druhé straně také jen velmi malých úběrových objemů třísek v čase. Společnost Gühring v tomto bodě přichází se zcela novým přístupem a spolu s Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR) dokazuje, že díky obrábění s geometricky definovaným břitem a vysoce výkonnými PKD nástroji může dojít nejen k výraznému zkrácení doby obrábění, ale může také zcela odpadnout finální proces broušení obrobku.

V prvním kroku se s ohledem na daný cíl zjišťovala řezná data pro obrábění materiálu C/C-SiC. V této počáteční fázi se ukázalo, že jako řezný materiál pro aplikaci obrábění s geometricky definovaným břitem přichází v úvahu podle očekávání pouze umělý diamant. Důvodem je tvrdost matrice SiC, která je s hodnotou cca 2 600 HV30 výrazně vyšší než tvrdost slinutého karbidu (1 500 až 2 200 HV30) a jen těsně pod tvrdostí PVD povlaků.

Výsledkem je, že pouze nástroje osazené břity PKD nebo nástroje s diamantovým povlakem CVD mají potenciál pro spolehlivé obrábění materiálů C/C-SiC. Kromě toho se v rámci obrábění za sucha prokázalo, že se s řeznými parametry vc = 170 m.min-1 a posuvem na zub fz = 0,006 mm dosahuje vysoké kvality povrchu.
Pro obrábění s procesní chladicí kapalinou bylo možné řezné parametry v rámci výzkumu dokonce výrazně zvýšit až na vc = 250 m.min-1 a fz = 0,06 mm. Zároveň se enormně prodloužila trvanlivost nástroje o více než desetinásobek.

Tyto velice pozitivní výsledky byly následně použity ke zhotovení tvaru lopatky blízkého finální kontuře z bloku C/C-SiC na základě vypočteného modelu lopatky turbíny. Praxi blízký model již má v tomto kroku obrábění komplexní geometrii lopatky turbíny. Následně bylo možné pro zpracovaný model opakovaně potvrdit řezné hodnoty a rychlosti úběru pro mokré obrábění. Zvláštní pozornost však nebyla věnována pouze řeznému nástroji, ale také navržené strategii frézování, kterou společnost Gühring speciálně navrhla pro obrábění keramiky se zesílenými vlákny a která je přizpůsobena specifickým materiálovým požadavkům.

Realizace geometrie lopatky byla rozdělena na dvě sekvence a prováděla se pomocí tříbřitého PKD frézovacího nástroje o průměru 14,0 mm. V první fázi probíhá přísuv v jednotlivých krocích obrábění, přičemž rozhodujícím kritériem je citlivý přístup a zohlednění povahy materiálu. Avšak zejména ve druhé fázi přísuvu hraje rozhodující roli tloušťka vrstvy a pevnost zbývajícího dílu. Pokud by se zde zvolily příliš vysoké rychlosti úběru v rovině frézování, která často probíhá rovnoběžně se směrem vláken v materiálu, mohlo by dojít k odlupování exponovaných hran. Důvodem je šíření trhlin v materiálu, ke kterým dochází podél vláken na jejich rozhraní.
V oblasti průmyslového použití CMC materiálů se z důvodů efektivity zdrojů zpravidla upouštělo od obrábění relativně velkých objemů. O to působivější je, že se při předběžném obrábění prototypu nakonec ukázalo, že při odpovídajícím způsobem optimalizované strategii frézování již nic nebrání obrábění relativně velkých objemů.

Posledním krokem projektu byla výroba finální kontury pomocí speciálního PKD nástroje s monolitní hlavou společnosti Gühring. Za tímto účelem byla vyvinuta speciální koncepce nástroje, jejímž cílem je realizovat dokončovací obrábění lopatky turbíny do stavu blízkého konečné kontuře jediným nástrojem a pouze v jednom jediném procesním kroku.

Kromě splnění geometrických požadavků je zde výzvou především dosažení vynikající kvality povrchu, aby bylo možné pokračovat bez dodatečného broušení. Bylo také důležité dosáhnout dostatečné trvanlivosti nástroje, aby bylo možné celkově obrobit alespoň jednu lopatku turbíny, aniž by bylo nutné nástroj renovovat.
Odpovídající koncepce nástroje vyhovuje složitosti všech požadavků – vyvinutý nástroj PKD s monolitní hlavou je symbiózou výhod řezného materiálu PKD (tvrdost a odolnost proti opotřebení) s volností geometrie konvenčních monolitních SK nástrojů.

Frézovací PKD nástroj, který byl vyvinut pro obrábění keramiky se zesílenými vlákny, dosahuje díky své komplexní geometrii měkkého řezu. To umožňuje optimální obrábění náročného CMC materiálu bez vystupujících vláken a bez poškození keramické matrice. Vysoké požadavky na kvalitu a strukturální integritu součástí byly pozitivně potvrzeny v rámci vyšetření CT přístrojem. Prostřednictvím nově vyvinutého PKD nástroje s monolitní hlavou a navržené strategie frézování přispívá společnost Gühring ke snižování výrobních nákladů u CMC dílů a umožňuje tak budoucí rozšíření tohoto materiálu v mnoha oblastech aplikací a tím i zvýšení jejich účinnosti.

Gühring

www.guehring.cz