Témata
Reklama

Nástroje pro rychlejší a levnější obrábění CMC keramiky

Do středu pozornosti v oblasti nových konstrukčních materiálů se v současné době stále více dostává keramika se zesílenými vlákny (Ceramic Matrix Composites, CMC). Projekt společnosti Gühring, který probíhal ve spolupráci s Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR), ukazuje, že s PKD nástrojem s monolitní hlavou v kombinaci s novou strategií frézování je možné významně zkrátit doby obrábění CMC materiálů a dosavadní finální operace broušení může dokonce zcela odpadnout.

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.

Reklama
Reklama
Strategie frézování geometrie lopatky: a) koncepce frézovací strategie, b) krok 1 – frézování hrubého tvaru, b) krok 2 – frézování finální kontury. (Zdroj: Gühring)

Použití CMC materiálů

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.

Proces broušení odpadá

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.

Diamant jako řezný materiál

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.

PKD nástroj s monolitickou hlavou. (Zdroj: Gühring)

Strategie frézování pro geometrii lopatky

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.

Obrábění finální kontury – průlom v technologii výroby

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.

Závěrem

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

Reklama
Související články
Zrod (a znovuzrození) břitové destičky

Prakticky veškeré výrobky z kovů se obrábějí pomocí břitových destiček – ať už se jedná o letecký průmysl, výrobu energetických zařízení, nebo oblast spotřebního zboží. Břitové destičky jsou využívány ve velkém měřítku a pro širokou škálu aplikací, od frézování masivních bloků motorů a tvarového obrábění forem využívaných výrobci sportovní obuvi až po obrábění číselníků. Seznam požadavků na břitové destičky je dlouhý: vysoká odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost, vysoké rychlosti úběru kovu a maximální spolehlivost, a to i v náročných podmínkách, jako jsou složité dráhy nástrojů nebo hluboké dutiny, špičková výkonnost při obrábění za sucha i za mokra a vynikající kvalita obrobené plochy při dodržení přísných tolerancí.

Vzestup leteckého a vesmírného trhu

Pro sektor třískového obrábění je automobilový průmysl jedním z nejdůležitějších trhů. V trendu stále více se uplatňujícího elektrického pohonu automobilů se výrobci obráběcích strojů a nástrojů snaží objevit nové trhy. Zaměřují se na letecký a vesmírný průmysl.

EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

Související články
Na evropské trhy s finanční podporou

První celoevropsky významná akce v oblasti strojírenství a subdodavatelské branže se v příštím roce koná na lipském výstavišti v termínu 2. až 5. března: veletrhy Intec a Z 2021. Také a možná právě v současných obtížných časech zde čeští vystavovatelé a návštěvníci mohou navázat důležité obchodní kontakty a informovat se o nejnovějších trendech a vývoji v oboru. Vystavovatelé z Česka navíc se státní podporou.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Inovativní technologie v praxi

Odborné technické semináře, kde jsou účastníkům prezentovány novinky na trhu a během praktických ukázek dokazovány účinnosti a funkčnosti nových produktů, je podle mého názoru nejlepší způsob, jak zájemcům předvést danou technologii a samotnými činy je přesvědčit, popřípadě doškolit. Společnost Misan takové semináře pořádá pravidelně. V prvních dvou dnech pro technickou veřejnost, další den pro studenty středních a vysokých škol, odborných učilišť apod. Letos ve druhé polovině února byl seminář s názvem Inovativní technologie v praxi uskutečněn ve spolupráci se společností Tungaloy, kdy právě její nástroje byly implementovány do strojů Okuma a Brother pro různé aplikace obrábění.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Inovace a zvýšení produktivity obrábění v leteckém průmyslu

Svět se pod tlakem pandemie mění a s ním se mění i pohled na letecký průmysl. Kvůli těmto změnám je třeba pomáhat zákazníkům jejich výrobu nejen znovu rozbíhat, ale i optimalizovat. O to důležitější je pro firmu Gühring dívat se do budoucnosti a nepodléhat krizovým tendencím. Gühring je tradičním dodavatelem pro letecký průmysl, a to nejen u nás v České republice, ale i celosvětově.

Nový rekord v HPC frézování

Společnosti Chiron a Gühring, výrobce strojů a specialista na nástroje, společně dosáhly významného rekordu v oblasti vysokovýkonného frézování: 1 000 cm3 oceli (16MnCr5) bylo obrobeno za 60 sekund. To představuje úběr osmi kilogramů oceli za minutu. A také extrémní třískový objem v čase a enormní posuv.

Premiérový zapichovací program zvyšuje přesnost a produktivitu

Techničtí odborníci, kteří pracují s obráběcími technologiemi, se musejí dále vzdělávat, aby byli schopni udržet krok se současným rozvojem vědy a techniky. Pravým důvodem je na jedné straně obrovský rozvoj nových konstrukčních materiálů – nelegovaných či legovaných ocelí, litin, slitin, nerezových ocelí, neželezných kovů a v poslední době kompozitních materiálů – a na straně druhé různorodost technologií při využívání obráběcích nástrojů.

Komplexní servis nástrojů

V oboru péče o nástroje - tool managementu - zúročila firma Gühring již 17 let svých zkušeností. Nové výdejní systémy TM byly opatřeny novým funkčním inovativním designem i se stavovou LED signalizací jednotlivých zásuvek. Komplexní paket služeb Gühring Tool Management Service (GTMS) může díky své jednoduché modulové hierarchii sloužit u každého zákazníka.

Konstrukce bez omezení

Rostoucí složitost součástí, která je způsobena především tendencí k lehkým konstrukcím, vyžaduje nové geometrie a tvary nástrojů, které již není možné realizovat klasickými konvenčními způsoby třískového obrábění, jako jsou například soustružení a frézování.

Elektronický tréninkový program a zapichovací nástroje

Firma Gühring je v povědomí technické veřejnosti vnímána hlavně jako jeden z vedoucích inovátorů v oboru precizních rotačních nástrojů a upínací techniky. Poněkud opomíjenou oblastí byly nástroje a držáky pro precizní soustružnické operace. K zásadní změně došlo v loňském roce uvedením celého kompaktního programu nazvaného Zapichovací systémy.

Na konstrukci záleží - maximalizace výkonu výrobní linky

V současné době moderních výrobních technologií požadují různá průmyslová odvětví rychlá a efektivní řešení pro hromadnou výrobu. Pro tento účel byly navrženy výrobní linky. Ty se skládají z několika zpravidla jednoúčelových strojů vybavených různými typy nástrojů pro různé obráběcí operace, jako jsou soustružení, vrtání, frézování anebo vyvrtávání. Každý jednotlivý stroj může být vybaven několika vřeteny s řeznými nástroji pro obrábění různých povrchů obrobku, což znamená, že současně může pracovat i několik desítek nástrojů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit