Nové perspektivy v obrábění titanových draků letounů

Očekává se, že odvětví letecké dopravy zaznamená v následujících letech prudký růst, neboť spotřebitelé budou i nadále směrovat svou poptávku k novým trasám a častější frekvenci letů. K dalším určujícím faktorům patří globální demografie a tvorba bohatství v Asii a na Středním východě. Podle společnosti Airbus je reálné, že během příštích 15 let vzroste objem letecké dopravy ve srovnání se současnou úrovní na dvojnásobek.

Všechna tato očekávání ukazují na jediný výsledek – růst poptávky po letadlech. Naproti tomu výzvou pro OEM dodavatele do leteckého průmyslu bude zrychlení výroby.

Dodavatelskému řetězci v leteckém průmyslu to přináší jasný lavinový efekt. Strojírenské podniky po celém světě, které poskytují své služby tomuto sektoru, musejí splňovat rostoucí požadavky na výkonnost, objem výroby, kvalitu, dodací lhůty a cenu. Podle nedávného průzkumu společnosti Deloitte lze očekávat, že dodavatelský řetězec v leteckém průmyslu bude i nadále pokračovat ve své transformaci s cílem snížit náklady, zlepšit schopnost rychlé reakce a zvýšit rozsah investic.

Pokud jde o konstrukci letadel, poptávka po zvyšování podílu titanu v leteckých konstrukcích neustále roste, především z důvodu jeho vynikajícího poměru pevnosti vůči hmotnosti. Nicméně draky letounů jsou rozměrné součásti, u kterých je předtím, než je dokončený díl zcela připraven k následné montáži, často zapotřebí obrobit značné množství materiálu. S ohledem na to je důležité, aby dodavatelé obráběcích nástrojů nabízeli řešení, která umožňují dosažení vysoké produktivity a dlouhé a předvídatelné životnosti nástrojů. Aby však byly splněny požadavky moderních strojírenských podniků, které stojí před nutností optimalizace výroby titanových draků letounů, je zapotřebí více než jen inovace nástrojů. Někdy to vyžaduje zcela novou strategii.

Jednou z takových strategií je stranové frézování s vysokými rychlostmi posuvu. Liší se od tradičních metod obrábění, které využívají velké radiální hloubky řezu a vyžadují použití nízkých řezných rychlostí v rozmezí 40–60 m.min^-1. Pro stranové frézování s vysokými rychlostmi posuvu je charakteristická malá radiální hloubka řezu, konstantní hloubka třísky a vysoká řezná rychlost a rychlost posuvu.

Vědecko-výzkumný tým společnosti Sandvik Coromant se rozhodl vytvořit obráběcí nástroj, který by umožnil využití výhod nových strategií frézování, jako je stranové frézování s vysokými rychlostmi posuvu s podporou CAM programování, přičemž hlavní myšlenkou je, že zvýšení produktivity a prodloužení životnosti nástroje může přinést významné výhody.

Po dvou letech usilovných vývojových prací je výsledkem monolitní karbidová stopková fréza CoroMill Plura HFS, což je z hlediska geometrie a nástrojové třídy unikátní řešení, které bylo speciálně navrženo pro obrábění titanových slitin, především pro práci v kombinaci s využitím strategií stranového frézování s vysokými rychlostmi posuvu.

Řezné rychlosti nad 100 m.min^-1

Pro strojírenské podniky zabývající se výrobou titanových součástí byla vždy produktivita do jisté míry úskalím. Důvodem je, že obrobitelnost titanu zhoršují jeho vlastnosti, především jeho vysoká chemická reaktivita, nízká tepelná vodivost a deformační zpevňování. S cílem eliminovat tyto problémy byla nejnovější stopková fréza navržena tak, aby při obrábění titanových slitin s využitím řezných rychlostí přesahujících 100 m.min^-1 nabízela spolehlivou výkonnost a přitom současně vykazovala i dlouhou životnost nástroje.

Hlavním mechanismem opotřebení při frézování titanových slitin je difuzní otěr, který je způsoben vzájemnou chemickou reakcí mezi titanem obsaženým v obráběném materiálu a chemickými prvky obsaženými v povlaku a substrátu nástroje. Vyšší teplota v místě řezu tuto chemickou reakci zesiluje, takže pro všechny, kteří chtějí dosáhnout delší životnosti nástrojů, je obzvlášť důležitý účinný systém přívodu řezné kapaliny.

Aby došlo ke zlepšení přenosu tepla z oblasti řezu a zvýšení účinnosti použití řezné kapaliny, je tato nejmodernější monolitní karbidová stopková fréza vybavena nově vyvinutým řešením vnitřního přívodu řezné kapaliny. Kanálky pro přívod řezné kapaliny mají výstupy (jeden na každou zubovou mezeru), které jsou speciálně umístěny tak, aby kapalině umožňovaly lépe proniknout do tepelně nejvíce namáhané části řezné zóny. Za účelem dalšího zvýšení účinnosti řezné kapaliny jsou nástroje opatřeny jedinečným zesilovačem účinku řezné kapaliny (probíhá patentové řízení). Ten je tvořen drážkami umožňujícími průtok řezné kapaliny po hřbetní ploše, které byly navrženy tak, aby zlepšovaly rozptyl tepla.

Dalším nezbytným předpokladem jsou při frézování titanových slitin ostré břity, protože pomáhají snížit velikost řezné síly a minimalizovat vliv deformačního zpevnění. U nového nástroje byly ostré břity zkombinovány s novým typem povlaku (probíhá patentové řízení), který je tvořen vnitřní vrstvou z TiAlN a vnější vrstvou obsahující křemík. Vnější vrstva reaguje s titanovou slitinou a na povrchu původního povlaku vzniká tenká, submikroskopická ochranná vrstva. Během obráběcího procesu kloužou nově vznikající třísky po povrchu ochranné vrstvy, což brání rychlému narušení původního povlaku a přispívá k prodloužení životnosti nástroje.

Jaké mohou být potenciální výsledky přechodu na tuto novou frézu v kombinaci se strategiemi frézování s vysokými rychlostmi posuvu, již bylo prokázáno v evropském závodě provozovaném jedním z hlavních OEM výrobců pro oblast leteckého průmyslu. Společnost zde chtěla zvýšit rychlost výroby, ušetřit čas a dostat pod kontrolu náklady při obrábění dutin v draku letounu vyrobeném ze slitiny Ti6Al4V na čtyřosém obráběcím centru.

Díky nahrazení stávající frézy s vyměnitelnými břitovými destičkami určené pro vysoké rychlosti posuvu stopkovou frézou CoroMill Plura HFS pro obrábění materiálů ISO S bylo možné vhodně přizpůsobit hodnoty řezných parametrů tak, aby bylo dosaženo požadovaného zlepšení. Například řezná rychlost byla zvýšena z 50 na 110 m.min^-1, současně došlo ke zvýšení axiální hloubky řezu z 1 mm na 30 mm. Zároveň byla snížena radiální hloubka řezu. Výsledky byly vskutku impozantní.

Původně činila doba obrábění dutin v draku letounu 150 minut, přičemž životnost nástroje byla 37,5 minuty. Použití stopkové frézy CoroMill Plura HFS pro obrábění materiálů ISO S přineslo zkrácení doby obrábění na třetinu, naproti tomu životnost nástroje se prodloužila na čtyřnásobek. Ve výsledku jen u samotného procesu výroby dutiny doložil závod roční úspory ve výši 14 000 eur.

Sandvik Coromant

Tiziana Pro, David Blurtsyan, Stefania Rizzuti

nevena.rasic@publitek.com

www.sandvik.coromant.com/cz