Obrábění kompozitních materiálů

Klíčem k úspěchu v této oblasti je použití osvědčených řešení, která byla vytvořena pro široký okruh složitých úkolů, k nimž patří obrábění jak kompozitních materiálů, tak i kompozitních materiálů s kovovými vrstvami, pomocí ručního nářadí, zařízení se strojním posuvem nebo CNC strojů s pevným ložem. Zcela zásadní roli hraje také vývoj moderního nástrojového vybavení, speciální konstrukční úpravy a jistota aplikační podpory.

To je důvod, proč kombinace speciálních technologií firmy Precorp a nástrojového vybavení firmy Sandvik Coromant společně s odborným rozborem provedeným v aplikačním centru může v jejich průmyslovém odvětví nabídnout leteckým výrobcům nejlepší podporu pro oblast obrábění kompozitních materiálů. Mezi v současnosti úspěšně používaná řešení patří nástroje ze slinutých karbidů, s diamantovým povlakem nebo armovaným PCD, přizpůsobené pro obrábění děr, hran a různých ploch.

V oblasti leteckého průmyslu je při výrobě otvorů v polymerních materiálech vyztužených uhlíkovými vlákny (CFRP) zcela běžnou praxí použití ručních zařízení. Konstrukční prvky letadel jako trup nebo díly křídel jsou mimořádně rozměrné, a z toho důvodu je prostě často nepraktické používat obráběcí stroje s pevným ložem.

Nástroje používané pro ruční zařízení musejí mít speciální vlastnosti, aby odolaly průhybu a silám, které nepůsobí axiálně. Ohromný potenciál pro vrtání, vystružování a kuželové zahlubování v CFRP materiálech, jak s jednosměrným, tak i s tkaným vyztužením, např. M21E a BMS8-276, představuje sortiment vrtáků CoroDrill 452 ve třídě H10F s nepovlakovaným karbidovým substrátem.

U vrtáků (CoroDrill 452.1-C), které jsou standardně skladem ve velikostech od 2,5 do 12,7 mm (ostatní průměry se vyrábějí na zakázku), jsou zaručeny nízké hodnoty tlakových sil díky pokrokové geometrii hrotu s lomeným ostřím a hladký, plynulý výstup vrtáku z díry díky použití levotočivé šroubovice pro pravotočivý vrták. Ostré břity vytvářejí vysoce kvalitní díry a s využitím vrtacích pouzder lze dosáhnout přesnosti ±0,025 mm. Dalšího zlepšení až na ±0,01mm je možné dosáhnout pomocí nabízeného sortimentu výstružníků (CoroDrill 452.R-C). Nástroje pro kuželové zahlubování (CoroDrill 452.C-C) umožňují volbu mezi vrcholovým úhlem záhlubníku 100° a 130°.

Při vrtání kompozitních materiálů s kovovými vrstvami se díky přítomnosti hliníkových nebo titanových vrstev zvyšuje počet proměnných, které vstupují do obráběcího procesu. Vrták CoroDrill 452 je schopen obstát v náročných podmínkách při použití ručních vrtacích zařízení. Vrták CoroDrill 452.1-CM využívá konstrukci drážky pro odvod třísek s dvojitým okrajem a samostředicí špičkou vrtáku, která umožňuje dosažení optimální přesnosti. V závislosti na aplikaci je k dispozici jak verze s vodicím stupněm, tak i bez něj a díky konstrukci zaručující nízký tlak na obrobek se potlačuje sklon k tvorbě otřepů. Pro tento typ operací jsou k dispozici také výstružníky (CoroDrill 452.R-CM).

Při vrtání a vystružování CFRP materiálů s hliníkovými vrstvami se řezné rychlosti obvykle pohybují kolem 60 m.min-1, ale při výrobě děr v kompozitních materiálech s titanovými vrstvami je třeba její velikost snížit na hodnotu kolem 15 m.min-1. Rychlost posuvu 0,05 mm.ot.-1 může zůstat stejná pro oba typy materiálů.

Pokud je to možné, před ručním vrtáním je třeba upřednostnit vrtání se strojním posuvem, protože vrták je veden vrtací šablonou, která jednak zajišťuje přesnou polohu díry, ale také udržuje vrták kolmo k povrchu obrobku. Kromě toho lze u těchto jednotek naprogramovat stanovené otáčky a rychlost posuvu a některé umožňují také použití přerušovaného (krokového) vrtacího cyklu.

Jestliže jsou pro vrtání CFRP materiálů použita zařízení se strojním posuvem, potom vhodné konstrukční provedení s chráněnou diamantovou funkční částí, které je optimalizované z hlediska dosažení stability vrtacího procesu, nabízejí taková řešení, jako jsou např. vrtáky řady 85PT s armovaným PCD. V provedení na zakázku jsou k dispozici v rozmezí průměrů 3–16 mm, součástí nabídky je také provedení s vnitřním přívodem řezné kapaliny. Další alternativou jsou vrtáky řady 8F85 (na bázi H10F nebo N20C s CVD diamantovým povlakem), které mají špičku vrtáku opatřenou karbidovými hroty umožňujícími dosažení dobré kvality na výstupu z díry při náročném vrtání CFRP materiálů s jednosměrnou i tkanou výztuží. Geometrie špičky s osmi fazetami potlačuje výskyt obvyklých problémů spojených s obráběním těchto materiálů, jako jsou třepení a delaminace. V závislosti na dané aplikaci mohou uživatelé počítat s dosažením řezných rychlostí v řádu 60 m.min-1 a rychlostí posuvu 0,06–0,15 mm.ot.-1.

V případě použití zařízení se strojním posuvem pro vrtání kompozitních materiálů s kovovými vrstvami, je pro vrstevnaté materiály typu CFRP/hliník doporučena řada 86PTA, naproti tomu pro vrstevnaté materiály na bázi CFRP/titan je k dispozici řada 86PTB. Další alternativu představuje řada 40DH (H10F nebo N20C). Jde o karbidové nástroje s pokrokovým řešením drážky pro odvod třísek, které zajišťuje jejich dokonalé odvádění. S ohledem na zlepšení dosahované kruhovitosti a stability při obrábění větších děr, až do průměru 25,4 mm, je doporučena řada PD-D2WM (H10F nebo N20C). Jak PCD, tak i karbidové výstružníky lze na zakázku zhotovit s provedením drážky pro odvod třísek odpovídajícím obráběnému materiálu a dané aplikaci.

Pro vrtání a vystružování CFRP materiálů s hliníkovými vrstvami pomocí zařízení se strojním posuvem lze běžně použít řezné rychlosti 60 m.min-1 a rychlost posuvu 0,13 mm.ot.-1, nicméně pro výrobu děr v CFRP materiálech s titanovými vrstvami je třeba tyto hodnoty snížit na přibližně 18 m.min-1 a 0,03 mm.ot.-1.

Jestliže lze pro vrtání použít CNC stroje, většinou je díky jejich vyšší dynamice a tuhosti možné dosáhnout vyšší přesnosti, spolehlivosti a produktivity.

Vrtáky CoroDrill 859V s armovaným PCD byly záměrně vytvořeny pro automatické vrtání jednosměrně vyztužených CFRP materiálů, např. M21E, jakož i epoxidových a BMI matricí. Dobré funkční vlastnosti prokázaly také při obrábění CFRP materiálů plátovaných např. sklolaminátem nebo mědí. Unikátní ostrá geometrie armovaných vrtáků s lomeným ostřím napomáhá ke zvýšení kvality a potlačení sklonů k delaminaci. Naproti tomu řada 85 (N20C, H10F nebo armovaný PCD CD10) nabízí univerzální vrtáky se špičkou opatřenou čtyřmi fazetami, které jsou vhodné pro obrábění různých CFRP materiálů, např. BMS8-276. K dispozici jsou buď karbidové vrtáky s diamantovým povlakem, nebo s armovaným PCD v rozmezí průměrů 3–16 mm. Pro obrábění jednosměrně vyztužených CFRP a kompozitů s velkým podílem epoxidové matrice (včetně BMI matric) je doporučeno použití vrtáků CoroDrill 856 (N20C).

Pro výrobu děr ve vrstevnatých materiálech typu kompozit – kov na CNC obráběcích strojích představují vhodnou volbu z hlediska omezení tvorby otřepů a vylamování vláken nástroje řady 86A a 86B (CD10). Další alternativou jsou karbidové vrtáky řady 40DH (N20C nebo H10F) – ty dosahují stabilní životnosti nástroje v aplikacích s vysokými řeznými rychlostmi/rychlostmi posuvu a díky úhlu stoupání šroubovice 40° zajišťují skvělé odvádění třísek.

Při frézování hran a obrysů jsou obráběcí nástroje podrobeny náročné zkoušce. Díky heterogennímu spojení vláken s polymerní matricí naráží fréza na proměnný odpor daný vrstevnatým uspořádáním tvrdých abrazivních vláken a měkčí matrice, což zatěžuje mechanismus pohonu nástroje. A navíc, protože vlákna jsou velice abrazivní, dochází k rychlému opotřebení nástroje.

Tajemství úspěchu spočívá v tom, mít k dispozici soubor nástrojů s různou geometrií a různé nástrojové třídy umožňující vytvoření speciálních řešení vhodných pro použití při frézování hran a obrysů. Jeden takový soubor nabízí koncepce CoroMill Plura S215.

Výrobní řada CoroMill Plura S215 nabízí různé typy geometrií – např. s konstrukčním provedením šroubovice zajišťujícím, že při obrábění CFRP větších tloušťek působí nástroje pouze tlakovými silami. Toto provedení je vhodné také v případě, že je zapotřebí použít stejnou geometrii na obou stranách kompozitní desky. K dispozici je i provedení s malým úhlem šroubovice, který činí +5°, pokud je nejdůležitější kvalita povrchu na spodní straně, a nebo –5°, pokud je nejdůležitější kvalita povrchu na horní straně a záleží na tom, aby síly působily směrem dolů.

K dispozici jsou nástroje v různých materiálových třídách, např. 1610 nebo 1630 umožňujících dosažení vysoké ostrosti břitu, nebo třída N20C s diamantovým povlakem zajišťujícím delší životnost nástroje v případech, kdy naopak mimořádně vysoká ostrost břitů nemá nejvyšší prioritu. Je zde však také provedení s pájenými PCD břity s dlouhou životností, umožňující dosažení optimální kvality obrobené plochy. Frézy CoroMill Plura S215 jsou dodávány v provedení na zakázku, v rozmezí průměrů 8–16 mm se 2–8 zuby.

V případech, kdy při frézování hran CFRP materiálů nelze orientovat vřeteno stroje ve shodě s obráběnou součástí (pro ořezávání většího rozsahu), nacházejí přednostní uplatnění frézy CoroMill 329. Tyto standardní produkty jsou k dispozici v průměrech 100–160 mm v šířkách 2–5 mm.

Obrábění povrchů kompozitních materiálů s sebou přináší zcela novou soustavu kritérií. V oblasti leteckého průmyslu je pro výrobce mimořádně důležitá kvalita obrobeného povrchu, přesnost a vysoká integrita primárních povrchových struktur. Jako vhodné nástrojové řešení pro strojní obrábění rovinných i zakřivených povrchů CFRP materiálů, slouží čelní frézy s lehkým řezem CoroMill 590, opatřené vyměnitelnými břitovými destičkami. V nabídce jsou v průměrech od čtyřiceti mm. Břitové destičky pro frézy CoroMill 590 s vysoce precizním provedením lůžka umožňujícím dosažení vyšších přesností, mohou být v provedení s PCD břity nebo v nepovlakované třídě H10.

Strojní dílny by rovněž měly věnovat pozornost frézám CoroMill 390, vhodným pro frézování tvarových ploch pomocí mírně skloněného nástroje (metoda Sturtz). Frézování metodou Sturtz může v řadě případů nahradit obrábění pomocí stopkových fréz s kulovým čelem. Tato pokroková metoda spočívá v mírném sklonění osy nástroje vůči povrchu součásti, čímž se dosáhne vytvoření eliptické dráhy nástroje. Výsledná mírně eliptická dráha umožňuje rychlejší postup nástroje, aniž by docházelo k překročení maximální přípustné výšky nerovnosti na obrobené ploše.

-DB-

dana.benesova@mmspektrum.com

www.sandvik.coromant.com/cz

Video přibližující problematiku obrábění kompozitních materiálů