Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Vzhledem k rostoucímu trhu v oblasti proudových motorů v leteckém průmyslu jsou potřeba účinné technologie pro výrobu komponent těchto motorů. Přitom vyhovět rostoucím ekonomickým a ekologickým požadavkům neustále kladeným na toto odvětví lze pouze soustavným a systematickým zlepšováním používaných technologií. Další vývoj k tomu potřebných žárupevných materiálů a přechod k lehčím konstrukcím charakterizovaný používáním tenkostěnných součástí přivádí klasické třískové technologie k jejich technickým i ekonomickým výkonovým hranicím. K zajištění růstu účinnosti proudových motorů a také ke snížení spotřeby paliva jsou neustále zmenšovány mimo jiné také výrobní tolerance součástí těchto motorů.

Aktuálním těžištěm výzkumu na WZL RWTH Aachen je výroba tvarových drážek stromečkovitého tvaru v součástech rotoru. V rámci ICTM Fraunhofer-Gesellschaft v kooperaci s RWTH Aachen University byl zahájen výzkum aktuálních problémů výroby u výrobců turboagregátů i obráběcích strojů. Cílem výzkumu je cenově efektivní a vysoce kvalitní výroba součástí používaných v turboagregátech. Výřez typické součásti pro turbíny s tvarem obráběných drážek je znázorněn na obrázku dole.

Tvarové drážky v součástech motorů slouží zpravidla k montáži turbínových lopatek, které na rozdíl od kompresorových lopatek musejí být vnitřně chlazeny, a proto nemohou být vyrobeny z jednoho kusu.

Pomocí elektroerozivního drátového řezání je možné, nezávisle na šířce spoje nosné konstrukční části, obrobit lineární tvary těchto drážek s nejmenšími geometrickými úchylkami maximálně 5 µm, při střední hodnotě drsnosti povrchu Ra = 0,8 µm a výšce součástky v největším uspořádání až 50 mm. Čistě technicky vzato, je sice možné konvenčně obrobit plochu s daleko lepší drsností až Ra = 0,1 µm. Avšak z pohledu zvyšujících se požadavků na hospodárnost výroby je nutné omezit co nejvíce počet řezů. Elektroerozivním obráběním lze splnit tyto požadavky pouze třemi řezy.

Vývoj vhodné hrubovací a dokončovací technologie (pracovní podmínky a počet řezů) pro opracování nových žárupevných materiálů provádí WZL der RWTH Aachen Grundlagenforschung. Řešení je zaměřeno na optimalizaci integrity povrchu i na zlepšení hospodárnosti zvýšením rychlosti řezání (řezné rychlosti). Na tomto základě vznikla spolupráce mnoha výrobců obráběcích strojů a výrobců elektroerozivních strojů, jakož i výrobců filtrů a dalších příslušenství obráběcích strojů. Cílem bylo zkrátit dobu vývoje a získané mnohostranné poznatky použít v praxi. Obrázek na následující straně ukazuje příklad výsledků výzkumu technologií pro elektroerozivní drátovou řezačku typ U6 H.E.A.T. výrobce Makino. V tomto případě se zkoumalo opracování materiálů na bázi niklu z hlediska zjištění optimálních pracovních podmínek pro dokončovací řez, aby se minimalizovaly ztrátové časy a zlepšila se jakost opracovaného povrchu.

Základní výsledky výzkumu z elektroerozivního řezání drátem ukazují, že volbou správně zvolených parametrů generátoru je možné zmenšit tloušťku bílé vrstvy na méně než 1 µm. Podstatné výhody oproti klasickému obrábění skýtá elektroerozivní řezání drátem zejména při vyřezávání filigránských tvarů do těžkoobrobitelných materiálů. Nejdůležitějším hlediskem při řezání je hospodárnost. První řez se provádí do plného materiálu, proto je rychlost řezání ve srovnání s dokončovacím řezem pomalejší – zvýšení řezné rychlosti však přímo vede k růstu hospodárnosti. Druhý řez připravuje plochu obrobku pro dokončovací obrábění. Proto je nutné při zvětšení řezné rychlosti prvního řezu dávat pozor, aby efektivita dokončovacího řezu nebyla snížena ztrátou přesnosti řezání. Řezná rychlost obecně je na jedné straně silně závislá na nastavených parametrech generátoru, energii a frekvenci výbojů, avšak podstatně také na principu vyplachování a na mezeře mezi drátem a obrobkem v místě řezu. Podmínky vyplachování v místě řezu představují základní požadavek při obrábění součástí, jako jsou rotory turbín. Dokončovací řez závisí na předchozích řezech, jež jej ovlivňují. Jeho vliv na hospodárnost je pouze nepodstatný. Na čas obrábění má podstatný vliv celkový počet řezů. Jakost obrobeného povrchu je ovlivněna volbou optimálních pracovních parametrů a zmenšením velikosti tepelně ovlivněné oblasti.

Pro zvýšení hustoty (počtu) soustavy lopatek ve vysokotlakém stupni turbíny motoru musejí být nosné části rotoru turbíny nutně zmenšeny. Drážky pro vložení lopatek v rotoru musejí mimo jiné přesně dodržet úhel sklonu. Při obrábění součástí klasickými technologiemi, jako je například protahování, dochází ke značnému zatížení obrobku a tím k možné deformaci částí tenké konstrukce. Zde skýtá elektroerozivní drátové řezání jako téměř bezsilové obrábění vhodnou alternativu. U konvenčních strojů pro elektroerozivní drátové řezání je odvíjení drátové elektrody, která představuje nástroj, uspořádáno vertikálně. Je sice možné naklonit drátovou elektrodu v rozsahu ±15°, avšak na vrub zhoršených podmínek vyplachování elektrolytu v pracovní mezeře. Pro dosažení vyšší produktivity byl ve spolupráci s firmou Makino und Hirschmann JS vyvinut otočný a sklopný stůl.

Metalografické výbrusy krajní oblasti řezu po obrábění Inconelu 718 na elektroerozivní drátové řezačce Makino U6 H.E.A.T. a skica principu postupné polohy řezů
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Použitím víceosého otočného a sklopného stolu se značně zjednoduší manipulace s obrobky. Tak lze například vyřezat s vertikální drátovou elektrodou šikmý úhel drážky, rovněž je možné celý proces obrábění automatizovat. Rotace součásti kolem osy umožňuje otočit obrobek automaticky o úhel dělení (rozteč) do další polohy. Technologie vyvinutá speciálně pro takovéto případy použití obsahuje přídavné čerpadlo a trysky směřující do pracovní mezery – tím se zlepšilo vyplachování a zvýšila se produktivita.

Pro tento způsob použití je potřebná vysoká preciznost a přesnost polohování součásti. Technické parametry otočného stolu:

• nejmenší dělení 0,001°
• přesnost polohování ±10 s (závisí na použitém systému měření)
• přesnost otáčení <0,005 mm
• přesnost rotace rotační osy 0,005 mm.
  

Dalším výsledkem vývoje jsou nové technologie pro opracování žárupevných materiálů, těžkoobrobitelných materiálů na bázi titanu a niklu speciálními přídavnými zařízeními. Firma Makino proto vyvinula přídavnou generátorovou jednotku. Tato zajišťuje vyšší využití energie v prvním řezu a umožňuje zvýšit řeznou rychlost. Bylo nutné vyvinout nové drátové elektrody, které jsou kvůli změně chemického složení a většímu průměru při vyšší síle proudu nutné. Geometrická přesnost, jakož i zlepšení integrity povrchu jsou nyní součástí dalšího vývoje. Vývoj je rovněž zaměřen na snížení oblasti vznikající bílé vrstvy a na zbytková napětí, obě položky jsou pro elektroerozivní proces fyzikálně důležité.

MM MaschinenMarkt č. 45, 2017, str. 32 až 34

Poznámka zpracovatele:
Přední světový výrobce řezných nástrojů vyrobil pomocí aditivní technologie frézu, jejíž těleso má vhodně umístěné a tvarované dutiny. Dosáhl snížení hmotnosti o 80 % a možnost zvýšení řezné rychlosti a výkonu při obrábění těžkoobrobitelných materiálů. „Duté nástroje“ jsou u nás předmětem vynálezů AO 250 078 Nástroj pro třískové obrábění, AO 251 342 Břitová destička, AO 251 574 Nástroj pro třískové obrábění a Španělského patentu č. 549 902.

Autor: Fritz Klocke, Gregor Smeets a Andreas Klink, zpracoval: J. Řasa

jar.rasa@seznam.cz