Ostré hrany na uhlíková vlákna

V důsledku vzrůstajících nákladů na pohonné hmoty a zákonných předpisů se i v leteckém průmyslu stává úspora hmotnosti aktuální nutností. V posledních letech silně vzrostla poptávka právě po řešení pro obrábění kompozitních materiálů, přičemž ve výrobě letadel jsou také velmi rozšířeny vícevrstvé konstrukce, takzvané stacky. Nové lehké konstrukční materiály staví specialisty na obrábění před nové výzvy ohledně odolnosti proti opotřebení a geometrie nástrojů. Společnost Walter nabízí tomuto odvětví celou řadu nástrojových řešení pro nejrůznější kombinace materiálů a různé průměry a třídy tolerance.

Letecký průmysl stále častěji vyrábí díly kostry letounů z CFK. U Airbusu A350 a Boeingu 787 je z CFK téměř celý vnější plášť letadla. Při výrobě tohoto materiálu se uhlíková vlákna, většinou v několika vrstvách, vkládají jako výztuhy do plastové matrice. Materiál CFK se díky tomu vyznačuje mimořádně velkou pevností v tahu ve směru vláken. Avšak jeho pevnost ve velké míře závisí právě na směru působení sil. Pokud zatížení v tahu nepůsobí ve směru vláken, může se materiál například při nehodě snadno zničit. V dolní části letadla se z tohoto důvodu používají také kovové profily. Kromě zavedeného lehkého konstrukčního materiálu, jakým je hliník, zde přichází v úvahu především titan. Tento materiál se vyznačuje vysokou houževnatostí a směr působení sil zde téměř nehraje roli. Z titanových materiálů se mimo jiné vyrábějí například rámy dveří, přepážky nebo vyztužovací profily. Protože koeficient roztažnosti titanu se příliš neliší od koeficientu roztažnosti CFK, používají se přednostně stacky z CFK a titanu.

Stacky se zpravidla spojují nýtovými spoji. K tomu je nutné dva nebo více materiálů v místě spoje společně provrtat. Na základě nestejných vlastností používaných materiálů představuje tento pracovní krok mimořádnou výzvu. Kromě toho tolerance otvorů jsou malé a v leteckém průmyslu je běžný velmi nákladný schvalovací proces pro nástroje a metody obrábění. Testy a zkoušky pro schválení pro sériovou výrobu mohou zabrat až půl roku.

Pokud je součástí konstrukce CFK, je vrtání do kompozitních materiálů obzvláště náročné, neboť tento materiál je přibližně ze 60 procent tvořen mnoha miliony nejjemnějších uhlíkových vláken, která mají tloušťku pouhých osm mikrometrů (pro srovnání: lidský vlas má tloušťku 70 mikrometrů). Při obrábění tato vlákna působí abrazivně a zaoblují řeznou hranu nástroje. Tím zvláště v oblasti vyústění otvoru dochází k delaminaci a vytažení vláken. Zatímco například do titanu lze vrtat s nepovlakovanými vrtáky ze slinutého karbidu, CFK vyžaduje tvrdší břit.

Zde vstupuje do hry diamant, nejtvrdší řezný materiál vůbec. U polykrystalického diamantu (PKD) se jedná o synteticky vyrobený, velmi tvrdý řezný materiál z diamantových částic v kovové matrici. S tvrdostí 6 000 HV je PKD výrazně tvrdší než slinutý karbid, který má tvrdost pouze 1 600 až 2 200 HV. Hlavní oblast použití nástrojů PKD představuje HSC vrtání do velmi abrazivních materiálů, jako je CFK, a obrábění stacků. Při výrobě letadel proto hraje PKD důležitou roli.

Novou výrobní metodou byla ještě zvýšena spolehlivost a přesnost nástrojů PKD. U takzvané technologie PKD-Vein se PKD prášek naplní do drážky v hlavě nástroje ze slinutého karbidu a působením vysoké teploty a vysokého tlaku se zde vytvoří polykrystalický diamant. Následně se provádí erodování a vybroušení drážek a řezných hran. Spektrum použití PKD nástrojů sahá od materiálů vyztužených vlákny v jednom i ve více směrech přes stacky s hliníkem, CFK a titanem až po zaoblené součásti. Walter navíc nabízí také speciální provedení PKD nástrojů. Jevy jako selhání kolmosti, které se může občas objevit u přímo pájených břitů PKD, se u PKD-Vein nevyskytují. Řezná rychlost je ve srovnání se slinutým karbidem velmi vysoká, řezná hrana je stabilní a je možné časté opakované ostření bez poklesu kvality.

Walter nabízí leteckému průmyslu vrtáky PKD s velkým počtem různých geometrií, navíc ve variantách s vnitřním chlazením nebo bez něj pro mazání minimálním množstvím, s různými úhly zahloubení a provedeními stopky. Převážná část zákazníků z oblasti letectví a kosmonautiky vyžaduje speciální geometrie, avšak vedle toho pro běžnější způsoby vrtání Walter nabízí také standardní systém PKD-Vein obsahující vrtáky a záhlubníky na otvory pro nýty.

Při obrábění CFK je třeba rozlišovat uspořádání vláken v jednom a ve více směrech. CFK s vlákny v jednom směru se vyznačuje maximální pevností ve směru vláken, obrábí se však podstatně hůře než CFK s vlákny ve více směrech. Ten se vyznačuje lepšími vlastnostmi pro manipulaci, menším sklonem k delaminaci a menším výskytem vytažených vláken při mechanickém obrábění. S vrtáky PKD-Vein od společnosti Walter lze spolehlivě obrábět obě varianty.

Kromě PKD nástrojů se při výrobě letadel primárně používá slinutý karbid (VHM). Vrtáky VHM jsou vhodné především pro velmi houževnaté a vysoce pevné materiály, jako titan, vysokolegované oceli nebo Inconel 718. U CFK se ovšem nepovlakované VHM nástroje rychle opotřebovávají. Společnost Walter proto opatřuje vrtáky ze slinutého karbidu diamantovým povlakem o tvrdosti 10 000 HV. Za povšimnutí stojí, že vrstva má tloušťku přibližně 8 až 20 μm a PKD má všeobecně tvrdost 6 000 HV.

Aby bylo možné dosáhnout pokud možno hladkého povrchu vnějšího pláště letadla, používají se zde zápustné nýty. U přechodového rádiusu mezi otvorem a zahloubením je nutná maximální přesnost lícování, proto má obzvláštní význam procesní spolehlivost. S nepovlakovaným VHM nástrojem nelze již po krátké době dodržet tolerance přechodového rádiusu. VHM nástroje s diamantovým povlakem proto přinášejí výhody především z vnější strany letadla. S vhodnou geometrií a vhodným povlakem však lze VHM nástroje v zásadě použít pro téměř jakoukoliv aplikaci.

Další důležitou výhodou VHM nástrojů jsou široké možnosti jejich provedení. Mohou to být například stupňovité vrtáky nebo výstružníky, počet zubů se může pohybovat mezi dvěma a čtyřmi. Geometrie VHM od společnosti Walter sahají od úhlu špičky 20° (pro manuální vyvrtávání stacků z titanu, hliníku a CFK) přes 85° (typicky pro materiály CFK) a 155° (pro hliník a stacky z hliníku a CFK) až po nabroušení do speciální geometrie tvaru E, která se hodí mimo jiné pro zaoblené součásti, tenké stacky a CFK. Nástroje ze slinutého karbidu s diamantovým povlakem dosahují dlouhé životnosti, nelze je ovšem opakovaně ostřit.

Zatímco nástroje PKD-Vein jsou určeny pouze pro CNC stroje, VHM se hodí pro ruční, poloautomatické i CNC vrtání. V případě špatně přístupných míst v konstrukci letadla, kde lze vrtat pouze pneumatickými vrtačkami, je třeba použít VHM. Nevýhodou je tělesná zátěž pro pracovníka a vysoká míra opotřebení nástroje. Při poloautomatickém vrtání s vrtacími jednotkami s posuvem (BVE) je cílem tzv. One-Shot-Drilling – vrtání a zahlubování v jednom kroku. BVE se hodí pro díly, které jsou při montáži relativně dobře přístupné. Slabiny tohoto postupu spočívají v hromadění třísek a velmi dlouhé době přípravy. U BVE přichází rovněž v úvahu pouze VHM. Cílem použití systémů s CNC řízením je One-Way-Assembly, při kterém se vrtá, zahlubuje a nýtuje v jednom kroku. Plně automatické CNC systémy – například nýtovací zařízení nebo roboty – jsou nejhospodárnější při vrtání velkého množství otvorů a vyznačují se maximální přesností a opakovatelností. Lze je ovšem doposud použít pouze u velkých, dobře přístupných dílů.

Nabídka společnosti Walter zahrnuje vrtací nástroje pro všechny systémy. Pro technologicky vysoce vyspělá odvětví, jako je letectví a kosmonautika, jsou typické speciální nástroje, u kterých lze zohlednit nejen různé průměry otvorů, nýbrž i individuální možnosti upínání. Zákazník na základě svého individuálního požadavku obdrží nástroj na míru s optimálními řeznými parametry včetně renovačního servisu, tedy kompletní řešení pro obrábění od společnosti Walter. Společnost Walter se kromě toho angažuje v různých sdruženích, aby mohla ve spolupráci s leteckým průmyslem vyvíjet a zkoušet nové nástroje či strategie obrábění, a sice v Machining Innovation Network (MIN) ve Varelu, Technologiezentrum Nordenham (TZN), National Composites Centre (NCC) v Bristolu (UK) a Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) v Sheffieldu (UK).

Monika Futáková

Walter CZ
monika.futakova@walter-tools.com
www.walter-tools.com
//goo.gl/1u5x3