Témata
Reklama

Ostré hrany na uhlíková vlákna

Bez lehkých konstrukčních materiálů si již nelze dnešní letectví představit. Kromě hliníku a plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny (CFK) představují pro obrábění specifickou výzvu i sendvičové materiály složené z kompozitních materiálů a kovových dílů. Společnost Walter nabízí velké spektrum nástrojů ze slinutého karbidu s diamantovými povlaky a vrtáků s břity z polykrystalického diamantu.

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.

Reklama
Reklama

Konstrukční materiály pro výrobu letadel

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.

Náročné vrtání

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.

Walter nabízí leteckému průmyslu vrtáky PKD-Vein pro obrábění CFK s velkým množstvím různých geometrií.

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.

Polykrystalický diamant řeže vlákna CFK

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.

Čtyřbřitý vrták NHC-3 ze slinutého karbidu s diamantovým povlakem

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.

Maximální tvrdost díky diamantovému povlaku

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.

Ruční, poloautomatické, nebo CNC vrtání?

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.

Kompletní řešení pro obrábění

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

Reklama
Související články
Nové perspektivy v obrábění titanových draků letounů

Rostoucí využití titanu pro aplikace v leteckém průmyslu je za poslední léta velmi dobře zdokumentováno. Stejně tak se tématem diskuze a zkoumání staly i problémy spojené s efektivním, produktivním a vysoce kvalitním obráběním tohoto oblíbeného materiálu. Každá obrobna chce samozřejmě při frézování titanu optimalizovat výkonnost použité frézy, ale bez vhodných technologií a správného know-how to nemusí být až tak snadné. Díky převratnému objevu se však v současnosti začínají v této oblasti věci měnit.

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.

Společně k dalšímu vývoji

Stěhování společnosti Fylde CNC do nové budovy bylo sice jen na krátkou vzdálenost, ale v historii společnosti zaměřující se na zakázkové obrábění přesných dílů to znamená významný krok kupředu. Rozvoji firmy navíc pozitivně přispívá úzká spolupráce se společností WNT, která spravuje nástroje a poskytuje technickou podporu v oblasti třískového obrábění.

Související články
Nové frézy pro obrábění neželezných kovů

Nové tvrdokovové frézy typu W od firmy WNT jsou dimenzované speciálně pro vysoce výkonné obrábění hliníku a jiných neželezných kovů. S ohledem na rostoucí požadavky leteckého průmyslu firma nabízí i rozšířenou řadu rohových rádiusů v různých variacích, které jsou nezbytné v tomto průmyslovém odvětví. Řada nových fréz rozšiřuje uživatelský výběr a doplňuje stávající úspěšnou řadu tvrdokovových fréz.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Analýza ozubení rychlostí světla

Nároky na ozubení v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu, ale i v oblasti klasických průmyslových převodovek neustále rostou. Jednou z výzev je kromě snížení ztrát způsobených třením v převodovce také zvyšující se požadavek na nehlučnost. To se týká zvláště hybridních vozů a elektromobilů. Je pochopitelné, že u součástek těchto převodovek stále roste důležitost vlastností povrchu při kluzném a valivém tření. Jednou z hlavních součástí převodovky jsou ozubená kola.

Chceme svítit

Povědomí o bývalém vojenském prostoru Stříbro v západní části naší republiky přinášejí buď vzpomínky osobního rázu, nebo přicházejí skrze narukované, kteří zde společně, převážně s romskými spoluobčany z tehdejšího východu Československa, v tankových praporech chránili naši republiku proti vpádu západních imperialistů. Doba se naštěstí změnila. Nyní je to rozvíjející se region jak díky blízkosti k Německu a hlavní dálniční tepně, tak i zásluhou generace techniků, kteří se zde kolem plzeňské Škody zrodili a po jejím rozpadu a rozmělnění se vydali na cestu soukromého podnikání ve strojírenském oboru. Do jedné z takových firem, nacházející se v Kladrubech u Stříbra, jsem se vypravil. Důvodem byla ukázka vzniku a růstu dalšího partnerství s dodavatelem technologií obrábění, společností Mazak.

Názorové fórum odborníků

Na tomto místě budeme pravidelně přinášet názory odborníků k tématům, která se objeví v aktuálním vydání MM Průmyslového spektra. V dubnovém vydání jsme zástupcům vysokých škol a firem položili následující otázku:

Obráběcí stroje pro produkční výrobu

Po sérii článků v minulém vydání se v posledním poohlédnutí po letošním hannoverském veletrhu EMO věnujeme důležité oblasti, a to jednoúčelovým strojům. I v letošním ročníku byla část expozic věnována této komoditě pro produkční výrobu a my se podíváme, co trh zákazníkům nabídl. Proč? Menším dílem proto, že se jim dlouhá léta autor (nejen) profesně věnuje, dílem podstatným proto, že jsou na nich „bytostně“ závislé veškeré obory nejen strojírenské či technické, ale i stavebnictví, telekomunikace, zdravotnictví a další.

Přidaná hodnota v technologii obrábění

V tomto příspěvku bych se rád vrátil ke své návštěvě japonské firmy Kyocera. V jednom z mých minulých textů (viz www.mmspektrum.com/170111) jsem představil unikátní systém řízení pomocí takzvaných améb, který vyvinul zakladatel firmy Kyocera Dr. Kazuo Inamori. Díky tomuto systému a japonské píli a umu se firma dostala na světovou špičku v řadě oborů. Na základě osobních zkušeností pak mohu prohlásit, že to platí také pro divizi řezných nástrojů. Například rychloposuvové frézy Kyocera vysoce překračují produktivitu, která je u nás i v Evropě standardní.

CIMT je v Číně, Čína je na CIMTu

Při letošním ročníku došlo na CIMT k významné změně. Evropští i američtí vystavovatelé byli přemístěni z hal tzv. západních do východních. Proč, to se mi nepodařilo zjistit. V reportáži před čtyřmi lety jsem umístění evropských a asijských firem popisoval s notnou nadsázkou, a tak si tuto změnu vysvětluji po svém – vystavovatelé si přečetli mé zpravodajství z výstaviště?. Také platí, že není pavilon jako pavilon. Standardy úklidu v halách, stravovacích prostorech, na toaletách byly v pavilonech, kde byla německá a švýcarská expozice, bližší evropským zemím než asijským. A o tom je jedna z čínských mentalit – jaké standardy mají být, ty jim musejí být ukázány, resp. nadiktovány či nařízeny.

Produktivní nástroje pro letecký průmysl a kosmonautiku

V leteckém a kosmickém průmyslu jsou z důvodu snižování hmotnosti a zvyšování efektivity provozu aplikovány ve stále větší míře materiály jako CFK (plasty vyztužené uhlíkovými vlákny), titan a slitiny hliníku i speciální legované slitiny, například Inconel nebo Waspalloy. Ve velké míře se zde používají sendvičové konstrukce, jež jsou skládány z těchto materiálů v různých vrstvách a kombinacích. Obrábění zmíněných materiálů klade specifické požadavky na řezné nástroje, obráběcí stroje a celý výrobní proces.

Perspektivy asijských trhů

Čína se v roce 2009 stala největším výrobcem obráběcích a tvářecích strojů na světě a o dva roky později dosáhla své dosavadní největší produkce v historii v hodnotě 29,5 mld. dolarů. Od té doby tři roky po sobě dochází k postupnému poklesu až na loňský objem 23,8 miliardy dolarů v poměru 6:4 ve prospěch obráběcích strojů. Vzhledem k povaze čínského trhu obráběcích strojů a ochazování jeho hospodářství lze očekávat další pokles v produkci a spotřebě i v letošním roce 2015.

It Just Gets Better!

Výrobce řezných nástrojů společnost TaeguTec je díky systematické práci jeho české pobočky po necelých třech letech svého zdejšího působení dobře etablovanou značkou na našem trhu a získal pevné postavení v silném konkurenčním prostředí a to nejen v oblastech soustružení, kde se tento korejský výrobce doposud profiloval nejzásadněji.

Trendy ve vývoji nástrojů

Snižování emisí skleníkových plynů CO2 se stalo cílem pro celý svět. Na mnoha místech se hovoří o uvalení daně na emise CO2. Německá vláda si stanovila cíl snížit emise oxidu uhličitého v Německu do roku 2030 o 55 procent. To značným způsobem ovlivnilo i vývoj obráběcích strojů, vznikají nové oblasti použití a stávající je třeba adaptovat.

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