PKD nástroje pro efektivní obrábění kompozitů

Jako nejtvrdší přírodní minerál má diamant ideální předpoklady k opracování ostatních materiálů, kromě extrémní tvrdosti disponuje také velmi ostrými hranami. Diamant je krystalickou formou uhlíku přetvářenou v podmínkách extrémních teplot a tlaků. Běžně jsou známy i jiné krystalické formy uhlíku např. grafit, které však mají překvapivě zcela jiný charakter.

Diamant vznikal před miliony let během komplexních geologických procesů v zemském obalu. Vývoj diamantu z uhlíku byl nejistý, krystaly se mohly zvrhnout ve volné atomy uhlíku, vypařit se do oxidu uhličitého nebo se změnit v grafit (známý jako tuha v běžných tužkách). Přírodní diamanty se příliš nehodí pro průmyslové využití. Vykazují nestejnorodé vlastnosti a také jejich naleziště jsou značně omezena.

Vyrobit umělý diamant bylo pochopitelným snem mnoha vědců po celou řadu staletí. Skutečný vývoj se však v období po průmyslové revoluci neubíral k výrobě obrovských kamenů skvělých šperkařských vlastností, ale k produkci umělých diamantů vhodných především jako materiál na obráběcí nástroje. Většina diamantů používaných dnes v průmyslu na celém světě je syntetických. Uvádí se, že každý rok je v průmyslu spotřebováno 200 tun drobných diamantů, případně diamantového písku.

Umělé diamanty se dnes nejčastěji vyrábějí jednou ze dvou metod – HPHT (High Pressure High Temperature, vyvinuta společností General Electric v polovině 20. století) a CVD. Při HPHT se diamanty „pečou“ za vysokých teplot a tlaků, kdežto CVD (Chemical vapor deposition) je podstatně „něžnější“ metoda kondenzace par na vhodném podkladu. Směs vodíku s metanem je při této metodě bombardována nabitými částicemi nebo přímo plazmatem. To vyvolá složitou chemickou reakci a následně déšť uhlíku dopadající na podklad, kde ztvrdne ve formě diamantu. První metoda přináší pro řezný materiál kruhové polotovary o průměru 50 mm, druhá metoda nachází uplatnění hlavně při aplikacích tenkých vrstev (povlaků).

Tělesa nástrojů jsou z oceli nebo ze slinutých karbidů, kde se do sedel plátků pájejí vlastní řezné destičky. Jejich polotovarem jsou kruhové destičky, které jsou následně na elektroerozivním stroji nařezány do patřičných tvarů. Pro maximální využití destičky polotovaru se využívá speciálních programů, které poskládají požadované tvary řezných destiček tak, aby odpad byl minimální. Ty jsou pak napájeny na vlastní nástroj, jenž se potom očistí pískováním. Dále přichází na řadu erodování celého nástroje na konečné rozměry v toleranci 0,01 mm. Pokud je požadována vyšší přesnost, jsou nástroje broušeny na superpřesných bruskách až na tisíciny milimetru.

Nástrojový program zahrnuje vrtáky, frézy, výstružníky i řezné destičky. K tomu jsou také vyvíjeny, konstruovány a vyráběny především zákazníky specifikované nástroje pro vysoce komplexní obrábění. Hlavní uplatnění nacházejí převážně v automobilovém průmyslu.

Plné využití maximálního potenciálu PKD nástrojů klade také extrémně vysoké nároky na výrobce strojů. Tyto obráběcí stroje a upnutí obrobků musejí být maximálně stabilní, stroje musejí být při vysokých parametrech otáček vřetena a extrémně vysokých posuvech enormně tuhé, absolutně bez chvění. To vyžaduje důsledně konstrukčně propracované uložení vřeten i vedení posuvových částí, stejně jako tuhostí celých posuvových soustav pohonů. Maximální přesnost uložení vřetena a vnitřní chlazení s vysokým tlakem musí být samozřejmostí.

Odlehčování konstrukcí při zvyšování výkonových parametrů a snižování spotřeby paliva u automobilů vede ke stále četnějšímu používání speciálních materiálů jako jsou hliníkové a hořčíkové slitiny. Typickými obrobky jsou motorové bloky, hlavy válců, klikové i vačkové hřídele, stejně jako převodové skříně či turbodmychadla a common raily.

Další širokou oblast pro efektivní aplikace těchto nástrojů představuje obrábění kompozitů v letectví a kosmonautice. Vláknové kompozity dnes však již zdaleka nejsou vyhrazeny výlučně pro letectví a kosmonautiku, automobilový sport a jiné high-endové aplikace. Zdůraznit je třeba zejména velký nárůst v oblasti motorových a užitkových vozidel, v oblasti větrné energie, jakož i v obecném strojírenství. Vláknové kompozity se využívají všude tam, kde je požadována vysoká specifická pevnost při nízké hmotnosti, kde jsou vyhledávány pro vysoce dynamické a energeticky efektivní procesy.

Kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny (angl. zkratka CFRP, něm. zkratka CFK) se vyrábějí dnes mnoha způsoby, také velmi často používanou laminací. Výhodou těchto materiálů jsou vyšší měrné hodnoty pevnosti a tuhosti (tj. přepočtených na jednotku hmotnosti), odolnost proti opotřebení, minimální tepelná vodivost, elektroizolační vlastnosti i vysoký útlum zvukových vln. Při obrábění těchto materiálů dochází k jejich specifickému poškozování, které je jiné než u kovových. Nejčastějším typem poškození je delaminace, která je spojena hlavně s vrtáním. K delaminaci dochází už při vstupu odlupováním povrchové vrstvy kompozitu, a také při výstupu vrtáku z materiálu – odlupováním neobrobené vrstvy pod nástrojem v kombinaci s vytahováním neodřezaných vláken ven z otvoru. Kvalita obrobeného povrchu je zhoršována i tepelným ovlivněním z řezného procesu – vyplavením pryskyřice s následným vydíráním povrchu. Na všechny tyto uvedené nevýhody je třeba reagovat volbou správného typu nástroje se speciálně uzpůsobenou geometrií.

Pro obrábění kompozitů společnost Gühring nabízí PKD vrtáky a frézy.

Dvoubřité vrtáky 3x D v provedení s úhlem špičky 90° nebo 120° jsou k dispozici od průměru 2,70 mm do 12,7 mm.

Dvoustupňové „nýtovací“ vrtáky jsou konstruovány pro vysoce efektivní obrábění dílů, které jsou následně spojovány pomocí nýtů. Tento typ spojení je pro CFK díly jedním z nejpoužívanějších. První stupeň nástroje představuje vlastní progresivní vrtací část, druhý stupeň pak zajišťuje správné zahloubení pro hlavu nýtu.
Drážkovací frézy jsou vyráběny v provedení se dvěma nebo čtyřmi břity. Dvoubřité jsou k dispozici od průměru 4,0 do 20,001 mm. Čtyřbřité pak od průměru 8,0 do 12,7 mm.

Kompresní tříbřité frézy byly zkonstruovány pro rozsah průměrů 12,7 až 16,0 mm. Tyto frézy je možné dodat i v monolitickém provedení v kompaktním celku s upínacím kuželem.

PKD nástroje pro aplikace v materiálu CFK pro vrtání i frézování jsou konstruovány pro řeznou rychlost až 500 m.min^-1. Na základě dlouholetých zkušeností se běžně využívá řezná rychlost kolem 200 m.min^-1 a posuv 0,1 mm.z^-1. Tyto hodnoty v praxi závisejí přímo na konkrétní specifikaci materiálu CFK.

Samotná vlákna se u uhlíkových kompozitů spojují v matrici. Poměr vláken a matrice (pojiva) určuje tzv. objemový podíl vláken a u silně namáhaných součástí z uhlíkových kompozitů činí až 65 %. Pro finální mechanické obrábění těchto dílů je třeba mít kromě typu vlákna na paměti také orientaci vláken. Orientace vláken je u uhlíkových kompozitů rozhodujícím faktorem pro tendenci materiálu k delaminaci a vytrhávání vláken. Jednosměrně orientované vrstvy proto mají zejména na výstupu otvoru tendenci k výrazné delaminaci.

Obecně platí, že pro daný materiál je nutné vždy optimalizovat – tj. zvyšovat řeznou rychlost v závislosti na posuvu tak, až přestane docházet k delaminacím, ale zároveň je třeba hlídat horní hranici řezné rychlosti, aby nedocházelo na základě vlivu tepelného ovlivnění k vyplavování pojiva a následnému vydírání obráběného povrchu.

Jak již bylo v úvodu řečeno, výroba a renovace exkluzivních špičkových PKD nástrojů v České republice v závodě Sulkov u Plzně má již pětiletou tradici. Díky identickému strojnímu a měřicímu zařízení jako v ostatních závodech koncernu, kde se PKD nástroje zhotovují, a celosvětovým zkušenostem vtěleným do rozsáhlé databáze konstrukčních linií a postupů je zaručena nejvyšší výsledná kvalita nástrojů. Kompetentní pracovníci v tomto oboru jsou vysoce kvalifikovaní a motivovaní pomoci uživatelům v maximální možné míře zefektivnit jejich výrobu.

Gühring

Dr.- Ing. František Plánička

julie.uhlikova@guehring.de

www.guehring.cz