Témata
Reklama

Pokročilé vrtání kompozitů diamantovými nástroji

Polymery vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) – samostatné nebo vrstvené s titanovými či hliníkovými deskami – jsou často používány v leteckém průmyslu pro svůj vysoký poměr pevnosti a hmotnosti a pro stabilní materiálové vlastnosti v náročných prostředích. V současnosti jsou technologie spojování kompozitů jako lepení nebo svařování ještě stále problematické, takže upevňování nýty je dosud převládající praxí. Kvůli značně rozdílným vlastnostem uhlíkových vláken a kovů je vrtání upevňovacích otvorů velkou výzvou pro řezné nástroje, kdy je požadována vysoká odolnost proti opotřebení, stejně jako optimální geometrie nástroje.

Polykrystalický diamant (PKD) vykazuje velký potenciál pro zlepšení efektivity obrábění ve srovnání s tradičními wolframkarbidovými řeznými nástroji při obrábění pokročilých materiálů v leteckém průmyslu. Přední výrobci řezných materiálů pro obrábění kovů vyvinuli a nabízejí pájené PKD vrtáky, které kombinují PKD na řezných hranách s celokarbidovým tělesem vrtáku. Karbidové těleso vrtáku poskytuje tuhost a rozměrovou přesnost pro udržení kvality děr, a přitom umožňuje vnitřní přívod chladiva šroubovitými otvory pro zlepšení chlazení a odvodu třísek šroubovitými drážkami. Funkční řezné hrany jsou z PKD, který poskytuje větší odolnost proti opotřebení a tím zvýšení efektivity obrábění.

Optimální tvar nástroje je rozhodující pro vytváření dobré kvality díry při obrábění pokročilých leteckých kompozitů. Významnou roli v ovlivňování vlastností otvorů hraje mnoho podstatných faktorů v rozměrech nástroje, jako jsou ostřejší rohový rádius nebo větší úhel čela pro generování nižších řezných sil. Další faktory zahrnují menší úhel špičky pro snížení osové síly a vyštípávání břitu s optimalizovanou konstrukcí břitu pro zmenšení velikosti otřepů. Tuhost obráběcího stroje, vřetena a celkového uspořádání, nástrojový adaptér, vnitřní nebo vnější chlazení, materiály obrobku, do nichž vrták vstupuje a vystupuje – to jsou rovněž důležité faktory na to, aby byly vzaty v potaz při konstrukci nástroje. V mnoha případech jsou požadovány speciální nástroje, aby vyhověly různým potřebám zákazníků.

Reklama
Reklama
Reklama

Vývoj nástrojů

Pro vývoj vysoce kvalitních PKD vrtáků je zapotřebí mít hluboké znalosti a vhodný komplexní přístup. Takovýto technologický vývoj nejenže rozhoduje o výkonu nástroje, ale také ovlivňuje efektivitu nástroje při výrobě i náklady na jeho výrobu. Pro výrobu vrtáků na bázi syntetického diamantu pro kompozitní materiály se využívají čtyři hlavní technologie:

Vrták s CVD diamantovým povlakem

Hotový celokarbidový vrták je opatřen CVD diamantovým povlakem. Je to ekonomické řešení, avšak ostrost řezné hrany je limitována tloušťkou povlaku. Rovněž kvůli velkému rozdílu mezi tvrdostí karbidového substrátu a diamantového povlaku má toto řešení malou kapacitu pro absorpci energie nárazu. Odolnost proti vylamování je rovněž omezena.

„Capped“ PKD vrták

PKD je slinován s malým množstvím karbidového substrátu do určité geometrie špičky. Vytvořená součást je pak pájena na celokarbidové těleso vrtáku. Toto PKD řešení je limitováno v optimalizaci PKD jakosti kvůli nutnosti zvládání vysokých pnutí v rozhraní karbid/PKD. Následné zpracování po slinování může být také drahé s ohledem na náročnost odstranění diamantu z nefunkčních oblastí a doplnění otvorů pro vnitřní chlazení.

„Vein“ PKD vrták

Karbidová tyčka s předem obrobenou drážkou je naplněna PKD práškem a následně vystavena extrémně vysokému tlaku a teplotě (HPHT) pro vytvoření PKD struktury. Po HPHT procesu se tyčka ořízne, připájí na těleso vrtáku a nakonec brousí podle navržené geometrie nástroje. Touto „vein“ PKD technologií může být vytvořena komplexní geometrie s vysoce pozitivními úhly čela, přičemž vyžaduje méně broušení než „capped“ PKD. Je omezena co do velikosti kvůli aplikaci vysokého tlaku a teploty na komplexní 3D geometrii. Navíc je k tomu potřebný vysoký obsah kobaltu, což snižuje tvrdost PKD a jeho odolnost proti opotřebení.

Pájený PKD vrták

2D je nejrozšířenější technologií pro PKD vrtáky (např. ploché PKD vrtáky). Pro menší velikosti je používán speciální karbid s vrstvou PKD, zatímco pro větší velikosti mohou být použity individuální PKD špičky. Toto řešení má značná geometrická omezení, a tak je obtížné přidat pozitivní úhly čela potřebné pro obrábění kompozitů.

3D pájení vyžaduje objemný PKD blok z požadované jakosti a mikrostruktury, aby mohl být rozřezán do navrženého tvaru šroubovice. Odpovídající slot pro PKD břit ve tvaru šroubovice je vybroušen v karbidovém vrtáku. Ve srovnání s „capped“ PKD řešením toto 3D pájení aplikuje PKD pouze ve funkčních oblastech, což podstatně zvyšuje obrobitelnost tohoto nástroje. Tato technologie 3D pájení byla vybrána pro vývoj zkušebních PKD vrtáků v tomto výzkumu.

Dalším důležitým faktorem pro volbu vhodné PKD jakosti je obrobitelnost diamantového materiálu. Obrobitelnost byla vyhodnocována měřením výrobních časů pro identické nástroje zhotovené z různých polotovarů PKD materiálů. Pozornost byla zaměřena na všechny výrobní kroky zahrnující erozi PKD kotouče a broušení PKD.

Pájení PKD

V tomto článku představený nástroj vyžaduje pájení spoje šroubovitého plátku vyřezaného z PKD polotovaru s tělesem z karbidu wolframu, přičemž vybraná technologie pájení musí zabránit grafitizaci metastabilního polykrystalického diamantu, ale také spojit PKD s karbidem wolframu. To vyžaduje aktivní technologii pájení. Aktivní materiál pro pájení obvykle obsahuje složky s vyšší teplotou tavení, jako je titan. Teploty pájení jsou proto vyšší, což negativně ovlivňuje stabilitu diamantové fáze. Aby bylo zabráněno grafitizaci, musí být během pájení vyloučena oxidační atmosféra. Nejmodernější technologie zahrnují použití argonové atmosféry a vakuové pájení.

Optimální geometrie nástroje

Vybrat optimální geometrii nástroje pro vrtání vrstveného kompozitního a titanového materiálu je obtížné, jelikož tyto dva obráběné materiály vyžadují různé vlastnosti vrtáku. Vrtání CFRP obvykle používá vysoké úhly stoupání šroubovice a dlouhé řezné hrany, aby uhlíková vlákna mohla být ustřižena podél řezné hrany. Dlouhé řezné hrany jsou realizované malými úhly špice. K tomu by vrtáky pro CFRP měly vyvíjet nízké osové síly pro zamezení vyštípávání na výstupu. Toto vše předpokládá spíše ostré řezné geometrie s malými úhly břitu. Úhly hřbetu dosahují 20 stupňů při úhlech stoupání šroubovice kolem 30 stupňů.

Řezání titanu může v principu také využít ostrou řeznou hranu, avšak ve srovnání s vrtáním CFRP je třeba stabilnější úhel břitu. Typické úhly hřbetu pro aplikace v titanu jsou v rozsahu od 8 do 14 stupňů. Ve srovnání s obráběním oceli jsou obvykle tyto úhly vyšší (v daném případě kolem 12 stupňů), aby bylo generování tepla na čele hřbetu minimalizováno za účelem snížení opotřebení hřbetu. Jelikož vysoké úhly hřbetu v kombinaci s typickými úhly stoupání šroubovice kolem 30 stupňů by příliš oslabily řeznou hranu, byl úhel stoupání šroubovice snížen na 15 až 20 stupňů pro vyvážení použití vysokých úhlů hřbetu. Představená výrobní technologie počítá s proměnnými úhly stoupání šroubovic v závislosti na potřebné geometrii nástroje. Toto je jednou z hlavních výhod představené technologie, jelikož typické nástroje s PKD břitem počítají s úhly šroubovice do 8 stupňů.

Pro dosažení úzkých tolerancí průměru díry je naprosto nezbytné, aby hrot vrtáku měl vynikající samostředicí schopnost. Z jiné perspektivy má úhel špice velký vliv také na tvorbu otřepů. Je známo, že úhly špice pod 90 nebo nad 150 stupňů pomáhají minimalizovat výšku otřepů na výstupu z díry. Vrták s úhlem špice 155 stupňů se proto hodí pro výstup z titanu, ale nemá dobrou samostředicí schopnost. Proto je navržen design s dvojitým úhlem špice, s vnitřním úhlem špice 130 stupňů a vnějším úhlem špice 155 stupňů. Celková výška špice takového vrtáku je spíše menší ve srovnání s obvykle používanými vrtáky s dlouhými řeznými hranami. To přivádí třetí a čtvrtou fazetu velmi rychle do kontaktu s materiálem, což napomáhá udržení úzkých tolerancí díry.

Další výhodou navržené konstrukce vrtáku je možnost vnitřního přívodu chladiva. Pro vrtání samotných CFRP desek pomáhá vnitřní přívod chladiva rychlému odvodu CFRP prachu ven z drážek vrtáku prostřednictvím stlačeného vzduchu. Pro řezání vrstvených materiálů z CFRP a titanu může být aplikováno minimální mazání (MQL, resp. MMS), které využívá tyto vnitřní kanálky pro přívod chladiva pro zajištění mazání a redukci obrovského množství tepla generovaného při obrábění titanu z důvodu jeho nízké tepelné vodivosti. To činí MQL absolutně nezbytným pro vrtání s PKD nástroji, jelikož jinak by značné teplo na řezné hraně vedlo ke grafitizaci nebo k následnému vytváření TiC. Takováto reakce vede k chemickému opotřebení v oblasti břitů a nakonec k vylamování PKD na břitech.

Experimentální studie

Vyvíjené PKD nástroje jsou experimentálně testovány za účelem vyhodnocení nejvhodnější PKD jakosti a nástrojových geometrií pro konkrétní aplikace. V daném případě byly testovány pájené PKD vrtáky, průměr 11,113 mm (7/16") s různými PKD jakostmi (G4, KD1415 a KD1425) a nepovlakované celokarbidové vrtáky s toutéž geometrií. Jako zkušební dílec byla vybrána 8,7 mm silná komerčně dodávaná CFRP (Isocarbon 3K) deska spojená s 10,8 mm silnou Ti-6Al-4V deskou. Testované nástroje vrtají průběžné díry vstupující z CFRP strany a vystupující ze strany titanu.

Zkoušky byly provedeny na CNC obráběcím centru (Heckert CWK 400) s horizontálním vřetenem a s vnitřním přívodem MQL chladiva (Vascomill MMS FA2) skrz vřeteno. Řezné parametry: řezná rychlost 20 m.min-1 a posuv 0,05 mm.ot.-1 pro CFRP i pro titan. Nebyly použity cykly s vyjížděním nástroje z díry během vrtání.
Pro sledování průběhu opotřebení nástroje byly testované vrtáky vyšetřovány pod mikroskopem vždy po vyvrtání 4 otvorů. Vyšetřování mechanismu opotřebení bylo prováděno pod mikroskopem po vyvrtání 24 děr. Po provedení všech testů obrábění byly zkušební dílce vyčištěny a označeny. Všechny vyvrtané otvory byly zkontrolovány. Průměr každé díry byl změřen ve čtyřech hloubkách (dvou ve vrstvě CFRP poblíž vstupního a výstupního povrchu a dvou v titanové vrstvě stejným způsobem). Rovněž byla měřena velikost otřepů na spodní titanové ploše.

Výsledky a analýzy

Dlouhá, předvídatelná a stále stejná životnost nástroje je klíčovým faktorem rozhodujícím o úspěchu nástroje. Pro akceptování kvalitního vrtání CFRP/titanové kompozitové matrice musí být splněno několik požadavků současně. Rozměr díry musí být uvnitř požadované úzké tolerance a otřepy na výstupu musejí být takové, aby bylo možné je snadno odjehlit. Pro vyloučení potenciálního poškození díry vlivem havárie nástroje a udržení možnosti renovace nástroje musí být minimalizováno a sledováno vylamování břitu. Pro rozhodnutí, kdy testovaný nástroj dosahuje konce životnosti, byla stanovena následující kritéria:
a) tolerance rozměru díry 11,113 + 70 μm (H10);
b) velikost otřepů do 0,02 mm;
c) výskyt vylamování břitu.

Výsledky testu ukazují, že hlavní příčinou poškození PKD vrtáků je vylamování břitu na konci jejich životnosti, zatímco karbidové vrtáky selhávaly překročením specifikované velikosti otřepu. Požadavkům na kvalitu díry vyhověly všechny vrtané díry v tomto testu.

Rozměry otvorů

Výsledky zkoušek prokázaly, že průměr díry v titanové vrstvě se nachází velmi přesně ve středu specifikované tolerance a kolísá v malém rozsahu 10 μm. Rozměr díry na vstupu do titanové vrstvy je velmi blízký rozměru díry na výstupu. V CFRP vrstvě je však relativně velký rozdíl v rozměrech díry mezi vstupem a výstupem. Tento rozdíl je výsledkem poškrábání stěny otvoru třískami během jejich odvádění z místa řezu. Pro snížení poškrábání třískami a zvýšení shodnosti rozměrů díry je nutné zlepšit utváření třísek. Je obtížné řešit záležitosti tvorby třísek samotným tvarem nástroje. V praxi je ověřeno, že přidání vyjížděcích cyklů nebo vrtání s podporou vibrací napomáhá kontrolovat délku třísky a snižovat efekt poškrábání.

Výsledky také ukazují, že navržené nové provedení hrotu vrtáku je schopno vytvářet díry v toleranci H10. Při použití optimalizovaných podmínek obrábění je dokonce s dobrou procesní spolehlivostí dosažitelný toleranční stupeň H8. Závislost kvality díry na materiálu řezné hrany nebyla patrná. PKD i karbidové nástroje se stejnou geometrií špice vrtáku poskytovaly podobné výsledky v kvalitě díry.

Velikost otřepu

Prokazatelně je zřejmá závislost materiálu ostří řezné hrany vrtáku na velikosti otřepů a mechanismu opotřebení. Zatímco karbidový vrták vytváří nadměrné otřepy na výstupu z titanu již po 14 dírách, první otvor mimo specifikaci pro dva ověřované PKD vrtáky byl při 57. a 117. díře. Teoreticky je nárůst velikosti otřepu důsledkem opotřebení břitu řezného nástroje. Jelikož PKD má mnohem větší tvrdost než karbid, je postup opotřebení břitu u PKD nástrojů pomalejší. Rozdíl v postupu opotřebení mezi třemi PKD sortami se zdá být menší. Dominantním způsobem opotřebení PKD jakostí je vylamování řezné hrany/břitu.

Závěry

Kennametal vyvinul a otestoval pájené PKD karbidové vrtáky se třemi různými sortami PKD a optimální geometrií nástrojů. Závěry této práce jsou následující:
1. technologie 3D pájení umožňuje výrobu PKD nástrojů s libovolnou šroubovicí, a tudíž s velkými úhly čela. Ve srovnání s „capped“ PKD řešením 3D pájení zlepšuje schopnost obrábění odstraněním menšího množství PKD z funkčních povrchů;
2. díky optimální geometrii nástroje (dvojitý úhel špice, šroubovité drážky, šroubovité kanály pro vnitřní přívod chladiva, velké úhly čela) byly vyvinuté PKD vrtáky schopny dosáhnout požadovaných vlastností děr (průměry děr a kontrola výšky otřepů);
3. ve srovnání s nepovlakovanými karbidovými vrtáky vykazují PKD vrtáky významné zvýšení životnosti nástroje;
4. všechny testované PKD vrtáky mají shodný charakter opotřebení, který začíná mikrotrhlinami na čele a končí havárií vyštípnutím břitu;
5. sorta KD1415 v dané aplikaci překonala G4 a KD1425 v délce životnosti nástrojů a lepší obrobitelnosti.

Doplňující materiály k uvedeným testům najdete na www.mmspektrum.com/140526.

-cg-

Obr. Zákaznický vrták s modulární špičkou s pájenými PKD destičkami

Obr. 1. Průměr otvorů v závislosti na počtu děr pro PKD nástroj. Pro každou kontrolovanou díru byl její průměr měřen ve čtyřech různých místech; dvou v oblasti CFRP a dvou v oblasti titanu, vždy v blízkosti vstupní plochy a spodní výstupní plochy.
Obr. 2. Nárůst velikosti otřepů v závislosti na počtu děr z důvodu opotřebení nástroje. Obrázek ukazuje růst výšky otřepů v závislosti na počtu děr v případě karbidu a dvou PKD jakostí (KD1415 a G4).
Tab. 1. Přehled výsledků životnosti nástrojů testovaných sort PKD. Ačkoliv G4 a KD1415 mohou být spatřovány jako velmi podobné, pokud jde o průměrnou životnost nástroje, KD1415 vykazuje mnohem větší shodu v životnosti nástrojů, stejně jako lepší obrobitelnost pro snížení výrobních nákladů. Proto byla vybrána jako nejvhodnější sorta pro tuto aplikaci.

Kennametal
www.kennametal.com
jan.fenz@kennametal.com

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 140526
Datum: 13. 05. 2014
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Čištění upínacích kuželů nástrojů

Při obrábění je zpravidla věnována značná pozornost kvalitě řezných nástrojů a také způsobu jejich upnutí. Již menší pozornost ale bývá věnována rozhraní upínací kužel - vřeteno stroje. Přitom právě upnutí nástrojové sestavy ve vřetenu obráběcího stroje výrazným způsobem ovlivňuje jak celý proces obrábění, tak i trvanlivost ostří, bezpečnost a v neposlední řadě také životnost upínačů i drahých vřeten strojů.

Doplňkový katalog nástrojů

Specialista na třískové obrábění, společnost Ceratizit, vydává svůj nový doplňkový katalog Up2date, v němž opět představuje inovované nástroje, produktové doplňky i zcela nová nástrojová řešení - mezi nimi i čtyřbřitý vrták WTX HFDS.

Související články
Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nové rozšíření řady WTX vrtáků

TK vrtáky typu WTX jsou již dlouhá léta stálicí na trhu. Pod produktovou značkou WNT nabízí Ceratizit Group prémiovou řadu vrtáků WTX z produktové kategorie Perfomance. Díky realizovaným inovacím se v nedávné době podařilo výrazně zvýšit výkonnost a životnost u řady vrtáků WTX Feed a WTX Speed. Do rodiny WTX vrtáků od ledna přibude další výjimečný a jedinečný nástroj, a to TK vrták se čtyřmi břity.

Kompaktní horizontální seřizovací přístroj pro Průmysl 4.0

Systémový dodavatel Kelch představil na veletrhu EMO v Hannoveru inovativní výsledky vývoje pro optimalizaci procesů, mezi nimi poprvé nově koncipovanou konstrukční řadu H3 z úspěšné série seřizovacích přístrojů Kenova set line.

Automatický systém hlídání použitého adaptéru

Společnost Kelch, která se specializuje na periferie a služby pro výrobce a uživatele strojů pro třískové obrábění, představuje plně automatické monitorování modulů MoDeTec. Tento patentovaný systém zabraňuje výběru nesprávných adaptérů ve výrobě, čímž se předchází vysokým následným škodám v podobě poklesu kvality, poškození stroje a zastavení výroby.

Novinka z varnsdorfské líhně

Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

Československá stopa u nového rekordu

Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

Pro větší efektivitu ve výrobě

Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

Nová generace tangenciálních rohových fréz

Nové tangenciální rohové frézy se vyznačují inovativním trojúhelníkovým tvarem okraje břitové destičky, který poskytuje řezným hranám výjimečnou pevnost.

Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Efektivní identifikace nástrojů a přenos dat

Systémový dodavatel Kelch GmbH uvádí na trh řešení Kelch QR pro kompletní, procesně spolehlivou identifikaci nástrojů, která zároveň přenáší data nástrojů do obráběcího stroje. Kelch QR je koncipováno jako jednoduché ekonomické řešení, které umožňuje podnikům zavést bez velkých dodatečných nákladů standardy Smart Factory a Průmyslu 4.0. Následující text představuje běžné metody, jako jsou tištěné etikety, postprocesor a moderní systémy, například RFID čipy a systémy pro správu nástrojů, a porovnává je s Kelch QR jako s jednoduchou a ekonomickou alternativou.

Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

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