Produktivní nástroje pro letecký průmysl a kosmonautiku

Ve firmě Gühring je tomuto oboru věnována mimořádná pozornost. Celé speciální oddělení s názvem Aircraft a s celosvětovými kompetencemi pomáhá při vývoji a návrhu jednotlivých řezných nástrojů a jejich aplikací. Jednotliví specializovaní prodejci naslouchají zákazníkům a sbírají požadavky specifických výrobních operací v tomto vrcholovém oboru.

Důležitou podporou tomuto oddělení je samozřejmě i centrální výzkum a vývoj. Zde je dostatečně dimenzované technické zázemí pro vývoj optimálních řezných materiálů včetně vývoje a aplikací tenkých vrstev. Samozřejmě je zde velký potenciál pro simulace a analýzy. K tomu jsou zde k dispozici nejmodernější technické nástroje jako FEM, vysokorychlostní kamera i termokamera, také REM mikroskopy. Nechybí ani zařízení pro měření řezných sil během obrábění.

Vývoj, konstrukce, výroba a konečná aplikace probíhají podle následujícího schematu:

• podle požadavku zákazníka jsou definovány vstupní parametry;
• využití speciální tzv. aircraft-databáze, která obsahuje jednak všechny parametry nových nástrojů v tomto oboru, jednak i veškerá aplikační data od firemních zákazníků získaná celou sítí zkušených inženýrů ze společnosti Gühring, kteří pracují přímo v terénu co nejblíže řezným procesům;
• návrh a simulace řezné geometrie;
• výroba nástroje;
• testování nástroje v reálných podmínkách na zkušebně;
• vyhodnocení výsledků, případná optimalizace;
• nasazení nástroje u zákazníka pod dohledem aplikačního specialisty Gühringu a provedení optimalizace řezných parametrů s cílem dosažení maximální procesní stability.

Nově vyvinuté špičkové nástroje jsou realizovány také v podobě komplexního nástrojového řešení pro kombinované obrábění.

Vedle vrtáků, výstružníků a záhlubníků z rychlořezné oceli nebo slinutých karbidů, ale i s PKD břity se také ve velké míře uplatňují speciálně koncipované nástrojové systémy pro předvrtávání a čisté vrtání dílů z hliníku, titanu i speciálních slitin, samozřejmostí je i vrtání sendvičových materiálů ve všech aplikacích a na různých typech strojů. Zvláštností jsou mimo jiné i nástroje pro velmi malé otvory a speciální upínací stopky nástrojů se závitem, jakož i nástroje pro montáž leteckých komponentů na nýtovacích zařízeních pomocí robotů a vrtacích posuvových jednotek.

Při výrobě a montáži leteckých křídel jsou třeba vysoce přesné cylindrické a kuželové díry v hliníku a titanových strukturách. V těchto případech se uplatňují nástrojová řešení Spacematic a Taperlock pro aplikace ve vrtacích posuvových jednotkách.

Různorodé stroje a speciální jednoúčelová zařízení v letectví a kosmonautice vyžadují upínání nástrojů pomocí závitu. Zde z ekonomických důvodů není možné používat nástroje opatřené závitovou stopkou, protože ta nástroj neúměrně prodražuje. Pro tyto účely bylo zkonstruováno speciální tepelné pouzdro, které je velmi kompaktní a je dodáváno s odpovídajícím požadovaným závitem. Do těchto pouzder je možné tepelně upínat jednodušší nástroje s cylindrickými stopkami, čímž náklady na nástroje klesají a původní složité pájené nástroje již nejsou třeba.

Pro výrobu a montáž v letectví a kosmonautice je zapotřebí mnoho druhů nástrojů s různými řeznými materiály. Uvedení všech druhů a možností aplikací přesahuje možnosti toho článku. Zde se zaměříme na jednu velkou skupinu – obrábění kompozitních a sendvičových materiálů.

Kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny se dnes vyrábějí mnoha způsoby, mj. velmi často používanou laminací. Pro letectví se používají buď samotné, nebo jako součást velmi oblíbených sendvičových konstrukcí kompozit/kov, převážně s hliníkovými a titanovými slitinami. Výhodou těchto materiálů jsou vyšší měrné hodnoty pevnosti a tuhosti (tj. přepočtené 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, spojená hlavně s vrtáním. K delaminaci dochází již při vstupu nástroje v podobě odlupování povrchové vrstvy kompozitu, jakož i při výstupu vrtáku z materiálu, kdy dochází k odlupování neobrobené vrstvy pod nástrojem v kombinaci s vytahováním neodřezaných vláken ven z otvoru. Kvalita obrobeného povrchu je také zhoršována tepelným ovlivněním z řezného procesu, což se projevuje vydíráním povrchu. U sendvičových materiálů ještě přistupuje vymílání laminované části kovovými třískami a promáčknutí kovového otřepu do kompozitu. Na všechny uvedené nevýhody je třeba reagovat volbou správného typu nástroje se speciálně uzpůsobenou geometrií a správnou volbou řezného materiálu.

Z celé obrovské škály možných kombinací materiálů, které se dnes běžně v letectví používají, kdy další a další jsou předmětem vývoje jednotlivých výrobců, vybíráme několik aplikačních příkladů.

Pro ruční vrtání samotných CFK materiálů se používá geometrie špičky pojmenovaná Fishtail („rybí ocas“), kdy nejžádanější průměry jsou do 3 mm. Tyto vrtáky slouží pro přesné předvrtání nýtových spojů.

Pro vrtání sendvičových materiálů se používá vrták s lamačem třísek. Příklad vrtání sendvičového materiálu o celkové tloušťce 21 mm (CFK 16 mm, TiAl6V4 5 mm):

• vrtání automatickou posuvovou jednotkou;
• relativně nestabilní podmínky obrábění;
• n = 460 ot.min^-1;
• f = 0,07 mm.ot.^-1;
• chlazení vnitřní tlakovým vzduchem.

Pro zvýšení produktivity při opracování dílů z hliníku, titanu a speciálních slitin na bázi niklu se používají monolitní frézy se speciálně vyvinutou geometrií, z optimalizovaného jemného slinutého karbidu se speciálním povlakem.

Pro hospodárné a výkonné obrábění CFK byly vyvinuty a zkonstruovány high-tech frézy v rámci programu CR100. Jejich důmyslná konstrukce především zabraňuje delaminacím, vydírání a tepelným poškozením. Tyto přednosti jsou obzvlášť výrazné při obrábění CFK materiálů s menším podílem pryskyřice a při jednosměrném uspořádání vláken. Vlákna jsou velice lehce a snadno čistě odřezána, nedochází k nežádoucím otřepům. Tyto frézy mají zcela novou geometrii a v kombinaci s deponovanou diamantovou tenkou vrstvou zaručují spolehlivé obrábění těchto materiálů s klidným během při vysokých řezných parametrech bez delaminací. Frézy jsou v provedení jako stopkové bez čelního výbrusu, s čelním břitem přes střed a také s vybroušenou vrtací špičkou. K dispozici je i provedení s protisměrným výstupem chladicích kanálů tlakového vzduchu, kde toto upořádání slouží k razantnímu vyfoukávání CFK prachu z místa řezu.

• obrobek: držák;
• nástroj: fréza z programu CR100 o průměru 8 mm;
• aplikace: drážkování, hrubování a stranové frézování při jednom řezu (one-pass);
• chlazení tlakovým vzduchem – vnější;
• n = 5 000 ot.min^-1;
• vf = 3 600 mm.min^-1;
• běžně dosahovaná trvanlivost činí 35 m.

Obrábění kompozitních a sendvičových materiálů, které se v největším měřítku aplikují právě v letectví a kosmonautice, je značně obtížné. Volba vhodných řezných nástrojů vyžaduje specifický přístup a velkou pozornost. Obecně platí, že pro úspěšnou aplikaci je nutná správná volba řezného materiálu. Dalším velmi důležitým faktorem je optimální geometrie špičky i šroubovité drážky s cílem dosáhnout správného tvaru třísek, které musejí být bezproblémově odvedeny z místa řezu. K chlazení se ve velké míře používá stlačený vzduch a v poslední době je hojně doporučováno jako optimální chlazení s minimálním množstvím mazání – MQL.

Dr.-Ing. František Plánička

Gühring, umístění na MSV: pavilon F, stánek 42

sekretariat@guehring.de

www.guehring.cz