Produktivní nástroje pro letecký průmysl a kosmonautiku

Ve firmě Gühring je tomuto oboru věnována mimořádná pozornost. Při vývoji a návrhu řezných nástrojů i jejich aplikací pomáhá celé speciální oddělení s celosvětovými kompetencemi, nazvané Aircraft. Specializovaní aplikační technici naslouchají zákazníkům a zjišťují požadavky specifických výrobních operací v tomto vrcholovém oboru. Výsledkem jsou špičkové nástroje, které bývají realizovány i jako komplexní nástrojová řešení pro kombinované obrábění.

Moderní vláknové kompozity (vlákny vyztužené plasty – angl. zkratka FRP, něm. FVK nebo FKV) se díky efektivitě, redukci hmotnosti, pevnosti nebo dynamice stále častěji uplatňují v celé řadě průmyslových aplikací. Díky svým specifickým vlastnostem rozšiřují skupinu klasických kovových lehkých materiálů, jako jsou slitiny hliníku a titanu, o nová technická řešení. Vláknové kompozity, nebo také multimateriálové systémy, tj. směs vláknových kompozitů a kovových materiálů, již zdaleka nejsou vyhrazeny výlučně pro letectví a kosmonautiku, automobilový sport a jiné high-end 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 vysoce dynamické a energeticky efektivní procesy.

Od poloviny 80. let 20. století nabízí společnost Gühring standardní i speciální nástrojová řešení pro obrábění vláknových kompozitů. Tyto dlouhodobé zkušenosti vedly k vývoji nejrůznějších specializovaných vysoce výkonných nástrojů přizpůsobených nejrůznějším podmínkám a aplikacím. Příkladem může být ručně vedené vrtání, vrtání s posuvovou vodicí jednotkou, obrábění pomocí robotů i obrábění na konvenčních obráběcích centrech. Nástroje společnosti Gühring pro třískové obrábění vláknových kompozitů splňují základní požadavky na obrábění moderních lehkých materiálů.

Pro třískové obrábění vláknových kompozitů bez poškození obrobku má rozhodující význam kvalita řezné hrany a otěruvzdornost řezného materiálu. Předpokladem pro procesně spolehlivé oddělení vysoce abrazivně působících vláken, zejména u materiálů s obsahem vláken nad 55 %, je ostrá řezná hrana.

Sklolamináty (angl. zkratka GFRP, něm. zkratka GFK) se v současné době průmyslově používají ve velkém množství, například pro aplikace v oblasti větrné energie, v dopravě a stavebnictví. Sklolamináty se obvykle používají pouze pro mírně zatěžované díly, obvykle pro velkoplošné plášťové díly. Méně zatížitelné sklolaminátové díly se zde dokonce v mnoha případech upřednostňují před lehčími uhlíkovými kompozity, protože jejich výroba je mnohem levnější a snáze se obrábějí.

Uhlíkové kompozity (angl. zkratka CFRP, něm. zkratka CFK) se oproti sklolaminátům vyznačují výrazně vyšší pevností. Čistá uhlíková vlákna dosahují v závislosti na výrobním procesu a průměru vlákna mnohonásobně vyšší pevnosti v tahu než ocelové materiály, avšak při nižší hmotnosti. Pro vysoce namáhané konstrukční díly se z tohoto důvodu používají téměř výhradně uhlíkové kompozity. Pro snadnější tvarování dílu, zachycení sil a k ochraně vláken se vlákna u sklolaminátů a 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 na paměti kromě typu vlákna také orientaci vláken. Orientace vláken je u uhlíkových kompozitů rozhodujícím faktorem pro tendenci materiálu k delaminaci a vytrhávání vláken. Zvláště jednosměrně orientované vrstvy mají zejména na výstupu otvoru tendenci k výrazné delaminaci.

Obrábění sklolaminátů a uhlíkových kompozitů vyžaduje nástrojová řešení speciálně přizpůsobená vysoce abrazivně působícím vláknům. Na pomoc proti vzniku typických poškození vláknových kompozitů nabízí společnost Gühring vysokovýkonnostní nástroje specifické pro danou aplikaci, které prostřednictvím cíleného řízení řezných sil zabraňují delaminaci materiálu během obrábění.

Při vrtání se používají specifické vrtáky pro danou aplikaci a daný materiál, s různými geometriemi špičky. Pomocí přizpůsobených nástrojů lze spolehlivě oddělit vlákna v jednosměrně orientovaných vrstvách vláken i u textilních vrstev a lze zabránit delaminaci jak na povrchu obrobku při vstupu a výstupu nástroje (peel up – odloupnutí; push out – vytlačení), tak i uvnitř obrobku.

a)

b)

c)

Jako sendvičové materiály (také stack) se označují kombinace alespoň dvou různých materiálů s odlišnými vlastnostmi. Často používanými kombinacemi materiálů pro lehké konstrukce jsou uhlíkový kompozit/titan a uhlíkový kompozit/hliník. Možné jsou však také kombinace uhlíkových kompozitů, titanu, nerezové oceli a hliníku v různém složení. Pro zavedení spojovacích prvků (šroubů apod.) je třeba obrábět (například vrtat) tyto různé materiály společně v jednom procesu. Výzvou pro obráběcí nástroje jsou velmi odlišné vlastnosti jednotlivých materiálů v jejich kombinaci a odlišné strategie při jejich obrábění. Při obrábění kombinace uhlíkového kompozitu a titanu působí uhlíkový kompozit silně abrazivně a vede rychle k zaoblení břitů nástroje. Titan je naopak velmi houževnatý a díky nízké tepelné vodivosti způsobuje vysoké teploty obrábění. Při obrábění tak často velmi rychle dochází k poškození v uhlíkovém kompozitu z důvodu příliš vysokých obráběcích sil a teplot. I přes odlišné vlastnosti materiálů však musí být zajištěno rozměrově stabilní obrábění při dlouhé životnosti. Společnost Gühring nabízí pro tuto skupinu materiálů speciální monolitní karbidové nástroje, karbidové nástroje s deponovaným povlakem a PKD nástroje, které jsou speciálně přizpůsobeny příslušné struktuře materiálů a bezpečně zajistí odvod třísky i rovnoměrný průměr otvoru ve všech vrstvách materiálu.

Pro vrtání sendvičových materiálů byl vyvinut speciální vrták s lamačem třísek – chipbreaker. Na obrázcích je vidět rozdíl mezi třískami od standardního vrtáku a vrtáku s lamačem třísek. Vrtán byl sendvičový materiál o celkové tloušťce 21 mm, z toho na CFK připadalo 16 mm, dalších 5 mm na slitinu TiAl6V4. Vrtání, které se vyznačovalo relativně nestabilními podmínkami obrábění, proběhlo s použitím automatické posuvové jednotky. Řezné podmínky: n = 460 ot.min^-1, f = 0,07 mm.ot.^-1, chlazení vnitřní tlakovým vzduchem.

a)

c)

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 dosažení 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. Firma Gühring v tomto oboru patří k velmi významným inovátorům. Jasným důkazem je několik patentovaných řešení jak pro nástroje, tak i pro technologický proces – v rámci uceleného programu Aircraft je možné dodat i kompenzátor posuvu pro velmi náročné ruční vrtání či nástavec pro kontrolu kolmosti vrtání.

Gühring

Dr.- Ing. František Plánička

lucie.vlckova@guehring.de

www.guehring.cz