Produktivní obrábění v leteckém průmyslu a kosmonautice

Obrábění těchto materiálů klade specifické požadavky na řezné nástroje, obráběcí stroje a celý výrobní proces. Ve firmě Gühring je tomuto oboru věnována mimořádná pozornost. Celé speciální oddělení s názvem Aircraft 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.

Vývoj a aplikace tenkých vrstev

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 měřicí zařízení řezných sil během obrábění. Vývoj, konstrukce, výroba a konečná aplikace probíhají podle následujícího schématu. Podle požadavků zákazníka jsou definovány vstupní parametry. Využívá se speciální „Aircraft-databáze". Tato databáze obsahuje jednak všechny parametry nových nástrojů v tomto oboru vyrobených a jednak veškerá aplikační data od zákazníků získaná celou sítí špičkových zkušených inženýrů, kteří pracují přímo v terénu co nejblíže řezným procesům. Navrhuje se a simuluje se řezná geometrie, poté se vyrobí nástroj. Dále probíhá testování nástroje v reálných podmínkách na zkušebně. Vyhodnotí se výsledky a proběhne případná optimalizace nástroje. A v posledním kroku se nasadí nástroj přímo u zákazníka pod dohledem aplikačního specialisty, provede se optimalizace řezných parametrů s cílem dosáhnout maximální procesní stability.

Výsledné jednotlivé špičkové nástroje jsou realizovány také jako komplexní nástrojové řešení pro kombinované obrábění.

Vrtání, vystružování, zahlubování

Vedle vrtáků, výstružníků a záhlubníků z rychlořezné oceli nebo slinutých karbidů  (ale i s PKD břity) se také ve valné míře uplatňují speciálně koncipované nástrojové systémy pro předvrtávání a čisté vrtání dílů z hliníku, titanu i speciálních slitin. Samozřejmostí je i vrtání sendvičových materiálů pro všechna použití a pro různé typy strojů. Zvláštností jsou mimo jiné i nástroje pro velmi malé otvory a speciální upínací stopky nástrojů se závitem, jako i nástroje pro montáže leteckých komponentů na nýtovacích zařízeních, s pomocí robotů a vrtacích posuvových jednotek.

Spacematic a Taperlock nástroje

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

Frézování

Pro frézování CFK a podobných materiálů jsou aplikovány nástroje s PKD břity anebo ze slinutých karbidů s deponovanou optimální tenkou vrstvou. Pro zvýšení produktivity při opracování dílů z hliníku, titanu a speciálních slitin na bázi niklu se používají monolitní frézy se speciálně vyvinutou geometrií, optimalizovaného jemného slinutého karbidu se speciální tenkou vrstvou.

Upínací stopky nástrojů

Různorodé stroje a speciální jednoúčelová zařízení v letectví a kosmonautice vyžadují upínání nástrojů pomocí závitu. Zde není možné z ekonomických důvodů 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. Na tomto základě je možné tepelně upínat jednodušší nástroje s cylindrickými stopkami do těchto pouzder, náklady na nástroje pak klesají, původní složité letované nástroje již nejsou třeba.

Vrtání kompozitních a sendvičových materiálů

Pro výrobu a montáž v letectví a kosmonautice je zapotřebí mnoho druhů nástrojů osazených většinou řezných materiálů. Uvedení všech druhů a možností aplikací přesahuje možnosti toho článku. Zde se zaměříme na jednu velkou skupinu - vrtání kompozitních a sendvičových materiálů.

Kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny se vyrábějí dnes mnoha způsoby, také velmi často používanou laminací. Pro letectví se používají buď samotné, nebo jsou velmi oblíbené sendvičové konstrukce 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 materiálů. Nejčastějším typem poškození je delaminace, která je spojena hlavně s vrtáním. K delaminaci dochází už při vstupu - odlupování povrchové vrstvy kompozitu - i při výstupu vrtáku z materiálu - 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 - vydírání povrchu. U sendvičových materiálů ještě přistupuje vymílání laminované části kovovými třískami a promáčknutí kovového otřepu do kompozitu. Na všechny tyto uvedené nevýhody je třeba reagovat volbou správného typu nástroje se speciálně uzpůsobenou geometrií a správnou volbou řezného materiálu.

Aplikační příklady

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

Ruční vrtání CFK

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.

Vrtání sendvičových materiálů

Aplikace Chippbreaker - vrták s lamačem třísek, použit je sendvičový materiál o celkové tloušťce 21mm: 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.

Aplikace Openflute - vrták s otevřenou drážkou, použit je sendvičový materiál o celkové tloušťce 19 mm: CFK 5 mm, Al 7535 6 mm, TiAl6V4 8 mm, požadovaný otvor D = 4,0 H8, trvanlivost nástroje je 100 děr.

Aplikace Flaptrack - vrtání ovládání klapek - použity jsou sendvičové materiály ze tří kovových vrstev o celkové tloušťce 10 až 16 mm (proměnlivá tloušťka): TiAl6V4, Al 7535, kalená ocel 1.4545, vrtání na CNC stroji, stabilní podmínky obrábění, v_c = 55-65  m.min^{-1, f = 0,08-0,12 mm.ot.-1}, chlazení vnitřní MQL, trvanlivost nástroje činí 32 m.

Správná volba řezného materiálu

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 správný tvar třísek, které musí 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.

EMO hala 4 stánek A30,

MSV Pavilon F/stánek 23

Dr.-Ing. František Plánička

frantisek.planicka@guehring.de

Gühring 

On-line verzi časopisu MM Průmyslové spektrum si můžete zakoupit v digitální trafice PUBLERO.COM