Témata
Zdroj: Kennametal

Strategie obrábění žáruvzdorných slitin

Obrábění žáruvzdorných slitin, např. inconelu a titanu, je v oblasti letectví běžné, ale zároveň představuje extrémní zátěž pro nástroje. K dosažení optimální životnosti nástroje, vysoké kvality povrchu a efektivity obrábění je nezbytné zvolit komplexní strategii, která eliminuje typické problémy spojené s použitím monolitních stopkových fréz.

Reklama

Tyto slitiny se využívají zejména pro výrobu lopatek turbín, výfukových potrubí, částí podvozků a dalších součástí vystavených vysokému mechanickému a tepelnému zatížení. Jejich vynikající pevnost a tepelná odolnost však z hlediska obrobitelnosti představují značnou výzvu – mimo jiné kvůli nízké tepelné vodivosti.

Klíčem k úspěchu je optimalizace řezných parametrů, použití moderních nástrojových materiálů a povlaků, efektivní chlazení a mazání, precizní strategie odvodu třísek, jakož i přesná strategie dráhy nástroje.

Hlavním problémem při obrábění žáruvzdorných slitin je vznikající teplo,“ uvádí Danny Davis, seniorní aplikační inženýr ve společnosti Kennametal. „S teplem je nutné aktivně pracovat pomocí správných řezných podmínek, chladicích kapalin a povlaků a také pomocí vhodně zvolených substrátů.

Rodina monolitních karbidových stopkových fréz Harvi. (Zdroj: Kennametal)

Tepelné zatížení při obrábění

U žáruvzdorných slitin se teplo z řezu neodvádí účinně ani do obrobku, ani do třísek a většina tepelného zatížení tak zůstává na nástroji – případně na samotné součásti. Každý řezný proces je de facto termodynamický systém, kde elektrická energie pohánějící vřeteno se mění na kinetickou (otáčení a posuv) a na teplo – to vzniká třením i plastickou deformací a významně ovlivňuje vznik třísek, stejně jako jejich odvod.

Při tvorbě třísek probíhají tři energeticky náročné fáze:

  • tření (rubbing) – téměř 100 % energie se mění v teplo;
  • hrnutí materiálů (plastic deformation) – přibližně 90 % energie jde na teplo;
  • stříhání (shearing) – i zde vzniká značné množství tepla, a to při oddělení třísky.

Tepelná energie je zásadní příčinou poškození břitu a zhoršení životnosti nástroje,“ říká Steve George, vedoucí konstrukce nástrojů ve společnosti Kennametal. „Způsobuje také vznik tzv. bílé vrstvy, tedy změn ve struktuře povrchu vlivem tepla. Cílem je teplo minimalizovat – a my víme, jak na to.

Monolitní stopkové frézy Kennametal Harvi IV jsou ideálním řešením pro výrobu dílů, včetně blisků pro letecké motory. (Zdroj: Kennametal)

Efektivní řízení tepelného zatížení

1. Nástroje s nízkým řezným odporem
Nástroje jako Harvi I, Harvi II, Harvi III a Harvi IV jsou navrženy tak, aby snižovaly energetické nároky na řez, a tím i tepelné zatížení. Optimalizovaná geometrie a moderní povlaky zajišťují hladší chod a nižší tření.

2. Moderní povlaky – např. Kennametal KCSM15A
Speciálně navržené povlaky pro žáruvzdorné slitiny nabízejí vysokou odolnost proti opotřebení, hladký povrch a dlouhou životnost, a sice i při extrémním zatížení. V kombinaci s mazivy s vysokou lubrikační schopností tento povlak výrazně prodlužuje životnost nástroje.

3. Mazání a chlazení
Vysokotlaké chladicí systémy nebo MQL (minimum quantity lubrication) výrazně snižují vznik tepla zejména při vyšších rychlostech. Mazivo nejen chladí, ale také odděluje styčné plochy, čímž brání vzniku tepla při tření a hrnutí materiálů.

4. Nástrojové materiály s nízkou tepelnou vodivostí
Např. keramika nebo některé povlakované karbidy omezují přenos tepla do nástroje a směrují jej do třísek.

5. Dynamické frézování a optimalizace času záběru
Zkrácení doby kontaktu nástroje s materiálem snižuje pomocí menšího radiálního záběru (např. při dynamickém frézování) tepelné zatížení, zlepšuje odvod třísek a zabraňuje hrnutí materiálů.

Reklama
Reklama
Reklama

Chladicí strategie a aplikace maziv

  • voda: výborný přenos tepla, ale slabé mazací vlastnosti → doporučeno použít kapaliny s EP aditivy;
  • vzduch: pomáhá s odvodem třísek, když není chlazení možné;
  • oleje: vynikající mazací účinek, ale náročné na údržbu.

Důležitá není jen volba média, ale i jeho směrování. Chladicí médium musí mířit přímo do oblasti řezu. Nástroje jako např. Harvi IV disponují vnitřním chlazením, které účinně odvádí třísky a teplo z obtížně přístupných míst.

Vysokotlaké vnitřní chlazení výrazně snižuje opotřebení nástroje a zajišťuje kvalitu obrobeného povrchu,“ potvrzuje Katie Myers, produktová manažerka působící ve společnosti Kennametal.

Šroubovicová čelní fréza Harvi Ultra 8X s vyměnitelnými břitovými destičkami, určená pro obrábění žáruvzdorných slitin. (Zdroj: Kennametal)

Použití keramických nástrojů v suchém prostředí

Keramické nástroje výborně zvládají extrémní teploty, a proto jsou vhodné pro suché obrábění. Vyžadují však pečlivé nastavení dráhy a přesnou geometrii dílu.

Keramika teplo snáší, ba přímo vyžaduje. Cílem je teplo vytvořit a rychle odvést,“ říká George.

Klíčová je správná evakuace třísek, vyhýbání se opětovnému řezu a např. strategie bočního postupného frézování, snižující tepelné zatížení nástroje.

Monolitní stopková fréza Harvi III Aero s povlakem KCSM15A, zajišťující vysokorychlostní hrubování i dokončování s maximálním úběrem materiálu. (Zdroj: Kennametal)

Frézování kapes a vstupní strategie

Při obrábění hlubokých kapes, běžných v leteckých aplikacích, je zásadní zvolit vhodný způsob vstupu:

  • plunge (kolmé zahloubení) – ideální pro menší kapsy, např. s nástroji Harvi I TE a II TE;
  • rampování – agresivní strategie vhodná pro hlubší kapsy;
  • helikální interpolace – nejstabilnější a nejšetrnější metoda.

U rohů je důležitá volba nástroje s odpovídajícím průměrem, aby nedocházelo k přetížení.

Reklama

Minimalizace vibrací (chatteru) a zvýšení tuhosti

Chvění vzniká při nedostatečné tuhosti stroje nebo držáku. I perfektní nástroj selže, pokud vřeteno neudrží stabilitu.

Kombinace dlouhého vyložení a slabého vřetena je recept na chvění,“ varuje George.

Řešení:

  • zkrácení vyložení nástroje;
  • volba tužšího držáku;
  • snížení hloubky řezu (namísto zpomalení posuvu);
  • optimalizace rychlostí a posuvů podle záběru třísky.

Řezné podmínky a životnost nástroje

Životnost nástroje přímo závisí na otáčkách, posuvu a na tloušťce třísky. Příliš vysoké otáčky vedou k přehřívání a rychlému opotřebení. Naopak při příliš malém záběru dochází ke tření místo řezu a vytváří se tak nadměrné teplo.

Při dynamickém frézování a dokončovacích operacích je nutné zohlednit efekt ztenčování třísky.

Vrták FBX pro předobrábění konstrukčních dílů z žáruvzdorných slitin v leteckém průmyslu. (Zdroj: Kennametal)

Geometrie a tuhost stěn

Například u lopatek, blisků a izogridových struktur hraje zásadní roli tvar dílu. Zakřivení dílu nebo přítomnost sousední stěny mohou zvýšit tuhost dílu a umožnit agresivnější parametry hrubování – i mimo běžný poměr výšky a šířky 13 : 1.

Zakřivená stěna přidává dílu tuhost a umožňuje nám jít za hranici standardních doporučení,“ vysvětluje Davis.

Závěr

Obrábění komponent z žáruvzdorných slitin určených pro letectví vyžaduje víc než jen kvalitní nástroje – nutná je komplexní strategie, zahrnující řízení tepla, tuhost systému, plánování drah a pochopení geometrie dílu. Použitím správných technik a nástrojů lze významně zvýšit nejen efektivitu frézování, ale i kvalitu vyráběných dílů.

Související články
Monolitní nástroje na frézování

Strojírenské dílny čelí rostoucím požadavkům na zlepšení efektivity výroby, snížení nákladů a obrábění náročnějších materiálů bez snížení životnosti nástrojů. Ať už jde o obrábění dílů pro letectví, medicínu, nebo obecné strojírenské aplikace, výběr správné monolitní čelní frézy může znamenat zásadní rozdíl. A právě zde přicházejí na řadu frézy z řad GOmill Pro a Harvi II TE.

30 let života s řeznými nástroji

Firma Jan Havelka letos završila třetí dekádu svého působení na tuzemském trhu s obráběcími nástroji. Její historie i současnost jsou úzce spojeny s řeznými nástroji americké firmy Kennametal. O těchto nástrojích i o spolupráci s globálním výrobcem jsme si povídali s jednatelem společnosti Jan Havelka panem Tomášem Havelkou.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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.

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.

Nová kuželová čelní stopková fréza s kónickou geometrií

Vrcholná řada fréz VQ od Mitsubishi Materials byla rozšířena o kuželovou čelní stopkovou frézu se šesti břity. Nová fréza je určena především pro vysoce efektivní dokončovací obrábění titanových slitin a dalších těžko obrobitelných materiálů, ale nezalekne se ani hliníkových slitin.

Prestižní ocenění Zlatá medaile

Výjimečnost nástroje FreeTurn skupiny Ceratizit potvrdila na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu odborná porota prestižního ocenění Zlatá medaile. Ocenění za inovaci ve zpracovatelské technologii bylo společnosti uděleno za inovativní metodu technologie podélného a čelního soustružení, kdy je hrubování, dokončování a obrábění kontur realizováno pomocí jediného nástroje. Společně s progresivní obráběcí metodou High Dynamic Turning zvyšuje nástroj FreeTurn dynamičnost a efektivnost procesu soustružení.

Hledání nástrojů? Neexistuje!

Když společnost Test-Fuchs GmbH, přední světový dodavatel testovacího vybavení pro letecký a kosmický průmysl, stavěla v roce 2012 novou výrobní halu, měla být také správa nástrojů zorganizována tak, aby vyhovovala i budoucím požadavkům. Po více než čtyřech letech zkušeností se správou nástrojových dat (Tool Data Management) od společnosti TDM Systems je jasné, že toto rozhodnutí bylo správné.

Vysokoposuvové frézy z Japonska

Japonský výrobce obráběcích nástrojů – společnost Mitsubishi Materials – rozšiřuje své portfolio frézovacích nástrojů o novou řadu fréz WJX. Frézy WJX se vyznačují svou všestranností a schopností pracovat při vysokých rychlostech posuvu, což jim zaručuje využití v celé řadě aplikací.

Chytrá kontrola procesů s využitím cloudu

Systémový dodavatel Kelch GmbH vyvinul společně s inovativními partnery sledování procesu a stavu s využitím cloudu. Díky němu je od nynějška možné systematicky sledovat seřizovací přístroje Kelch a včas rozpoznat případné nesrovnalosti.

Aditivní výroba precizních nástrojů a upínačů

Mezi nejnovější technologické trendy současnosti patří aditivní výroba - 3D tisk. Tato technologie výroby zasahuje dnes téměř do všech oborů lidských činností. Dokážeme vytisknout například obytné domky, zdravotní pomůcky i celé náhrady, dopravní prostředky. Tato technologie nachází uplatnění i ve výrobě precizní nástrojů pro obrábění i jejich upínačů.

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