CFRP se vyznačují špatným vedením tepla, a jelikož nevznikají žádné třísky, není možné jeho efektivní odvádění z místa řezu. To znamená, že je vždy nutné pečlivé posoudit účinky tepla jak na materiál nástroje, tak i na materiál obrobku. Příliš vysoké teploty mohou mít za následek poškození matrice kompozitu.
Životnost má prvořadý význam
Jak vlákna výztuže, tak i matrice kompozitu mohou působit na nástroj velice abrazivně a z tohoto pohledu získává jeho životnost prvořadý význam. Dalším důležitým faktorem při obrábění kompozitních materiálů je velikost řezných sil, jelikož se zásadním způsobem promítá do velikosti tlaku na obráběnou součást a vlivu břitu na jakost obrobené plochy. Obrobky často velice citlivě reagují na působící síly, jelikož v řadě případů bývají tenkostěnné, štíhlé nebo vrstevnaté.
Posun i u vrstevnatých kompozitů
Vrtání CFRP s hliníkovými nebo titanovými vrstvami je v současnosti běžně prováděnou operací v leteckém a motoristickém odvětví. Do jisté míry si lze představit, že vláknové kompozity jsou tvořeny navzájem spojenými tenkými plátky, jejichž směrová pevnost se u po sobě následujících vrstev mění. Vrtání pak představuje složitý problém, jelikož na vstupu a výstupu z materiálu může docházet jak k roztřepení, tak dokonce k odtržení jednotlivých vrstev (delaminaci). Pro dosažení požadované kvality obrobené plochy je nezbytné zajistit uspokojivý průběh řezu na rozhraní mezi vrstvami vláken a matricí, dílem také proto, že chování CFRP materiálů se v tomto ohledu navzájem liší. Spolu s tím, jak se u kompozitů, jakožto konstrukčních materiálů, zvyšuje odolnost proti nárazu a odolnost proti působení tepla, jejich obrábění obvykle vyžaduje více pozornosti a použití nových řešení. Některé materiály obsahující uhlíková vlákna velmi dobře odolávají účinkům tepla, a proto je možné jejich použití v blízkosti proudových motorů, ale na druhou stranu se jejich obrábění stává ještě složitější vzhledem k tomu, že na břity vrtáku působí mechanismus brusného otěru.
Vrtání kompozitních materiálů
Výroba otvorů v kompozitních materiálech je stále náročnější, jelikož se tyto materiály neustále vyvíjejí, aby splňovaly požadavky na nové typy leteckých konstrukcí. Nároky na kvalitu obrobené díry jsou vysoké, stejně jako stoupají požadavky na stupeň automatizace. Dalším trendem pak je vyloučení sekundárních operací.
Vrtání CFRP materiálů často umožňuje relativně jasné řešení, ale v případě kombinace s vrstvami titanu vyžadují přechody mezi kompozitem a titanem úpravu řezných parametrů, aby utvářením a odváděním titanových třísek nedocházelo k poškození povrchu kompozitu. Obráběcí nástroj musí být samozřejmě také vhodný pro obrábění obou typů těchto velice obtížně obrobitelných materiálů. Při vrtání se obvykle používají řezné rychlosti v rozsahu 100 až 200 m.min-1 a nízké rychlosti posuvu, nejčastěji 0,02 až 0,06 mm.ot.-1. V případě vrtání kompozitních materiálů bývají průměry nejčastěji v rozmezí od 3,0 mm do 12,7 mm.
Obrábění kompozitních materiálů vyžaduje specifické aplikace
Řešení pro tyto typy aplikací jsou zcela specifická a mimo jiné lze využít také některou z geometrií nových vrtáků CoroDrill z nabídky firmy Sandvik Coromant. Vrtáky CoroDrill 854 a 856 byly vyvinuty tak, aby splňovaly mimořádně tvrdé požadavky na obrábění nejnovějších CFRP materiálů a vrstevnatých kompozitů s hliníkovou fólií a vyznačují se dlouhou a konzistentní životností umožňující opakované dodržení přísných tolerancí. Geometrický tvar vrtáku CoroDrill 854 je navržen tak, aby se u materiálů s vysokým obsahem vláken zvýšila kvalita díry na vstupu i na výstupu z obrobku.
Z hlediska dosažení optimální kvality, spolehlivosti obráběcího procesu a hospodárnosti nákladů na vyrobenou díru má zásadní význam správná volba vrtáku. Z tohoto pohledu nachází vrták CoroDrill 854, s geometrií opatřenou ostrými výběžky, uplatnění v případech, kdy je problémem třepení a vyštipování, zatímco použití vrtáku CoroDrill 856 je vhodné, pokud u materiálů s velkým podílem polymerní matrice dochází k delaminaci - hlavní podíl na tom má jeho geometrie s lomeným ostřím, která usnadňuje klidný vstup do obráběného materiálu a výstup z něj.
Pro počáteční stanovení obrobitelnosti je vhodné použití středních otáček vřetena (přibližně 2 000 ot.min-1 v případě malých a středních nástrojů) a nízké rychlosti posuvu. Tento způsob umožňuje posouzení opracovatelnosti tak, aby bylo možné upravit řezné podmínky nebo přehodnotit volbu nástrojové geometrie či třídy. Požadavky na kvalitu obrobené plochy se neustále zvyšují a nejčastěji se pohybují okolo 1,6 Ra, což společně s hodnotami CPK (pro posouzení kvality) rovněž ovlivňuje volbu použité geometrie a třídy.
Čelem k výzvám
Stejně jako v případě kvality povrchu obrobené díry jsou u kompozitních materiálů vysoké také požadavky na kvalitu obráběných rovinných ploch, což si žádá použití netradičních postupů obrábění s využitím moderních obráběcích nástrojů s vyměnitelnými břitovými destičkami. Součástí výrobní řady CoroMill jsou také nástroje, jako jsou čelní frézy CoroMill 590 nebo stopkové frézy CoroMill 390 využívající břitové destičky s hrotem nebo povlakem z polykrystalického diamantu, které jsou obzvláště účinné v případě kompozitních materiálů s vysokým obsahem uhlíkových vláken.
Lehký řez s minimální řeznou silou
Nástroje musejí umožňovat lehký řez s minimální velikostí vznikajících řezných sil, a proto je vzhledem k různorodým vlastnostem kompozitních materiálů zapotřebí několik různých geometrií umožňujících nalezení nejvhodnějšího řešení. Pokud jde o nástrojové materiály, vrtáky s diamantovým povlakem se používají pro aplikace se sníženou stabilitou, jak je tomu například v případě mobilních zařízení, jejichž použití je příznačné pro montáž letounu.
Vrtáky a frézy s diamantovými břity (PCD) umožňují dosažení nejdelší životnosti nástroje, jelikož diamant dobře odolává opotřebení při obrábění různých uhlíkovými vlákny vyztužených a vrstevnatých materiálů, včetně titanu. Pro frézovací aplikace je nejběžnější použití břitových destiček s diamantovými hroty, zatímco monolitní karbidové nástroje s diamantovým povlakem lze použít pro začišťování součástí obsahujících uhlíková vlákna - dosahovaná životnost je však u nich kratší.
Rychlost není hlavním kritériem
Stanovení nejvhodnějšího řešení lze provést pomocí jednoduchého ekonomického výpočtu. Rychlost úběru materiálu je sice důležitá, ale často není hlavním kritériem. V případě obrábění kompozitů má na produktivitu daleko větší vliv kvalita obráběné díry, spolu s dostatečnou životností a přijatelnými náklady na nástroje. Například, pokud se podaří dosáhnout požadované kvality obrobené plochy pouze na jedinou operaci, mohou být vyloučeny sekundární operace, prodloužení životnosti nástrojů zase umožňuje zkrácení celkové doby prostojů.
Jedním z neodmyslitelných kroků na cestě k úspěchu v dynamicky se vyvíjejícím světě kompozitů je použití obráběcích nástrojů předurčených pro daný typ materiálu. Nicméně pro dosažení konkurenceschopnosti je rozhodující znalost vhodných parametrů pro prováděnou operaci a zajištění jejich správného nastavení.
Dana Benešová
Sandvik Coromant
dana.benesova@mmspektrum.com
www.sandvik.coromant.com/cz