Nástroje pro obrábění kompozitních materiálů

Další rozšíření nabízených výhod

Pomalu, ale jistě roste počet strojírenských součástí, u kterých se uplatňují výhody kompozitních materiálů. Nakonec, jednou z předností kompozitních materiálů ve srovnání s ocelí nebo hliníkovými a titanovými slitinami, je jejich hmotnost. Právě to je činí nesmírně zajímavými pro konstruktéry v oborech, jako jsou motoristický sport, stavba lodí, větrná energetika, výroba vybavení pro volný čas a dokonce i automobilový průmysl.

Ano, i absolutní špička v oblasti velkosériové výroby se již zabývá kompozitními materiály s cílem zjistit, jaké výhody by mohly přinést. Jeden z příkladů mohli vidět návštěvníci veletrhu Composites Europe, který probíhal minulý rok v říjnu ve Stuttgartu, kde Ford vystavoval prototyp uhlíkovými vlákny vyztužené kompozitní střechy pro svůj model Focus. Nástup  kompozitních materiálů je současným trendem a jak se zdá, jejich dalšímu rozvoji už nic nestojí v cestě.

Pohled na oblohu

Přesto i v roce 2013, zůstává dominantní oblastí, kde obrábění kompozitů nachází své uplatnění, letecký průmysl. Potenciál pro uplatnění kompozitů je v tomto odvětví skutečně velký a rozsah jejich použití se může v následujících čtyřech letech zvýšit o dalších 50%. Např. vrtání a frézování součástí tvořících nosné plochy křídel, středního dílu křídla (centroplánu) nebo svislých ocasních ploch, zůstává pro výrobní inženýry i dodavatele výrobních technologií náročnou výzvou.

Tyto díly jsou zpravidla zhotoveny z CFRP kompozitů (vyztužených uhlíkovými vlákny), nebo vrstevnatých kompozitů tvořených CFRP a tenkými hliníkovými nebo titanovými vrstvami (fóliemi), nebo s využitím obou těchto typů kompozitů. Situaci ještě více komplikuje množství různých typů strojů využívaných pro zpracování těchto materiálů. Zhruba 40% všech aplikací se provádí s využitím zařízení se strojním posuvem nebo automatických vrtacích jednotek (ADU), 35% pak pomocí ručních nebo přenosných zařízení a 25% úloh se provádí na CNC strojích nebo s využitím robotů.

Mnohokrát potvrzeným faktem proto zůstává, že pro každou operaci je nezbytné provést pečlivou volbu nástrojů, kdy je nutné zohlednit jak obráběný materiál, tak i obráběcí stroj, ale také další hlediska, jako např. požadovanou kvalitu nebo objem výroby.

Osvědčené spojení

Díky zavedené spolupráci s firmou Precorp, specializovaným výrobcem s dlouhou tradicí v oblasti obrábění kompozitních materiálů, má společnost Sandvik Coromant ve své stávající nabídce celou řadu různých nástrojových řešení, využívaných prakticky všemi současnými leteckými výrobci.

Tak například pro ruční vrtání CFRP kompozitů, používaných pro konstrukční prvky draků letadel, jsou k dispozici nepovlakované karbidové nástroje s geometriemi jako je 452.1, naproti tomu pro vrtání vrstevnatých kompozitů tvořených CFRP v kombinaci s titanem, jsou při použití zařízení se strojním posuvem nebo CNC obráběcích strojů přednostní volbou vrtáky řady CD10, využívající technologii armování PCD. Z pohledu frézování pak k osvědčeným, v současnosti používaným řešením patří koncepce CoroMill 590 pro rovinné frézování, frézy CoroMill Plura S215 pro frézování rovinných ploch a hran nebo obrysů a frézy CoroMill 390, která umožňuje použití metody Sturtz milling, velmi rychlé strategie obrábění, která vyžaduje mírné sklonění frézy vůči povrchu obrobku, nutné pro vytvoření eliptické dráhy nástroje.

Prakticky vyzkoušeno a prověřeno

Společnost Sandvik Coromant má k dispozici celou řadu konkrétních příkladů obrábění leteckých součástí, které dokládají a zvýrazňují potenciální výhody, které může nabídnout. Jako příklad může posloužit vrtání děr v nosné skříni křídla, vyrobené z vrsevnatého kompozitu typu uhlíkové vlákno/titan. Pro výrobu tohoto druhu součástí, kde je požadováno omezení tvorby otřepů na výstupu z díry a dobrá kvalita obrobené plochy, je typické použití zařízení s pneumaticky poháněným strojním posuvem. Díky použití vrtáků Sandvik Coromant/Precorp CD10 s armovaným polykrystalickým diamantem s geometrií špičky 86PT,  bylo možné dosáhnout vynikající kvality díry a konzistence výroby, při životnosti nástroje 90 vyvrtaných děr (o průměru 9.525 mm, s řeznou rychlostí12 m/min a rychlostí posuvu 0.05 mm/ot).

Fréza CoroMill Plura S215 pro frézování rovinných ploch a hran nebo obrysů

A co třeba frézování hran svislých ocasních ploch s povrchem obsahujícím uhlíková vlákna? Vždyť v tomto případě je požadována dobrá kvalita obrobené plochy s hodnotou Ra do 1.25 μm a  minimální třepení okrajů díry. Nejvýkonnějším typem nástrojů pro tento typ aplikací jsou speciálně navržené frézy CoroMill Plura, buď v provedení jako monolitní karbidové frézy s diamantovým povlakem nebo jako frézy s pájenými PCD břity, které nejčastěji mají průměr zhruba 10 mm a dva břity. Použití tohoto typu nástrojů vyžaduje otáčky vřetena 10000 ot/min a rychlosti posuvu stolu přibližně 3200 mm/min.

Podobně také všichni letečtí výrobci , kteří provádějí rovinné frézování na uhlíkovými vlákny vyztužených součástech primárních konstrukcí křídel nebo nosných skříní křídel, již nemusí hledat jiná řešení, než frézu CoroMill 590 s PCD břitovými destičkami CD10. Ta umožňuje použití řezných rychlostí okolo 300 m/min.

Pozornost se zaměřuje na výzkum

Na vývoji řešení jako jsou tato, se po celém světě podílí řada výzkumných zařízení založených společností Sandvik Coromant. Vedle hlavního závodu společnosti ve Švédsku, se v Evropě může Aplikačním centrem pro kompozitní materiály (Composite Application Center) pochlubit také francouzské Orléans. Pro účinnou podporu zákazníků je zde k dispozici vybavení špičkové kvality, včetně pětiosých CNC obráběcích center, zařízení se strojním posuvem i ručních vrtaček, které pokrývá celý rozsah otáček. U zařízení se strojním posuvem a CNC obráběcích strojů lze také využít vrtací jednotky s řízeným kmitáním Mitis, které jsou schopné dělit třísky na malé kousky a touto cestou zcela nahradit dříve nezbytnou techniku přerušovaného vrtání. Výsledkem je významné zkrácení času cyklu.

Také ve Velké Británii má společnost Sandvik Coromant své vědecko-výzkumné zařízení, které je součástí Výzkumného centra pro moderní výrobu na University of Sheffield, a podílí se na mnoha nových objevech v oblasti obrábění kompozitních materiálů. V průběhu výzkumu jsou využívány metody jako jsou počítačová tomografie, monitorování teplot nebo zkoumání záznamů pořízených vysokorychlostní kamerou.

Kombinace různých úhlů stoupání šroubovice

Mezi nejnovějšími nástroji navrženými ve výzkumných a vývojových zařízeních společnosti Sandvik Coromant, jsou také nové stopkové frézy CoroMill® Plura, vytvářející oboustranný tlak na hranu kompozitního materiálu. Díky kombinaci pozitivního a negativního úhlu stoupání šroubovice stlačují tyto frézy horní a dolní okraj hrany kompozitního materiálu směrem k sobě. V důsledku toho se možnosti, že bude docházet k třepení, které je při obrábění CFRP i celé řady dalších typů konstrukčních kompozitů poměrně častým defektem, snižují na absolutní minimum.

Nové stopkové frézy vytvářející oboustranný tlak na hranu kompozitního materiálu, které jsou určené pro frézování hran obrobků s minimální tloušťkou stěny 6 mm, jsou opatřeny mikrogeometrii se šesti řeznými hranami, umožňující spolehlivé dosažení drsností povrchu (Ra) pod 4 µm a vysokých rychlostí úběru kovu. Doporučeno je použití konvenčních strategií nesousledného frézování, protože umožňují snížení vibrací. Dalším doporučením je udržovat dělící linii uprostřed hrany kompozitního materiálu.

Přesvědčivý výkon

Fréza CoroMill 390 pro frézování s mírně skloněným nástrojem (metoda Sturtz milling).

Nepochybně také nová stopková fréza Plura vytvářející oboustranný tlak na hranu kompozitního materiálu, stejně jako řada jiných pokrokových novinek před ní, dosáhne skvělých úspěchů. Ale pravděpodobně vůbec největší pokrok za posledních roky, znamenala pro oblast kompozitních materiálů technologie armování. Ta umožnila integraci diamantových břitů do těla monolitního karbidového nástroje a dosáhnout tak optimálního využití tvrdých, proti otěru odolných řezných hran v kombinaci s houževnatou stopkou nástroje. Výrobní postupy používané při armování PCD umožňují předpřipravit geometrii vhodnou pro danou aplikaci a obráběný materiál. PCD ve formě prášku (se stanovenou velikostí zrna) je podroben speciálnímu vysokotlakému a vysokoteplotnímu zpracování, které umožňuje vystředění armovaného materiálu v karbidovém nosiči.

Technologie armování umožnila provedení řady změn v konstrukci geometrií břitů, které byly v případě konvenčních postupů využívajících vsazených PCD břitů nevhodné, nebo dokonce nemožné. Technologie armování také přinesla změny v konstrukci nástrojů, díky kterým se vyrovnají prakticky se všemi podmínkami, od nestabilních nástrojových sestav až po stabilní aplikace ve velkosériové výrobě přesných děr.

Skutečně, budoucnost výrobních technologií pro oblast obrábění kompozitních materiálů se zdá být mimořádně slibná. Výzkum, na který se v současnosti zaměřuje společnost Sandvik Coromant, zahrnuje projekty zabývající se orbitálním vrtáním, řešící obrábění hran a obrysů (s malým úhlem stoupání šroubovice), věnující se simulaci obrábění vrstevnatých CFRP materiálů a pokračující ve studiu mechanismů opotřebení při obrábění kompozitů. Budou-li vybaveni potřebnými technologiemi, nebudou v budoucích letech pro letecké výrobce i ostatní firmy zabývající se obráběním kompozitních materiálů existovat prakticky žádná omezení v tom, co mohou dokázat.

www.sandvik.coromant.com