Frézování a vrtání houževnatých materiálů

Současný cíl dosáhnout co nejniží hmotnosti letadel je v leteckém průmyslu hnacím motorem pro intenzivnějí využívání pokročilých exotických materiálů, jako jsou kompozitní materiály, titan a Inconel. Tyto materiály jsou sice lehčí, nicméně pevnějí než obvykle využívané materiály, a každý z nich proto
z hlediska obrábění, konkrétněji frézování a vrtání, představuje specifické výzvy.Pro frézovací a vrtací operace používají výrobci z leteckého průmyslu často nástroje
z monolitního karbidu nebo z monolitní rychlořezné oceli, přičemž musejí dosahovat těch nejvyích možných úrovní kvality. To je často zajitěno díky pečlivě sledované a udržované bezpečnosti procesu. Předmětem zájmu jsou i náklady na výrobu jednotlivých součástí, ale ve větině případů je prioritou výroba dokonalých dílů, zvýení produktivity bývá považováno za druhotný problém.

Výrobci z leteckého průmyslu se snaží zajistit bezpečnost a konzistenci procesů prostřednictvím předvídatelného výkonu obráběcích strojů a nástrojů. V případě nástrojů musí mít výrobci frézy a vrtáky, které poskytují prakticky stejnou životnost, nástroj od nástroje. A dokonce i když přesně vědí, jak dlouho nástroj vydrží, plánují výrobci z leteckého průmyslu výměnu nástrojů v obráběcích strojích dlouho před tím, než dojde k jejich úplnému opotřebení.

Díky technologiím používaným při výrobě obráběcích zařízení a nástrojů pokročily materiály, jako jsou kompozity, titan a Inconel, z téměř neobrobitelného stavu do současného stavu, kdy je tito výrobci obrábějí s jistotou a vysokou efektivitou. Jednou z obráběcích technologií, která umožňuje lepí řízení a konzistenci procesů, jsou pokročilé specializované monolitní frézy a vrtáky. Tyto nástroje byly vyvinuty speciálně pro překonávání nároků vznikajících při obrábění těchto materiálů. Zahrnutím různých inovativních povrchových úprav a geometrií, používaných spolu s pokročilými obráběcími technikami a strategiemi, tyto specializované nástroje nejen že zajiťují bezpečnost procesů, ale také zvyují rychlost a výkon výroby.

Frézování
Kompozitní materiály. Trh pro obrábění uhlíkových kompozitů (CFRP) v leteckém průmyslu prudce roste. Tyto materiály se vak řadí k těm obtížně obrobitelným, protože jsou pro frézovací nástroje příli abrazivní a houževnaté. Navíc je nutné při obrábění zamezit delaminaci (oddělování jednotlivých vrstev uhlíkových vláken). Tyto překážky lze překonat pomocí tvrdých, ostrých fréz z monolitního karbidu se speciálním povlakováním.

Mezi dva nejčastěji používané způsoby povlakování patří fyzikální (PVD) a chemické (CVD), využívá se ale také povlakování pokročilým materiálem polykrystalického diamantu (PCD). PVD povlak vyžaduje fyzikální proces a zahrnuje povlakování nitridem hliníku, nitridem chrómu a nitridem titanu, s tvrdostí přibližně 3000 podle Vickerse. Diamantové povlaky, které jsou nanáeny procesem CVD, jsou přibližně třikrát tvrdí, dosahují tvrdosti 10 000 podle Vickerse. Mezi nástroje povlakované polykrystalickým diamantem patří i monolitní PCD destičky, které jsou připájeny na stopky nástrojů z monolitního karbidu.

Co se týče geometrie nástroje, efektivní řezné nástroje pro kompozitní materiály mají nízké úhly stoupání roubovice zajiťující snížení axiálních sil na lamelární vrstvy materiálu, a tudíž nedochází k jejich delaminaci. Frézy s levostrannou i pravostrannou roubovicí jsou také považovány za velmi efektivní geometrii pro obrábění kompozitních materiálů. Tyto typy řezných nástrojů, často známé jako kombinované frézy, směřují a stlačují řezné síly směrem do středu tlouťky obrobků (v případě stranového frézování), aby lamelární vrstvy zůstaly neporuené. Tyto typy geometrií také navíc umožňují mnohem volnějí obrábění kompozitních materiálů.

Přestože některé kombinované řezné nástroje jsou zcela běžné, některé společnosti vyrábějící řezné nástroje, mezi něž patří Seco, vyvinuly kombinované obráběcí nástroje s novými typy geometrií, jako např. s dvojitou roubovicí. Společnost Seco vyvinula dvě takové obrysové frézy s dvojitou roubovicí. Jedna disponuje více břity a hladkými řeznými hranami. Druhá má méně břitů, čímž umožňuje snazí uvolňování třísek, a na řezných hranách má utvařeče třísek. Druhá fréza je určena spíe pro hrubovací operace, zatímco první verze s více břity a bez utvařečů třísek nabízí ideální výkon pro dokončovací operace.

Co se týká obráběcích technik, řezné parametry pro kompozitní materiály jsou často závislé na různorodosti samotných materiálů. Typické rychlosti pro řezné nástroje z monolitního karbidu při obrábění kompozitních materiálů jsou přibližně 150 m/min., a rychlosti posuvu jsou okolo 0,07 mm. Je vak třeba vzít na vědomí, že v této skupině materiálů existuje spousta různých typů použitého pojiva, kdy každé z nich vyžaduje specifické rychlosti a posuvy. Tím, co určuje rychlosti a posuvy při obrábění kompozitních materiálů, jsou často body tání těchto pojiv. Významný vliv na obráběcí proces má také obsah a orientace vláken, což určuje řezné rychlosti a posuvy i optimální dráhu nástroje.

Titanové slitiny. V leteckém průmyslu jsou titanové slitiny často používány pro tři hlavní účely: konstrukční díly letadel, součásti pro studené sekce tryskových motorů a podvozkové systémy. Jedna z běžně využívaných slitin titanu je beta titanová slitina 5553, obvykle používaná pro součásti podvozků. TiAl6-4 je alfa-beta titanová slitina, která je jednou z nejběžnějích typů titanu a používá se převážně pro konstrukční díly.

Faktory, kvůli kterým jsou titanové slitiny tak náročné pro obrábění, a které přispívají k jejich nízké obrobitelnosti, jsou jejich tepelná vodivost, vysoká přilnavost a deformační zpevnění. Titanové slitiny mají nízkou tepelnou vodivost, což znamená, že při obrábění se teplo generované procesem přenáí na řezný nástroj, místo toho, aby bylo třískami odváděno pryč
z řezné zóny.

Vysoká přilnavost titanu představuje ten problém, že třísky mají tendenci lepit se na řezné nástroje. Tím dochází k tvorbě velmi dlouhých třísek, místo toho, aby se vytvářely mnohem přijatelnějí třísky krátké, které lze snadno odstraňovat. Deformační zpevnění, ke kterému při obrábění dochází, způsobuje ztvrdnutí tenké vrstvy materiálu v důsledku tlaku generovaného při obráběcím procesu.

Titan lze sice obrábět univerzálními řeznými nástroji z monolitního karbidu, vynikajících výsledků lze vak téměř vždy dosáhnout řeznými nástroji navrženými speciálně pro charakteristiky obrobitelnosti titanu. Tyto speciální řezné nástroje poskytují vysoké úrovně výkonu, mohou ale být méně univerzální v případě, kdy je potřeba je použít na jiné materiály.

Například společnost Seco má ve svém programu řezný nástroj z rychlořezné oceli (HSS), který je navržen pro titan i nerezovou ocel. Řezné nástroje, které jsou součástí řady Jabro® HPM (vysoce výkonné obrábění) jsou speciálně navrženy pro určité materiály, jako je titan. Tyto řezné nástroje mají speciální geometrie a konstrukční kvality optimalizované pro titan.

Mezi tyto geometrie a konstrukční kvality patří vysoké úhly stoupání roubovice mezi 40 a 50 stupni, kanály pro chladicí kapalinu procházející nástrojem, zamezující lepení třísek na břity řezného nástroje a umožňující rychlý odvod třísek a ochlazení řezné zóny; nestejnoměrné rozteče zubů pro snížení vibrací při velkých hloubkách obrábění a kombinace karbidu
s povlakováním nitridem hliníku a chrómu. Nepoužívá se žádný nitrid titanu, čímž je zabráněno chemické reakci mezi řezným nástrojem a materiálem.

Existují určité faktory určující, kdy se má použít nástroj z monolitního karbidu a kdy nástroj
z rychlořezné oceli, hlavním faktorem je vak průměr řezného nástroje. Nástroje z monolitního karbidu by měly být používány tehdy, když aplikace vyžaduje řezné nástroje s meními průměry, když jsou geometrie obrobku extrémně komplexní nebo pokud je cílem velmi hluboký řez (ap).

Řezné nástroje z rychlořezné oceli se doporučují pro méně komplexní obrobky v aplikacích
s vysokým úběrem a kde jsou cílem velké ířky řezu (ae) a velké hloubky řezu ap. Tyto nástroje lze také použít v aplikacích na starích konvenčních obráběcích strojích s vysokým krouticím momentem a výkonem.

Inconel. Jak je u výroby pro letecký průmysl typické, součásti z Inconelu bývají velmi drahé, a to nejenom z pohledu ceny samotného materiálu, ale i z pohledu času investovaného do jejich výroby, a to jetě před fází obrábění. K obrovským ztrátám dochází při zmetkování dílů, na kterých po dobu hodin nebo dokonce i dnů probíhaly obráběcí operace.

Inconel a titan jsou si v určitých ohledech podobné. Ovem ve smyslu obrobitelnosti jsou Inconely (superslitiny na bázi niklu) tím nejnáročnějím materiálem pro obrábění. Mají velmi nízkou tepelnou vodivost a velmi vysokou úroveň deformačního zpevnění - dokonce i vyí než titan. Inconel má také vysokou přilnavost, takže řezné rychlosti při konvenčních obráběcích metodách málokdy překročí hodnotu 25 nebo 30 m/min.

Geometrie řezných nástrojů pro obrábění Inconelu se od geometrií používaných pro titan zásadně lií. Geometrie pro Inconel mají úhlové podbrouení s velmi strmými úhly. Taková geometrie snižuje kontakt mezi řezným nástrojem a materiálem na nejniží možnou míru. To je nezbytně nutné, protože Inconel je pružný a má vysokou tvarovou paměť, což znamená, že pokud je vystaven namáhání, mírně se «poddá». Čím delí je tedy doba kontaktu mezi břitem řezného nástroje a materiálem, tím větí je abrazivní opotřebení nástroje a jeho životnost se zkracuje. Aby se jetě více snížilo tření mezi řezným nástrojem a Inconelem, využívá společnost Seco povlakování z nitridu hliníku a titanu, které je vyletěno do extrémně hladké a jemné povrchové úpravy.

Čtyři obráběcí strategie pro titan a Inconel
Pro obrábění titanu a Inconelu existují v zásadě čtyři obráběcí techniky. Tou první je konvenční obrábění, které vyžaduje rovnováhu mezi radiální ae a axiální ap ířkou řezu v poměru 1:1. To znamená, že obrábění je prováděno plnou ířkou řezného nástroje (1*Dc), v určité hloubce řezu až do jednonásobku průměru řezného nástroje a s průměrnými rychlostmi posuvu.

Druhou strategií je vysoce výkonné obrábění, které vyžaduje řezné nástroje navržené speciálně pro titan a Inconel, jako jsou nástroje společnosti Seco z řady HPM. Tyto řezné nástroje jsou používány s velkou hloubkou řezu ap (až 1,5*Dc) a s plnou ířkou řezu ae. Pro dosažení vyí produktivity je tak v krátkém čase dosaženo velkého úběru materiálu.

Třetí strategií je obrábění s vysokým posuvem, které využívá velmi malé hloubky řezu ap a plné ířky řezu ae, takže ířka řezu je 1*Dc. Specifické geometrie řezných nástrojů používaných pro tuto strategii směřují řezné síly do vřetene obráběcího stroje, a proto je tato strategie obzvlátě užitečná v nestabilních obráběcích podmínkách, kde je velké vyložení obráběcího nástroje, a také v komplexních aplikacích, jako je obrábění kapes s hloubkou 5*Dc a větí.

Čtvrtou obráběcí strategií je vysokorychlostní obrábění, které využívá poměrně nízké ířky řezu ae a velmi vysoké hloubky řezu ap. Protože je radiální hloubka řezu (ířka řezu) relativně malá, je zde malá kontaktní plocha, která díky kratímu času záběru pomáhá snižovat teplotu
v řezných zónách, a umožňuje tak vyí řezné rychlosti pro vyrovnání a nárůst produktivity.

Tyto strategie jsou umožněny díky pokrokům u obráběcích strojů i řezných nástrojů. Například geometrie řezných nástrojů společnosti Seco z řady HPM mají speciální funkce, jako jsou nerovnoměrné rozteče zubů a zakřivené úhly stoupání roubovice, což poskytuje nezbytnou stabilitu pro vysoce výkonné obráběcí strategie. V případě obrábění vysokými posuvy a rychlostmi jsou tyto strategie více závislé na schopnostech obráběcího stroje a na geometriích řezného nástroje.

Ve větině případů spolu stroje a řezné nástroje vzájemně spolupracují jako jeden celek, čímž je možné vyhovět vysokým nárokům výrobců pro letecký průmysl kladeným na obrábění specifických materiálů. Proto jsou správné obráběcí stroje i řezné nástroje tak důležité. To platí hlavně u obrábění vysokým posuvem a vysokými rychlostmi, což vyžaduje nejenom obráběcí stroj s možností rychlého posuvu, ale také CNC řízení, které dokáže zpracovat větí programy, a NC soubory s frézovacími operacemi využívajícími vysoké posuvy a rychlosti.

Vrtání
Kompozitní materiály. U aplikací pro letecký průmysl musí být otvory vrtané do kompozitních materiálů dokonale čisté a bez potrhaných nebo roztřepených vláken, které by mohly být při následných montážních operacích problémem.

Mezi nejčastějí problémy při obrábění kompozitních materiálů patří delaminace a neodříznutá vlákna, hlavně na zadní straně obrobku nebo na straně výstupu vrtáku. Při vrtání tlačí nástroj směrem dolů na materiál a, jak se vrták blíží výstupní straně, nadměrná síla může způsobit protlačení vrtáku (namísto proříznutí) skrz obráběný otvor. Výsledkem jsou vlákna kompozitu, která jsou namísto čistého řezu potrhaná a roztřepená, což způsobuje delaminaci materiálu.

Pro vyřeení těchto problémů se výrobci nástrojů snaží snížit síly vyvíjené při posuvu vrtáku na materiál prostřednictvím využívání různých úhlů pičky a úhlů stoupání roubovice na vrtácích. Je třeba mít na paměti, že některé geometrie vrtáků generují mení síly při posuvu a podávají vyí výkon než ostatní.

Například 140stupňový úhel pičky - nejběžnějí u vrtáků z monolitního karbidu - bude u několika otvorů při vrtání kompozitních materiálů fungovat dobře. Bohužel, jakmile se nástroj ztupí, ztratí svoji účinnost. S vrtákem C1 z monolitního karbidu a s diamantovým povlakem, určeným pro kompozitní materiály, přináí společnost Seco geometrii se dvěma úhly pičky - 130stupňový úhel pičky a 60stupňový úhel na obvodu vrtáku. Při vrtání vyjde na konci otvoru jako první středicí hrot vrtáku a vyřízne z otvoru část materiálu. Takže při výstupu 60stupňové části jsou síly posuvu vrtáku výrazně sníženy. Dochází tak k mení delaminaci a k menímu (nebo žádnému) výskytu neodříznutých vláken.

K dvoubřitým vrtákům s diamantovým povlakem společnost Seco navíc vyvinula jedinečnou trojbřitou geometrii vrtáku s hrotem z polykrystalického diamantu pro kompozitní materiály. Při použití stejných řezných podmínek jako u standardních vrtáků pro kompozitní materiály tato nová geometrie vrtáku s hrotem z polykrystalického diamantu poskytuje mnohem lepí výsledky, protože na rozdíl od dvou břitů zabírají břity tři. Tyto vrtáky mají ostřejí řezné hrany a generují mení sílu posuvu na otáčku, obzvlátě při výstupu z otvoru. S hrotem
z polykrystalického diamantu může tento vrták navíc v mnoha případech nabídnout až čtyřnásobnou životnost.

Titan. V leteckém průmyslu je větina otvorů malá. U průměrů meních než 1 mm avak až do průměru 20 mm jsou pro vrtání titanu a Inconelu ve velké míře využívány vrtáky z monolitního karbidu.

Stejně jako při frézování titanu má teplo vznikající při vrtání také sklon přecházet do nástroje místo toho, aby bylo odváděno spolu s třískami. Pro boj s tímto fenoménem mají geometrie vrtáků typicky velmi ostré řezné hrany. Vrtáky pro titan jsou běžně nepovlakované právě
z důvodu požadavku extrémně ostrých řezných hran. Povlakování také navíc v určité míře může zvýit tření, což následně přispívá ke tvorbě tepla. Dalí důležitou věcí je smrtění materiálu po obrábění. Z toho důvodu je na tělese vrtáku důležitý větí zadní kužel.

Inconel. Protože Inconel je velmi abrazivní a při obrábění tvrdne, jsou účinné geometrie vrtáku pro tento materiál v podstatě stejné jako pro titan. Pro zvýenou odolnost proti opotřebení a snížení tření je vak přidáno povlakování. Společnost Seco například k ochraně vrtáků pro vrtání Inconelu a k prodloužení jejich životnosti využívá povlakování z nitridu titanu a hliníku.

Při vrtání Inconelu jsou využívány niží rychlosti a posuvy hlavně proto, že materiál je tvrdí a obtížněji se obrábí. Obrobitelnost materiálu je stejně důležitým faktorem při vrtání Inconelu jako při jeho frézování. Pro aplikace v leteckém průmyslu jsou hloubky otvorů v součástech
z Inconelu typicky pouze 3 x D.

Při zvyování bezpečnosti a produktivity vrtání v leteckém průmyslu hraje důležitou roli právě povlakování. Společnosti zabývající se výrobou nástrojů, jako například Seco, se také neustále snaží dosáhnout lepí úpravy řezných hran vrtáků a zdokonalit jejich zpracování. Díky účinným variacím povlakování, jako je nitrid titanu a hliníku, a zdokonalením úpravy řezných hran, byla společnost Seco schopná vyvinout vrtáky, které v podstatě umožňují zdvojnásobení rychlostí a posuvů při vrtání.

V budoucnosti bude u existujících geometrií provedeno více změn, které dále zlepí výkon vrtání. Spousta těchto drobných změn bude realizována pouze se současnými pokročilými technologiemi obráběcích strojů. Výrobci z leteckého průmyslu, kteří obrábí miliony otvorů, se již soustřeďují právě na takové specializované vrtáky.

Závěr
Aby bylo možné účinně obrábět současné náročné materiály pro letecký průmysl, je důležité zajistit komplexní obráběcí řeení, a ne pouze produkt. Komplexní řeení řezného nástroje zahrnuje nejen nezbytnou geometrii a konstrukci, ale také odbornou podporu pro danou aplikaci - jedině znalosti a zkuenosti lidí v kombinaci s pokročilým produktem mohou vést
k vytvoření komplexního řeení a dosažení ideálních výsledků.

Kvalita dílů a bezpečnost procesů vyžadují ty nejlepí nástroje navržené pro konkrétní aplikaci, ať už se jedná o kompozitní materiály, titan nebo Inconel. Takové nástroje ale musí dodat dodavatel, který je schopen a ochoten poskytovat podporu ohledně řádného způsobu jejich používání, aby bylo dosaženo optimálních výkonů. Klíčem k získání větiny výhod ze současných pokročilých nástrojů navržených pro houževnaté materiály používané v leteckém průmyslu je vzdělávání a kolení.

Autoři:
Teun Van Asten, Engineer Marketing Services, Seco Tools
Wilco van den Boogaard, Application Engineer Solid Milling, Seco Tools
Pär Nordberg, R&D and Project Engineer, Seco Tools