Obrábění

01. září 2015 00:39

Produktivní nástroje pro letecký průmysl a kosmonautiku

V leteckém a kosmonautickém průmyslu jsou aplikovány kvůli snižování hmotnosti a zvýšení efektivnosti provozu stále více materiály jako CFK, titan a slitiny hliníku a také zvláštní legované slitiny například Inconel nebo Waspalloy. Ve velké míře se zde používají sendvičové materiály, jež jsou skládány z těchto materiálů v různých vrstvách a kombinacích.

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.

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 požadavku zákazníka jsou definovány vstupní parametry,
  • využití speciální „Aircraft-databáze“. Tato databáze obsahuje jednak všechny parametry nových nástrojů v tomto oboru vyrobených, také však veškerá aplikační data od našich zákazníků získaná celou sítí našich špičkových zkušených inženýrů, kteří pracují přímo v terénu co nejblíže řezným procesům,
  • návrh a simulace řezné geometrie,
  • výroba nástroje,
  • testování nástroje v reálných podmínkách na zkušebně,
  • vyhodnocení výsledků, případná optimalizace,
  • nasazení nástroje u zákazníka pod dohledem našeho aplikačního specialisty, provedení optimalizace řezných parametrů s cílem dosáhnout maximální procesní stabilitu.

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

Nejen při výrobě a montáži letadel Airbus A380, ale také i pro kosmické programy se používají speciální nástroje Gühring

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.

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 pájené nástroje již nejsou třeba.

Ukázka nástrojů speciálně vyvinutých pro letectví a kosmonautiku

Pro výrobu a montáž v letectví a kosmonautice je zapotřebí mnoho druhů nástrojů s různými řeznými materiály. Uvedení všech druhů a možností aplikací přesahuje možnosti toho článku. Zde se zaměříme na jednu velkou skupinu – obrábění 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. Nejčastějším typem poškození je delaminace, která je spojena hlavně s vrtáním. K delaminaci dochází už při vstupu – odlupování povrchové vrstvy kompozitu, také při výstupu vrtáku z materiálu – odlupování neobrobené vrstvy pod nástrojem v kombinaci s vytahováním neodřezaných vláken ven z otvoru.

Obrázek ukazuje tepelné ovlivnění kvality obrobeného povrchu CFK, kdy během obrábění došlo k vyplavení pryskyřice z vláken (levá část obrázku) a následnému vydření povrchu (v pravé části), zvětšeno 1000×

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.

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
Sendvičový materiál o celkové tloušťce 21 mm:
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

Obrázky ukazují rozdíl mezi třískami od standardního vrtáku (vpravo) a vrtáku se speciální geometrií a lamačem třísek (Chippbreaker)

Frézování CFK

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.

Pro hospodárné a výkonné obrábění CFK byly vyvinuty a zkonstruovány high-tech frézy v rámci programu CR100. Jejich důmyslná konstrukce především zabraňuje delaminacím, vydírání a tepelným poškozením. Tyto přednosti jsou obzvlášť výrazné při obrábění CFK materiálů s menším podílem pryskyřice a při jednosměrném uspořádání vláken. Vlákna jsou velice lehce a snadno čistě odřezána, nedochází k nežádoucím otřepům. Tyto frézy mají zcela novou geometrii a v kombinaci s deponovanou diamantovou tenkou vrstvou zaručují spolehlivé obrábění těchto materiálů s klidným během při vysokých řezných parametrech bez delaminací. Frézy jsou v provedení jako stopkové bez čelního výbrusu, s čelním břitem přes střed a také s vybroušenou vrtací špičkou. K dispozici je i provedení s protisměrným výstupem chladicích kanálů tlakového vzduchu, kde toto uspořádání slouží k razantnímu vyfoukávání CFK prachu z místa řezu.

Obrázky ukazují rozdíl mezi dřívější dvoubřitou frézou s břity ze slinutého karbidu a monolitními frézami z programu CR100 pro opracování materiálů CFK

Příklad aplikace frézování CFK

Obrobek: držák
Nástroj: fréza z programu CR100 o průměru 8 mm
Aplikace: drážkování, hrubování a stranové frézování při jednom řezu (one-pass)
Chlazení tlakovým vzduchem – vnější
n = 5 000 ot.min-1
vf = 3 600 mm.min-1
Běžně dosahovaná trvanlivost činí 35 m.

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.

Dr. Ing. František Plánička, www.guehring.cz

Mohlo by se Vám líbit

MCAE Systems představuje řadu cenově dostupných a vysoce výkonných 3D tiskáren kovů Xact Metal střední velikosti XM300G

Společnost MCAE Systems oznamuje, že její partner, společnost Xact Metal uvedla cenově dostupné, středně velké kovové 3D tiskárny XM300G na IMTS 2022 v Chicagu, Illinois […]

Nový 2FGP20 – Sada uchopovačů pro KLT boxy

2FGP20 – Sada uchopovačů pro KLT boxy 2FGP20 – Sada uchopovačů pro KLT boxy S potěšením oznamujeme, že společnost OnRobot představila novou sadu uchopovačů pro […]

Mezinárodní strojírenský veletrh ukáže cestu k chytrému a efektivnímu průmyslu

Inovativní technologické novinky, téma energetické efektivity i digitální řešení pro průmysl budoucnosti. To vše nabídne již 63. Mezinárodní strojírenský veletrh, který se uskuteční od 4. […]