Letecké materiály a díly pro letecký průmysl z hlediska obrábění

S rostoucím počtem letadel se začaly projevovat únavové procesy a letadla začala být považována za dynamicky a únavově namáhané konstrukce. To vedlo k dalšímu posunu ve vývoji nových materiálů, nastupují slitiny titanu, niklu a kobaltu, a kolem roku 1980 se objevují kompozitové materiály.
Podíl jednotlivých materiálů na celkové hmotnosti letadla se liší podle účelu stroje (civilní nebo vojenské letadlo, helikoptéra), podle jednotlivých výrobců a velké rozdíly jsou i mezi jednotlivými typy letadel od jednoho výrobce. V zásadě jsou rozhodující tyto skupiny materiálů: kompozity, slitiny na bázi hliníku, slitiny titanu, slitiny niklu nebo slitiny železa (tzn. různé typy ocelí).

Z hlediska obrábění se jednotlivé skupiny materiálů velmi liší, a také mezi podobnými druhy jsou značné rozdíly (např. Inconel). Obrábění leteckých materiálů bývá často spojeno s komplikacemi při obrábění, které mívají negativní vliv na rychlost obrábění, trvanlivost nástrojů nebo kvalitu obrobené plochy. K tomu často přistupují speciální požadavky konstruktérů, které nejsou u standardní strojírenské produkce obvyklé. V textu se budeme zabývat příklady nástrojů z prodejního sortimentu firmy HOFMEISTER, které se při obrábění leteckých materiálů nebo dílů pro letecký průmysl osvědčily.

Při obrábění kompozitových materiálů je potřeba řešit i problémy dané zcela odlišnou strukturou materiálu ve srovnání s izotropními kovovými materiály. Špičkové nástroje pro tuto oblast vyrábí japonská firma OSG. Jejich frézy a vrtáky jsou povlakované diamantem vlastní patentovanou technologií. Výsledkem je extrémně tenká vrstva povlaku, a tím zaručené ostří s minimálním poloměrem zaoblení. Síla vrstvy se pohybuje na úrovni 0,001 mm, to je výrazně méně než u konkurenčních nástrojů. K tomu přistupuje patentovaný tvar přerušování ostří a drážek, takže výsledkem je eliminace nedořezaných vláken a delaminace. Síly vznikající při obrábění jsou velmi malé, což přispívá k výraznému zvýšení trvanlivosti nástroje (až 4krát vůči konkurenci). Právě tyto vlastnosti má jemnozubá fréza DIA-BNC. Je určena pro zavrtávání i plošné ořezávání v tenkých i silných materiálech.

Fréza DIA-HBC má speciální tzv. stromečkové stoupání. Při obrábění vzniká efekt koncentrovaného řezání, který brání delaminaci na horní i spodní hraně obrobku. Je to ideální nástroj pro obrábění uhlíkových a sklem plněných kompozitů a voštin. Je určený pro hrubování i dokončování vysokým posuvem pro tenkostěnné materiály.

U procesu vrtání kompozitových materiálů je potřeba omezit delaminaci na vstupní i výstupní hraně díry. To řeší několik typů vrtáků od firmy OSG, např. vrták D-STAD s trojitým úhlem a přímou drážkou pro otvory bez zahloubení. Pokud má otvor na vstupní straně zahloubení, lze použít vrták D-DAD, zejména pro vrstvené materiály.

Po vrtání kompozitových materiálů se často objeví problém úpravy zpětné hrany. Konstruktér požaduje, aby hrana byla sražená a definuje velikost sražení. Díky rozměrové nepřesnosti obrobku je použití standardních nástrojů (např. srážečů pro kruhovou interpolaci) nevhodné. To řeší švýcarská firma HEULE speciálním nástrojem na sražení hran, kdy v držáku je upevněný vyměnitelný tvrdokovový nůž. Hrana se začne srážet až v okamžiku, kdy se nůž dostane do styku s obrobkem, a bude vždy stejná. Pro kompozitové materiály mají nože unikátní geometrii a speciální povlak.

Další skupinu leteckých materiálů tvoří slitiny na bázi hliníku, případně hořčíku. Pro obrábění takových materiálů se s úspěchem používají nástroje PKD, kdy na nosiči z tvrdokovu jsou pájené břity z polykrystalického diamantu. Mezi renomované výrobce takových nástrojů patří německá firma UC-Tools. Kromě vlastní výroby nových nástrojů zajistí i renovaci nástrojů po opotřebení, a to v přijatelném termínu. Nástroje PKD přinášejí vysokou produktivitu (při velkých řezných rychlostech je objem odebraného materiálu výrazně vyšší ve srovnání s nástroji z tvrdokovu) a vysokou procesní spolehlivost. Při jejich použití lze dosáhnout lepší kvalitu obrobené plochy a řešit vysoké požadavky na přesnost obrobku (souosost otvorů apod.). Díky možnosti renovace klesají náklady na nákup nástrojů.

Mezi nástroje, které řeší obrábění nerezových ocelí, žáruvzdorných materiálů a slitin niklu soustružením, patří výrobky německé firmy Kemmer Hartmetalwerkzeuge. Firma se specializuje pouze na upichování a zapichování. Díky speciálně vyvinutým geometriím utvařečů, novým povlakům a nově navržené podobě uložení břitové destičky v lůžku, lze dosáhnout velmi dobrých výsledků i při obrábění „nepříjemných“ leteckých materiálů. Za zmínku určitě stojí systém FlexFix s jednobřitou destičkou s povlakem HYPERSPEED. Díky modifikaci tvaru lůžka byly odstraněny typické problémy systémů jednobřitých upichovacích destiček (ztráta osy obrobku, vibrace, opakovaná přesnost polohy po výměně destičky). V kombinaci s novým povlakem je tedy k dispozici řešení pro obtížně obrobitelné letecké materiály.

Při frézování leteckých druhů nerezových ocelí, např. jakosti 15-5PH, se osvědčily speciální tvrdokovové frézy firmy HOFMEISTER. Ocel 15-5PH je martenzitická ocel s vysokou pevností, dobrou tažností a vynikající odolností proti korozi. Ve složení oceli se vyskytují cca 3 % mědi. Z hlediska obrobitelnosti jde o problematický materiál, proto je nutné výrazně redukovat řezné rychlosti. Výrobce fréz vyvinul speciální geometrii, která v porovnání s konkurencí přináší velmi dobrý výkon a vysokou trvanlivost ostří.

Mezi typické díly pro letecký průmysl patří díly motoru z Inconelu. Problematickým místem často bývá zpětné zahloubení otvorů, protože ty jsou ze zadní strany velmi těžko přístupné, v mnoha případech zcela nepřístupné. Používají se pak různé systémy nástrčných záhlubníků, většinou z rychlořezné oceli. Řešením mohou být opět nástroje švýcarské firmy HEULE. Jedná se o provedení, kdy zpětné zahloubení je obrobeno v automatickém cyklu bez nutnosti zásahu obsluhy. Nástroj BSF vyniká tím, že možný průměr zahloubení je až 2,3krát větší než průměr otvoru. Nástroj SOLO dokáže řešit velmi náročné aplikace, např. hluboké otvory nebo přerušovaný řez ze zadní strany.

Stanislav Škabraha, Hofmeister