Obrábění kompozitních materiálů
Letecký průmysl využívá kompozitní materiály v mnoha aplikacích. K nejčastějším patří kompozity používající uhlíková vlákna a pryskyřice (CFRP - Carbon-Fiber Reinforced Polymer), které nabízejí atraktivní vlastnosti, jako je poměr hmotnosti k síle a vysoká odolnost.
Tyto materiály jsou ale pro každou konstrukci jedinečné a stejně tak klade jejich struktura značné nároky i na obrábění, pro které je nutno používat speciální nástroje.
Společnost Kennametal se věnuje dlouhou dobu výzkumu práce s materiály typu CFRP/CFRP a kombinací CFRP s kovy, což vedlo k vytvoření portfolia specializovaných nástrojů pro obrábění CFRP materiálů a neželezných součástí, jako jsou např. vrtáky s diamantovým povrchem a řešení pro orbitální vrtání otvorů. Nástroje s diamantovým povlakem (KCN05) nabízejí dlouhou životnost a speciální řezné geometrie zajišťují dokonalé obrábění s vysokou povrchovou kvalitou a snižují tvorbu tepla.
Frézování CFRP
Koncové frézování speciálními nástroji pro kompozity s kompresními směrovači vytváří na horní a spodní ploše obrobku řezné síly, které stabilizují řez a eliminují riziko poškození okrajů obrobku.
Řada vyměnitelných fréz Mill 1-10 je podle výrobce, firmy Kennametal, ideální pro aplikace využívající uhlíkovými vlákny vyztužený polymer (CFRP) pro čelní frézování, s až se 100% zapojením PCD vložky. Tyto čelní a dokončovací frézy nabízí agresivní rychlosti rampování, vysokou rychlost otáček a dosažení vynikající povrchové úpravy. K jejich charakteristikám patří možnost změny axiální hloubky řezu a při vstupu nebo na výstupu z obrobku nedochází k žádnému odlamování materiálu ani ke vzniku otřepů.
Vrtání do kompozitů
Stejně náročné je u kompozitních materiálů i vrtání, které rovněž vyžaduje speciální nástroje. Jejich konstrukce, kde hlavní roli hrají geometrie a použitý materiál, je řešena s ohledem na možné poruchové režimy. Pozitivní geometrie minimalizuje namáhání materiálu, které může způsobit delaminaci, využívá se ostrá geometrie pro řezání vláken s lokalizovaným, indukovaným napětím. Odstranění třísek není u kompozitních materiálů nezbytné, ale musí být odstraňován prach vznikající při jejich opracování. Materiál, z něhož jsou nástroje vyrobeny, musí mít dostatečnou tvrdost, zajišťující odolnost vůči opotřebení, a odpovídající pevnost pro podporu ostré geometrie.
Zatímco obrábění tvárných kovů je založeno na střihu, obrábění kompozitů zahrnuje několik mechanismů: tlakem nebo ohybem indukované zlomení zesilujícího vlákna, střih, poddajnost a prasknutí matrice či dělení na hranici vrstev, nebo narušení podkladové vrstvy. Při působení nástroje hrají významnou roli i další faktory, jako je např. poloha vláken, strukturální dutiny, materiálové vlastnosti atd. To vše vyžaduje nasazení nástrojů, které při práci s kompozitními materiály co nejvíce eliminují rizikové faktory. Diamantový povlak vykazuje téměř 10násobné zlepšení životnosti nástrojů o oproti vrtání s využitím tvrdokovu. Diamantové povlaky vyžadují speciální karbidové substráty pro nejlepší přilnavost, které však někdy postrádají houževnatost požadovanou pro náročné aplikace.
V současné době jsou na trhu pouze tři typy konvenčních nástrojů, které splňují požadavky na geometrii i materiál vyhovující pro práci s kompozity:
- vrtáky s PCD složkami - PCD povlak je sintrován přímo na karbid (umožňuje komplexní tvarování geometrie),
- diamantové vrtáky (CVD diamantový povlak má vyšší tvrdost než PCD a je možná libovolná geometrie),
- orbitální vrtáky (šikmé frézování otvoru snižuje tah a tím i riziko odlomení/delaminace kompozitního materiálu.
U konvenčního vrtání se nástroj otáčí kolem vlastní osy, má trvalý kontakt s okrajem otvoru, přičemž ve středu vrtáku je rychlost úběru materiálu nulová. Průměr otvoru je stejný jako průměr vrtáku, přičemž průběžně vznikají třísky.
Při orbitálním vrtání u kompozitních materiálů probíhá proces jiným způsobem. Průměr řezného nástroje je menší než průměr otvoru. Nástroj rotuje kolem své vlastní osy (mimo osy otvoru) a obíhá kolem vnitřního okraje otvoru, přičemž řezná hrana je v kontaktu s okrajem otvoru přerušovaně.
Snížená síla vytváří při orbitálním vrtání v CFRP otvory bez delaminací. Přerušované řezání a částečně zapojené ostří zajišťují nižší teplotu v místě řezu a tím i snížené riziko roztavení matrice v CFRP, řezný nástroj i povrch otvoru mohou být efektivněji chlazeny. Menší průměr nástroje než průměr otvoru znamená, že jeden nástroj lze využít pro otvory s různými průměry a tím zredukovat i zásobu nástrojů, ale také snazší odvod třísek a snížené riziko poškození třískami. Malá formace třísek umožňuje kromě jejich snadného odvádění a lepšího odvodu tepla i možnost vrtání v uzavřené konstrukci.
K dalším výhodám orbitálního vrtání patří: možnost zahloubení nebo opravy špatně vyrovnaných otvorů, nastavitelný posuv, orbitální rychlost v každé vrstvě a také možnost vrtat do nakloněných nebo zakřivených povrchů.
Pro vrtání v CFRP kompozitech vyvinul Kennametal speciálně konstruované vrtáky řady SPF. K jejich hlavním charakteristikám patří speciální 90° úhel, který zvyšuje schopnost centrování, čímž se snižuje tah a zlepšuje se kvalita otvoru. Vícevrstvý diamantový CVD povlak zajišťuje odolnost vůči opotřebení, což se odráží i v delší životnosti nástroje. SPF vrtáky, které jsou k dispozici ve standardních délkách 3xD a 5xD a obecných výrobních průměrech leteckého průmyslu, jsou nákladově efektivnější než vrtáky s PCD a umožňují vytvářet kvalitnější otvory.
406
