Obrábění kompozitních materiálů bez neočekávaných událostí

Vrták CoroDrill^® 863-O společnost Sandvik Coromant otevírá cestu k předvídatelnému průběhu opotřebení nástroje při náročném obrábění kompozitních materiálů.

Výroba děr má zásadní vliv na kvalitu a funkční vlastnosti leteckých součástí a v éře COVID-19 je pravděpodobně ještě důležitější, než kdy dříve.

Podle nedávného průzkumu třetina výrobců tvrdí, že urychlí investice do automatizačních nástrojů. Ale jak se to dotkne náročných činností souvisejících s obráběním kompozitních materiálů? Aaron Howcroft, globální produktový manažer ze společnosti Sandvik Coromant, v tomto článku vysvětluje, jak obráběcí nástroj CoroDrill^® 863-O z nabídky této společnosti může výrobcům pomoci přehodnotit jejich přístup k obrábění kompozitních materiálů – díky technologii chemické depozice z plynné fáze (CVD).

Při vrtání děr ve většině leteckých součástí mají výrobci tři šance dosáhnout toho, aby díra byla zhotovena správné – poté již nelze díru opravit tak, aby splňovala požadované konstrukční specifikace. Pokud se, i když jen u jediné díry, tyto tři šance z důvodu nevyhovujícího průměru, jakosti obrobeného povrchu nebo delaminace nevyužijí, bude tím znehodnocena celá součást. Vzhledem k extrémním cenám leteckých součástí představuje výroba děr riskantní pracovní úlohu. To platí zejména o vrtání kompozitních materiálů, které na obrábění kladou nové požadavky.

Při práci s kompozitními materiály je výroba děr jedním z nejčastějších obráběcích procesů. Obrábění kompozitních materiálů, které jsou kombinací dvou nebo více materiálů s různými fyzikálními a chemickými vlastnostmi, vyžaduje přeříznutí nebo jiné mechanické přerušení (lom, přetržení) vláken, která jsou součástí těchto materiálů. Je-li to provedeno nesprávně, vrstvy kompozitního materiálu se odlupují z jejich řádného místa. Tento jev je označován jako delaminace a podle zákazníků společnosti Sandvik Coromant je faktorem, který nejvíce omezuje jejich výrobu.

Delaminace ovlivňuje kvalitu děr a opakovatelnost, kvalitu a integritu konečného produktu a zisky výrobců. Říkám integritu, protože vyšší kvalita děr má zásadní význam z hlediska prevence poškození součástí a je do značné míry určována výrobními procesy používanými pro obrábění nebo dokončování děr.

Významné je také množství tepla generovaného během obrábění kompozitu. Špatná tepelná vodivost materiálu a absence třísek představuje riziko pro termosetickou pryskyřici, která drží vlákna materiálu pohromadě. Jinými slovy obrábění kompozitních materiálů odhaluje slabou stránku obráběcího procesu, k níž by jinak nebylo nutné přihlížet.

Tyto slabé stránky jsou ještě zvýrazněny rozšiřujícím se sortimentem a nepředvídatelností kompozitních materiálů dostupných na trhu. Vzhledem k tomu je konkurenceschopné obrábění náročnou výzvou.

Proč to teď zmiňuji? V éře COVID-19 je kvalita díry pravděpodobně ještě důležitější než kdy dříve. Podle průzkumu společnosti Euromonitor International plánuje zhruba 50 % společností změnu svých digitálních strategií. V průzkumu Voice of the Industry provedeném společností Euromonitor v roce 2020 jedna třetina respondentů uvedla, že urychlí investice do automatizačních nástrojů – proto je nutné, aby tyto díry byly správně zhotoveny i ve zcela bezobslužných scénářích.

Proto musí výrobci neustále přemýšlet o tom, jak při vrtání kompozitních materiálů postupovat.

Předvídatelný průběh opotřebení
Zjistili jsme, že skutečnou prioritou leteckých výrobců je integrita povrchu díry. Jakou úlohu však při řešení těchto problémů mohou hrát nástroje – a jaký přínos může mít lepší vrták pro strategii automatizace?

Nejprve se podíváme na ideál, o který se výrobci snaží. Požadují díry, které jsou kvalitní, konzistentní a opakovatelné. Každý nástroj se samozřejmě nakonec opotřebuje, ale toto opotřebení musí být konzistentní a předvídatelné u každého nástroje.

Jaký význam má předvídatelný průběh opotřebení ani nelze dostatečně zdůraznit. CNC stroj bývá obvykle naprogramován tak, aby byl nástroj stažen v okamžiku, kdy může dojít k jeho selhání. Není-li tedy životní cyklus vrtáku konzistentní, v nejhorším, avšak reálném scénáři to u většiny zakoupených produktů může vést ke snížení životnosti o 50 %. Když společnost Sandvik Coromant vrtáky dodá svým zákazníkům, musíme být schopni zaručit, že za všech okolností vydrží předvídatelný počet minut — pokaždé!

Lepší konstrukční řešení
Proto společnost Sandvik Coromant vyvinula vysoce výkonný vrták CoroDrill^® 863-O pro vrtání kompozitních materiálů, včetně materiálů vyztužených uhlíkovými (CFRP) a skleněnými (GFRP) vlákny. Tento vrták byl navržen s důrazem na průmyslová odvětví, která široce využívají kompozitní materiály a vyžadují více metrů odvrtaného materiálu na jeden nástroj — jako např. letecký průmysl, kde jsou kompozitní materiály využívány pro výrobu dílů draku letounu a dalších součástí.

První věcí, kterou jsme při vývoji nástroje CoroDrill^® 863-O, kde O značí použití pouze pro obrábění kompozitních materiálů, udělali, bylo to, že jsme jej použili v leteckém průmyslu pro obrábění materiálu, který je nejvíce náchylný k delaminaci. Konkrétně jednosměrně vyztuženého laminátu bez krycí nebo tkané vrstvy bránící odlupování na spodní straně, který je nejčastěji využíván u křídel a trupu letadla. Digitálně jsme mapovali delaminaci, abychom přesně stanovili, jak často jsme se s delaminací za celou životnost nástrojů setkali.

U počítačového systému byly nastaveny velmi přísné tolerance neboli míra delaminace, kterou bychom jinak v jakékoli zhotovené díře akceptovali. Na základě výsledných dat jsme mohli optimalizovat základní konstrukční prvky vrtáku, jako je úhel stoupání šroubovice, neboli šroubovitou drážku na povrchu vrtáku. Větší úhel stoupání šroubovice přispívá k lepšímu odvádění třísek, čímž může pomoci snížit delaminaci na výstupu z díry. Naproti tomu příliš velký úhel stoupání šroubovice může být příčinou oddělení vrstev kompozitního materiálu na vstupu do díry. V každém případě to může vést k tomu, že některé vrstvy nebo vlákna vyčnívají do díry.

Mezi další klíčové charakteristiky vrtáku CoroDrill 863-O patří jeho tvar a nástrojová třída. Kompozitní materiály nejsou homogenní a objeví-li se ve výrobním procesu jakýkoli nový materiál, přináší to jedinečné výzvy dané jeho tloušťkou, typem, složením atd. Vrták CoroDrill 863-O se svými vynikajícími vlastnosti byl navržen tak, aby byl schopen obrábět jakýkoli materiál.

Je zde také otázka nástrojové třídy. Karbidové vrtáky jsou pro obrábění leteckých součástí velice vhodné, protože slinutý karbid zvyšuje pevnost nástroje od geometrie břitu až po stopku. Tím je optimalizován průběh záběru a maximalizuje se pracovní vůle a efektivita odvádění odebraného materiálu. Kvůli abrazivní povaze kompozitů však také dochází k rychlejšímu opotřebení karbidových materiálů. To je problém, zejména v automatizovaném režimu výroby.

Aby jej bylo možné překonat, využívá CoroDrill 863-O technologii CVD (Chemical Vapor Deposition). Metodou CVD lze vytvořit velmi tvrdý nástrojový materiál, který je ideální pro obrábění kompozitních a vrstevnatých materiálů. Nanesením vrstev CVD povlaku na celý břit lze dosáhnout mnohem delší životnosti nástroje a vzhledem k nízkému koeficientu tření a vysoké tepelné vodivosti CVD povlaku jsou břity nástroje i méně náchylné k vytváření nárůstku (BUE). Vzhledem k tomu, že břit s CVD povlakem zůstává ostrý, odvádí teplo, tření je nízké a pravděpodobnost problémů s dírou je minimální.

CVD nástrojová třída je tedy výhodnější v případě, že počet děr je vysoký a vyžadována je vyšší produktivita.

Dobře vybavené roboty a provozní zkoušky
Výrobcům využívajícím automatizované režimy výroby – jak u výrobních linek tvořených CNC stroji, tak i roboty – přináší rozšíření řady CoroDrill 863 výhody již nyní. Vzhledem k tomu, že tento vrták je k dispozici v provedení ze slinutého karbidu, polykrystalického diamantu (PCD) nebo s CVD povlakem, lze jej použít pro obrábění všech typů obtížně obrobitelných materiálů — kompozitů, hliníku, titanu, žárovzdorných slitin i korozivzdorných ocelí — v bezobslužném, ale i plně automatizovaném režimu výrobního procesu probíhajícím zcela bez lidského dohledu.

Jakmile opustí laboratoř, jsou funkční vlastnosti a výkonnost vrtáku CoroDrill 863-O podrobeny zkouškám při vrtání děr do obrobku z uhlíkových vláken. Protože se inženýři snaží vyrábět letadla s lehčí konstrukcí, oblíbenou materiálovou volbou v leteckém průmyslu jsou díky vynikajícímu poměru mezi pevností a hmotností uhlíková vlákna.

Na součásti s průměrnou tloušťkou 0,25 palce byly provedeny dvě série vrtání s geometrií CoroDrill^® 863-O, která pro zvýšení odolnosti proti opotřebení při obrábění kompozitních materiálů využívá naši vlastní variantu CVD povlaku s označením O1AD. Nejprve byl obrobek obroben vrtákem 863-O o jmenovitém průměru (DC) 6,37 mm (0.25 inch). Následně pak vrtákem o průměru DC 4.85 mm (0.191 inch).

V obou sériích a u všech nástrojů dosáhl typ 863-O vynikajících výsledků. Do materiálu s uhlíkovými vlákny bylo vyvrtáno 400 děr o průměru DC 6,37 mm (0,25 inch) a 560 děr o průměru 4,85 mm (0,191 inch), a přestože jsou ještě v prvotní fázi životnosti, výsledky se pozoruhodně dobře shodovaly s laboratorními zkouškami.

S pomocí systému Capacity Data Management společnosti Sandvik Coromant, což je systém umožňující poskytovat našim zákazníkům predikci a prognózu vývoje životnosti nástrojů, jsme přesně odhadli bezpečnou životnost nástroje. To po všech stránkách potvrzuje schopnost produktu nabídnout vynikající životnost nástroje, snížení počtu výměn nástrojů a opakovatelnou a spolehlivou výkonnost při obrábění kompozitních materiálů. Důležité je, že během obou zkušebních cyklů byla u všech děr zjištěna jen nízká úroveň delaminace na vstupu i výstupu z díry.

Je tedy zřejmé, že při výrobě děr mají zásadní podíl na úspěchu obráběcí nástroje se speciálním určením – zejména v případě součástí vyráběných z kompozitních nebo vrstevnatých materiálů. Nástroje, jako je vrták 863-O, mohou také hrát klíčovou úlohu při poskytování pomoci výrobním společnostem s plnou automatizací jejich výrobních procesů, a to i v případě obrábění problematických kompozitních materiálů.

www.sandvik.coromant.com

  Vyžádejte si více informací…