Díly pro aero industry

 řezné nástroje
www.techtydenik.cz
Problematika obrábění dílů pro letecký průmysl
V
ýrazně vyšší užití titanu jako konstrukčního materiálu v civilním leteckém průmyslu začalo kolem roku
1980. Krátkou dobu po tom, co se tento materiál objevil ve vojenském letectví. Titanové slitiny efektivně konkurují slitinám hliníku i nikl feritickým slitinám. Nové titanové slitiny nyní rapidně pronikají i do výroby dalších
skupin částí letadel, jako jsou díly trupu, křídel,
částí výsuvu podvozku, prvků hydraulických
systémů a podobně.
Tento vývoj s sebou logicky přináší potřebu
řešit inovativní způsoby technologie obrábění nových materiálů a vyřešení uspokojivé
produktivity, přesnosti výrobních tolerancí
a spolehlivosti procesů při výrobě takového
charakteru. Firma ISCAR se tímto vývojem
zabývá a přináší na trh některé typy nástrojů
pro aplikace soustružení, frézování i vrtání,
vyzbrojené novými jakostmi karbidů, geometrií břitů a speciálními utvářeči.
nástroje v záběru se generuje vysoká teplota. Řezné tlaky pulzují tak jak břit vniká
a opouští řeznou zónu, to může vést k rezonanci a vibracím. V úzké drážce je vysoká
pravděpodobnost přeobrobení již oddělené
třísky. Právě velký úhel opásání nástroje
a poměr hloubky záběru s průměrem nástroje
také vede k problémům s přehříváním nástroje a špatnému odvodu třísek. Důsledkem je
pak nutnost snížení řezných parametrů a tím
prudce klesá produktivita.
Jedna ze strategií jak docílit uspokojivé
efektivity obrábění titanu je trochoidní frézování. Použitím tohoto způsobu frézování
drážek monolitní karbidovou frézou či čelní válcovou frézou s výměnnými břitovými destičkami lze většinu negativních vlivů
eliminovat. Trochoidní nebo také spirálovité
frézování spočívá v tom, že je dráha nástroje
programována v kruhových drahách s přísuvem vpřed do záběru s každým cyklem. Průměr nástroje je menší než nominální šířka
drážky. Pouze malá část nástroje je vždy v záběru. Tím vzniká dostatek místa pro odchod
třísek ze záběru a tepelné namáhání nástroje
se také snižuje. Pokud možno doporučuje se
používat sousledné frézování.
Vlastnosti, které dělají titan
tak důležitým pro letecký
průmysl
Volba titanu jako konstrukčního materiálu v letectví vychází z jeho některých specifických vlastností:
• vysoká pevnost v poměru k měrné hmotnosti
• chemická odolnost
• odolnost proti korozi
• výjimečné mechanické vlastnosti
• malá tepelná roztažnost
Charakteristika a limitace
obrobitelnosti titanu
V leteckém průmyslu je nejpoužívanější titan
6AL-4V. Již z hlediska metalurgické charakteristiky vykazují slitiny titanu více problematický průběh obrábění a praxe plně potvrzuje, že
při obrábění titanu vznikají větší řezné síly než
při odpovídající aplikaci obrábění ocelí ekvivalentní tvrdosti.
Navíc patří titan mezi takzvaně zpevňující
materiály. To znamená, že povrchová vrstva
obrobené části vykazuje větší tvrdost než původní materiál. Proto je nutné používat pozitivnější geometrii než při obrábění ocelí. Vyšší
řezný odpor generuje podstatně vyšší tepelné
namáhání nástroje a v důsledku nižší tepelné
vodivosti titanu si i samotné třísky déle udržují
teplo, čímž je nástroj namáhán ještě více. V důsledku vysokých řezných sil a tepla pak dochází ke kráterovým výmolům podél břitu a tím
k rychlému opotřebení nástroje.
Titan má také podstatně vyšší modul elastičnosti
než ocel. V kombinaci s vyšším řezným odporem
se nežádoucí vlastnost odtlačování se obrobku
od nástroje ještě zvyšuje. Tenkostěnné profily mají při obrábění snahu se bortit a vibrovat. To není
dobré ani pro nástroj a s rozměrovou přesností
jsou rovněž problémy. Klíčem řešení situace je
absolutně tuhý stroj, co možná nejpevnější upnutí
obrobku a hlavně optimálně pozitivní geometrie
řezného nástroje. Když tedy vše podtrhneme a sečteme, je jisté, že máme problém s produktivitou
a vysokými náklady na nástroje.
Trochoidní frézování
– způsob jak dosáhnout
efektivního obrábění titanu
Frézování mělkých či hlubších kapes v tomto materiálu je vždy problém. Při delší době
Pro tento způsob doporučuje ISCAR použít
stopkové frézy CHATTERFREE nebo nástroje řady HELIDO, HELIMILL s výměnnými destičkami. Monolitní karbidové frézy
CHATTERFREE s variabilní zubovou roztečí jsou s ohledem na svoji konstrukci výhodným nástrojem pro zhotovování drážek a kapes nejen trochoidním způsobem frézování.
Nástroje vynikají vysokým stupeň odolnosti vůči vibracím a životností. Čtyř a 5břitými frézami lze na strojích s ISO40/BT40
drážkovat bez problému do hloubky 2xD
do plna. Jakost karbidu IC900 s povlakem
PVD TiAlN zaručuje dokonalou kombinaci
mechanických vlastností pro tento způsob
frézování. Alternativní způsob aplikace lze
provádět čelními válcovými frézami s vyměnitelnými destičkami. Zde navíc oceníme
výhodu nižšího přenosu tepla do nástroje díky řezné hraně rozdělené do segmentu z jednotlivých destiček.
Navzdory svému potenciálu je trochoidní
frézování výzvou nejen pro programátory,
ale i pro CNC systém stroje. V každém případě musí být stroj v dobré kondici a nástroj
musí být také výkonný. Oboje určuje jaká
produktivní aplikace bude.
Řezné nástroje
Kvalita a parametry řezného materiálu hrají významnou roli v procesu obrábění.
Firma ISCAR vyvinula nepovlakovaný
jemnozrnný karbid IC08, který je vhodný
právě pro HSM metody obrábění neželezných materiálů. Jako druhou variantu pro
HSM nabízí ISCAR submikronový povlakovaný karbid IC903, s 12% obsahem kobaltu a PVD povlakem TiAlN. Vyznačuje
se vysokou odolností proti otěru a vysokou
houževnatostí substrátu, tj. vlastnostmi, které jsou důležité při vysokorychlostním obrábění kalených ocelí (do tvrdosti 62 HRC),
titanu, nerez ocelí a slitin na bázi niklu. Výměnné destičky z těchto jakostí karbidů mají
specifický design a geometrii řezné hrany.
Nástroje jsou konstruovány tak, aby dosáhly
vysoké tuhosti, zajistily odvod tepla z místa
řezu a odolávaly teplotním šokům.
Částmi, které podstatně rozhodují o výkonnosti HSM jsou: vřeteno, vodící plochy,
motor pohonu, upínací nářadí a řezné nástroje. Vřeteno je patrně nejkritičtější část
soustavy, a proto je třeba věnovat maximum
pozornosti jeho dokonalému stavu a udržovat jeho házivost na minimu. I malá házivost
vřetena nebo nástroje má totiž velký vliv
na životnost monolitních fréz či destiček.
Házivost břitů frézy by neměla přesahovat
10 mikronů. Životnost nástroje totiž s každými dalšími 10 mikrony házivosti klesá
až o 50%. I tehdy, když je nástroj, upínač
i vřeteno přesně vyváženo, existuje stále
několik dalších možných zdrojů nestability.
Jedním z častých problémů bývá nepřesnost
mezi upínačem a dutinou vřetena. Většinou bývá zapříčiněna nečistotami na kuže-
Při trochoidním frézování se používá vždy
menší nástroj než je předepsaná šířka drážky. Takže jedním nástrojem lze vyrábět různé šířky drážek. Vzhledem k menším radiálním silám při tomto způsobu obrábění lze
použít frézy s větším počtem zubů a tak si
také dovolit vyšší minutový posuv.
Programování
Donedávna měly některé konvenční programovací softwary problém s trochoidním
frézováním. V takových případech musel
programátor manuálně programovat kompletní cestu nástroje. Program se nedá vizuálně zkontrolovat jinak než při běhu na stroji. Proto se donedávna tento způsob používal málo. Vývojáři CAM softwaru nedávno
přidali trochoidní frézování jako jednu ze
sekcí CNC programování za účelem zkrácení a zjednodušení tohoto procesu. Tím je
možné celý program i graficky předem simulovat a vysledovat.
Především v oblasti výroby hliníkových
dílů pro letecký a automobilový průmysl je
často vyžadováno obrábění metodou FMR
(Fast Metal Removal – rychlý odběr materiálu). Právě zde se metoda HSM jeví jako
nezbytná. Při obrábění konstrukčních dílů
křídel, trupů letadel a dalších obdobných
TECHNICKÝ TÝDENÍK 03/2012
Příklad upnutí nástroje do integrální tepelné
SHRINKIN kleštiny
tepelné roztažnosti dutiny integrálních ER
kleštin a lze je používat pro upnutí stopkových karbidových fréz. Upnutí se vyznačuje
dokonalou pevností, přesností a díky vlastní
symetričnosti použitého upínače i uspokojivým vyvážením.
SHRINKIN upínače mají protáhlý štíhlý tvar, různých délek a jsou vhodné pro
polodokončovací a dokončovací operace
v hlubokých dutinách forem a zápustek.
Pro snadnou a rychlou práci v nástrojárnách
a seřizovnách nabízí ISCAR dva kompletní
systémy pro SHRINKIN ER kleštiny.
Upínací nářadí
– problém nevyváženosti
Další provozní benefit
Další aplikace
10
tenkostěnných a rozměrných dílů z hliníku
se pohybují otáčky vřetena mezi 15 000 –
50 000 za minutu. Dalším polem působnosti
metody HSM je oblast výroby forem a zápustek se svými požadavky vysoké přesnosti, dokonalé geometrie a kvality povrchu tvrdých nebo houževnatých materiálů. Většina
aplikací vyžaduje nejen vysoké rychlosti,
ale především stabilitu procesu obrábění. To
vyžaduje správnou volbu nástroje a správný
způsob programování, který bere v úvahu
podmínky odlišné od konvenčního obrábění.
Je třeba dokonale znát vlastnosti stroje a tomu také přizpůsobit řezné podmínky. Co se
týká vlastností obráběcího stroje vhodného
pro aplikace HSM, je nutné, aby jednotlivé
díly stroje byly navrženy a sestaveny v jeden
mechanicky dokonale vyvážený celek. K tomu všemu je třeba brát v úvahu vlastnosti
dalších elementů celého systému, kterými
jsou:
Typy integrálních ER-SHRINKIN kleštin
Ten menší, přenosný s odporovým ohřevem lze používat i přímo u stroje. Větší
mobilní jednotka s indukčním ohřevem se
uplatní hlavně v nástrojárnách. Oba přístroje
jsou vybaveny dokonalou teplotní regulací
a kontrolou pro snadné upínání a demontáž
nástrojů. Vibrace nástroje vznikají často odstředivou silou samotného osově nesymetrického nástroje roztočeného při aplikaci
HSM na vyšší otáčky. Tyto vibrace se pak
přenášejí na obrobek a vřeteno. Výsledkem
je špatná kvalita povrchu, snížení životnosti nástroje a v neposlední řadě i nepříjemný
hluk.
Pro přesné upnutí a vyvážení takových nástrojů je určen systém ISCAR BALANCIN.
Jedná se o upínače opatřené sadou vyvažovacích kroužků, které mají uvnitř karbidová
závaží. Po obvodu vyvažovacích kroužků
je stupnice pro odečet vzájemného posunu.
Proces vyvážení se provádí na běžně dostupných vyvažovacích strojích vzájemným
natáčením těchto kroužků. Lze takto kompenzovat nevývažek do velikosti 61 g x mm.
Závě r
Stopková fréza HELI-Alu v držáku
s vyvažovacími kroužky BALANCIN
lu nástroje nebo uvnitř dutiny vřetena. Při
aplikaci HSM má jakákoliv nevyváženost
či vibrace vliv také na přesnost výroby. Při
vlastním procesu vyvažování je nutné např.
pro stopkovou frézu pracující při 20 000
otáčkách za minutu vyvážit nástroj včetně
upínače na hodnotu menší než 20 g x mm.
Pro zajištění maximální přesnosti a tuhosti
upnutí osových rotačních nástrojů vyvinula
firma ISCAR systém SHRINKIN – jedná
se o tepelnou jednotku a sady integrálních
ER kleštin a držáků. Systém využívá efektu
Konkurence na trhu s obráběnými díly
vyvolává potřebu rychlého vývoje nových
technologií obrábění a řešení problémů
produktivity. Vysokorychlostní obrábění je
konkrétní příklad jak zvyšovat produktivitu
a snižovat náklady na výrobu. I přes vyšší
spotřebu nástrojů přináší vysokorychlostní
obrábění dostatek výhod ve formě zkrácení výrobních časů a případného vyloučení
některých následných operací (např. ručního dokončování při výrobě forem). Ačkoli
obrábění metodou HSM je známé již řadu
let, jeho vývoj se dal opět do pohybu díky
v poslední době narůstajícím požadavkům
právě na snižování nákladů a zkracování výrobních časů.