Výhodný poměr mezi mechanickými parametry a hmotností byl důvodem rychlého rozšíření vláknových kompozit k výrobě dílců pro letecký průmysl; odolnost proti korozi stojí i za jejich používáním pro výrobu korozně exponovaných dílců v chemickém průmyslu. Relativní snadnost zhotovení rozměrných, tenkostěnných a obecně tvarovaných dílců z vláknových kompozit jim otevřel dveře ke zhotovování kapotáží, dílců větrných turbín a podobných výrobků; v současné době jsme svědky jejich postupného zavádění i v automobilovém průmyslu. Brzo se však projevilo, že principy, používané při třískovém opracování kovových materiálů, jsou nepřenositelné k opracování, resp. dokončování dílců kompozitových. Nevhodně volené řezné parametry a prostředí nebo nevyhovující nástroj výrazně snižují kvalitu prováděné operace, zvyšují náklady a hlavně, mohou zásadním způsobem snížit kvalitu a použitelnost zhotoveného dílce. Proto bylo nutné zahájit výzkum a vývoj metod, které budou odpovídat specifikům třískového opracování vláknových kompozit. KOMPLEXNÍ PŘÍSTUP K ŘEŠENÍ JE PODMÍNKOU ÚSPĚCHU Snaha osvojit si specifické znalosti a zajistit vztah k subjektům, které se zabývají opracováním kompozit, vedla Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (RCMT) k účasti na projektu FibreChain, řešícím problematiku automatizované výroby dílců z vláknových kompozit. Je začleněn do 7. rámcového programu Evropského společenství pro výzkum a technologický rozvoj. Projekt zastřešoval Fraunhoferův institut pro výrobní technologii (IPT) a účastnilo se jej 18 subjektů z Evropy. Českou republiku v něm zastupovali dva, RCMT a Strojírna Týc. Problematikou opracování vláknových kompozit se dále zabývají i úkoly řešené v grantovém projektu Centrum kompetence – Strojírenská výrobní technika, jehož smyslem je zvýšit technickou kompetenci, konkurenceschopnost a produkci nejvýznamnějších dodavatelů strojírenské výrobní techniky v České republice. Výzkum a vývoj probíhá ve spolupráci s členy řešitelského konsorcia CK – Strojírenská výrobní technika. Získané znalosti a dosažené kompetence již dovolují RCMT řešit konkrétní úkoly zájemcům na komerční bázi. APLIKOVANÝ VÝZKUM Kompozitní materiály Pro pochopení problematiky obrábění kompozitních materiálů je v prvé řadě nutno si uvědomit, že se jedná o materiály heterogenní. Jejich složení – polymerní matrice a vláknová výztuž, mající diametrálně odlišné vlastnosti – nabízí nespočet kombikombinací, které zahrnují i rozdílný objemový podíl vláken v matrici, způsob jejich uložení a orientaci vláken v kompozitu. Důsledkem této variability je značně odlišný charakter obrobitelnosti jednotlivých kompozitních materiálů i nároky na vhodnost obráběcí strategie. Polymerní matrice mohou být termosetické nebo termoplastické; jejich úlohou je chránit výztužný materiál, přenášet na něj zatížení a vytvářet konečný povrch dílce. Úkolem vláknové výztuže je poskytovat kompozitu vysoké mechanické vlastnosti. Výztuž může mít různou hustotu a charakter ukládaných vrstev v matrici, bývá zhotovena z různých materiálů (sklo, karbonová nebo grafitová vlákna, čedičová vlákna, aramid) a její vlákna mohou mít různý průměr a délku. Co je zvláště důležité z hlediska třískového obrábění, je jejich orientace, která může být jedno- nebo vícesměrná a vlákna mohou vykazovat rozdílnou orientaci vůči obráběnému povrchu. Jak matrice, tak výztuž mají rozdílnou odolnost proti teplotním vlivům a její překročení vždy znamená degradaci výsledných vlastností kompozitu. Rozvolnění vazby mezi matricí a výztuží nebo mezi jednotlivými vrstvami kompozitu navzájem je nežádoucí, protože snižuje kvalitu obrobeného dílce a jeho mechanické vlastnosti. Výztuž, zejména ze skleněných vláken, se vyznačuje vysokou abrazivností a opotřebení nástroje, teplota v místě řezu a kvalita obrobeného povrchu závisí na směru, kterým jsou vlákna přeřezávána. Je tedy zřejmé, že detailní znalost specifikace obráběného kompozitu je nezbytnou podmínkou úspěchu. STRATEGIE OBRÁBĚNÍ A VOLBA VHODNÉHO ŘEZNÉHO NÁSTROJE Důležitým úkolem navržené strategie obrábění je zamezit vzniku vysoké teploty v místě řezu a rozvolnění vazby matrice a výztuže. Z provedených experimentů vyplynula řada poznatků. Z nich lze uvést například to, že výrazný vliv na kvalitu povrchu má volba frézování kolmo na vlákna nebo podél vláken (obr. 1), a to, že sousledné frézování a vyšší řezná rychlost kvalitu povrchu a opracované hrany zlepšuje. Naproti tomu výhodou nesousledného frézování je odříznutí teplotně poškozené části matrice břitem nástroje (obr. 2). Pro omezení teplotních vlivů je nutno intenzivně chladit v místě řezu (obr. 3); chlazení v místě začátku řezu má menší efekt. Strategie obrábění s menší radiální hloubkou řezu a sníženými silami snižuje teplotu v místě řezu. Jako nejúčinnější se jeví chlazení proudem vzduchu, ochlazeného na nízkou teplotu, chlazení kryogenní a pokud je to možné, pak olejovou emulzí. Obr. 1: Obrobený povrch při frézování kolmo na vlákna a podél nichObr. 2: Vliv sousledného a nesousledného frézování na teplotní ovlivnění matice Obr. 3: Chlazení na začátku řezu a v místě řezuObr. 4: Nástroje pro opracování kompozitu Obecně platí, že z hlediska teploty řezu, řezných sil a kvality obrobené plochy je nutno dávat přednost nástrojům s ostrou pozitivní geometrií, protože vlákna výztuže je nutno odřezávat nebo odlamovat, nikoliv ohýbat. Účinný způsob, jak zabraňovat vzniku delaminace (separaci sousedních vrstev), je volba kompresního nástroje s velkým úhlem čela i hřbetu (obr. 4). Pozitivní geometrii a vysokou životnost v sobě spojují nástroje, osazené břity z PKD, které jsou sice křehčí, ale jsou schopny z místa řezu odvádět více tepla, než nástroje karbidové. Vhodnou variantou je užití karbidových nástrojů s PVD diamantovým povlakem. U aplikace vrtání se potvrdil výrazný vliv axiální síly na vznik a rozvoj delaminace v okolí vstupní a výstupní hrany otvoru (obr. 5, 6); pro zmenšení tohoto rizika se doporučuje použít nástroj s lomeným ostřím. Vrtání ve směru podél vrstev je z hlediska kvality vstupního a výstupního otvoru méně náročné. Obr. 5: Příčiny vzniku delaminace při vrtáníObr. 6: Ukázka delaminace hrany otvoru při vstupu a výstupu PRÁCE REALIZOVANÉ V RCMT PRO VÝROBNÍ SUBJEKTY Teoreticky získané a praxí ověřené znalosti pracovníků RCMT v oblasti obrábění kompozit umožňují úspěšné řešení úkolů, zadávaných přímo výrobními subjekty. Za všechny lze uvést spolupráci na návrhu technologie obrábění kompozitu na stroji předního českého výrobce obráběcích strojů. Specifikace kompozitu a typu, polohy a rozložení vláken výztuže byla provedena pomocí infračervené mikrospektroskopie a kompenzační kalorimetrie. Po provedených zkouškách čelního a bočního frézování, analýze teplotního pole a jakosti obrobených ploch pole bylo možno doporučit optimální řezné podmínky. Následný rozbor operací vrtání byl základem doporučení pro zlepšení kvality vrtaných otvorů. Dalším příkladem konkrétního komerčního využití získaných poznatků je návrh podmínek čelního frézování sklolaminátových desek frézou s diamantovými břity. Vyššími řeznými podmínkami a zvětšenou stabilitou upnutí se docílilo několikanásobného zvýšení produktivity. ZÁVĚR Volba strategie obrábění a řezného nástroje není jednoduchá pro toho, kdo nedisponuje potřebnými znalostmi a zkušenostmi. Své zkušenosti i znalosti proto nabízejí kvalifikovaní a kompetentní odborníci RCMT, kteří jsou schopni provést nezbytnou specifikaci obráběného kompozitu a doporučit strategii obrábění, řezné podmínky i vhodný nástroj a ušetřit tak výrobcům provádění jinak nutných, ale časově i nákladově náročných experimentů. Ing. Petr Borovan
