Moderní metody obrábění v leteckém a energetickém průmyslu

Výjimečná technická úroveň a technologická náročnost komponent špičkových strojírenských výrobků jakými jsou letouny či energetické stroje je celosvětově vyhlášena. Srdce každého technika se rozechvěje, když vidí úchvatné více či méně složité sestavy tvarově komplexních dílů vyrobené s vysokou přesností mnohdy z velmi těžko opracovatelných materiálů. Z hlediska technologie výroby a souvisejících nároků na výrobní zařízení přinášejí letecké a energetické součásti velmi širokou škálu požadavků, pro jejichž splnění je třeba pečlivě vážit a optimalizovat volbu použitých postupů. Komponenty vyráběné operacemi třískového obrábění se vyskytují ve všech stěžejních konstrukčních uzlech letounů i energetických strojů. Přijměte tedy pozvání k zamyšlení nad vhodností využití konkrétních typů obráběcích strojů pro výrobu souboru vybraných leteckých komponent. Mechanizace křídla a podvozku – hydraulika Hydraulické prvky jakými jsou typicky ventily a rozváděče jsou charakteristické především velkým počtem kanálů pro vedení, respektive řízení toku tlakového média. Setkáváme se tedy s kostkami s množstvím různě osazených otvorů vedených v několika směrech napříč základním tělesem. V případě prvků vyskytujících se v mechanismech ovládajících vysouvání a zasouvání klapek křídel letounů, či u podvozkových sestav je konstrukce navíc umocněna požadavky na minimální hmotnost a zástavbové rozměry. To vede ve svém důsledku k volbě materiálů na bázi titanových slitin a velmi komplexním prostorovým tvarům. Optimální volbu proto představují svislá pětiosá obráběcí centra schopná vyrobit komponenty na minimální počet upnutí, čímž jsou zajištěny potřebné předpoklady pro dodržení vysoké přesnosti obrobku. Navíc lze stroj vybavit dvoupaletovým výměníkem, či jej rovnou zapojit do sofistikovaného systému paletového hospodářství, a docílit tak překrytí vedlejších časů upínaní polotovaru a vyjímaní hotového dílce, které u takto komplexních výrobků mohou představovat operace v řádu několika minut. Pro konkrétní aplikaci hydraulického rozváděče z titanové slitiny volíme stroj Mazak Variaxis 730II- 5X disponující frézovacím vřetenem s vysokým výkonem a nástrojovým rozhraním ISO50, zajišťujícím považovaný krouticí moment při vybraných frézovacích operacích. Stroj je dále vhodné vybavit velkokapacitním zásobníkem nástrojů (až 120 pozic), díky němuž lze zdvojovat nástroje s relativně malou životností a docílit bezobslužného provozu v dlouhém časovém horizontu. Součásti motorů - lopatky Obrábění lopatek proudových motorů vyžaduje v konečné fázi stroj s minimálně pěti souvisle řízenými osami. Efektivní strategii výroby představuje obrábění lopatek z tyčového polotovaru na multifunkčním soustružnickém obráběcím centru na jedno upnutí s automatickým předáním rozpracovaného kusu mezi dvěma soustružnickými vřeteny. Stroje typu Mazak INTEGREX již více než 25 let udávají směr světového vývoje v tomto segmentu obráběcích center. Současná modelová řada Integrex je již čtvrtou vývojovou generací a disponuje množstvím sofistikovaných funkcí, které umožňují technologicky maximálně využít konstrukční potenciál stroje. Pro obrábění lopatek menších velikostí lze doporučit stroj Integrex 200IV ST se dvěma soustružnickými vřeteny a spodní revolverovou hlavou, kterou lze využít nejen pro operace obrábění (společně s naklápěcím soustružnicko- frézovacím vřetenem – dva nástroje v řezu na jediném založeném polotovaru, nebo nezávislé obrábění dvěma nástroji na hlavním i vedlejším soustružnickém vřetenu), ale také jako opěrný hrot (náhrada koníka), či podpůrnou lunetu. Křídlo - žebra Žebrování křídel letounů je velmi často realizováno díly z duralových slitin vyráběných z bloku materiálu. Hmotnost výchozího polotovaru je typicky několikanásobně vyšší než dokončeného kusu, což klade značné nároky na velké úběry materiálu za jednotku času. Z technologického hlediska je tedy výhodné optimalizovat jednak dráhy nástroje, jednak relativní polohu nástroje a obrobku s cílem dosažení optimálního kontaktu řezného nástroje a obráběného materiálu. Výrobním strojem schopným splnit tyto požadavky je svislé pětiosé obráběcí centrum s dostatečně dlouhou upínací plochou stolu. Konstrukční řešení tak jednoznačně směřuje k využití frézovací hlavy se dvěma souvisle řízenými rotačními osami. V sortimentu Mazaku tento segment pokrývají stroje VORTEX s pojezdem v ose X až 4,2 metru. Podvozek – nosné díly Jedněmi ze staticky i dynamicky nejnamáhanějších leteckých komponent jsou nosné díly podvozků. Pečlivá topologická optimalizace konstrukce těchto dílů zohledňující různé typy zatěžování vede ve výsledku ke značně komplikovaným tvarům a prakticky automatickým požadavkem na obrábění z plného polotovaru velmi často kovaného v zápustce pro dosažení žádané struktury uvnitř materiálu. Jinými slovy, nesetkáváme se zde často se svařenci, kde jednotlivé obráběné komponenty sestavy neobsahují komplikované tvary a lze je tak opracovat na tříosých obráběcích strojích. Volba tedy opět logicky směřuje k vysoce sofistikovaným víceosým strojům se značně velkými rozjezdy řízených os pro obsažení veškerých obráběných detailů na obrobku. Přirozenou volbu představují multifunkční soustružnické stroje typu Mazak eH-Integrex II, které jsou konstrukčním spojením soustružnického lože se stojanem z frézovacího centra. Velmi důležitý parametr – pojezd osy Y – dosahuje až 650 mm a maximální obráběná délka 4000 mm. Stroje mohou být vybaveny celou řadou doplňků, které výrazně rozšiřují jejich technologické možnosti. V prvé řadě je nutno jmenovat dvojici programovatelných lunet, dále potom soustavu speciálních upínačů pro soustružení, vrtání i frézování uvnitř hlubokých otvorů. Obrábět lze i s využitím velkoprůměrových kotoučových fréz. Motory - skříně Skříně leteckých motorů jsou na rozdíl od zmiňovaných dílů podvozků většinou svařenci několika více či méně komplikovaných komponent prstencového tvaru. V každém případě musí finální svařenec odolávat vysokým teplotám (zejména ve výstupní části proudového motoru). Z toho vyplývá i volba materiálu, kde se často setkáváme zejména s Inconelem 718. Geometrický tvar jednotlivých komponent svařence, jakož i finálního dílu opět jednoznačně předurčují volbu výrobního stroje. V tomto případě je optimální koncepce karuselová, ovšem s plnohodnotnými možnostmi frézování a mimoosého vrtání včetně obecně úhlově skloněných prvků. Strojem, který tyto požadavky bezezbytku splňuje, je Mazak eV-Integrex, který disponuje pěti souvisle řízenými osami – třemi lineárními X, Y, Z, soustružnickým vřetenem s rotační osou C a naklápěcím frézovacím vřetenem s osou B. Stroje jsou dodávány v celé velikostní řadě od průměru palety 610 mm až po průměr 1850 mm. Navíc mohou být stroje vybaveny i přídavnou výsuvnou pinolou v ose Z, pomocí níž lze efektivně provádět soustružení, vrtání a frézování hluboko uvnitř dutiny svařence tělesa proudového motoru. Sedadla Podobně jako žebrování křídel jsou i součásti sedadel u dopravních letounů vyráběny z duralových bloků. V tomto případě se však jedná o součásti menších rozměrů, mnohdy méně prostorově komplikovaných tvarů. Je tedy nasnadě využít výhod, které poskytují obráběcí centra s vodorovnou osou vřetene. Jedná se zejména o vysokou produktivitu (vysoká dynamika pohybů, minimální časy výměny nástroje, vysokotáčková vřetena), možnost snadné automatizace (samozřejmostí je dvoupaletový výměník, stroje jsou koncipovány pro zapojení do paletového hospodářství) a přirozený odvod třísek díky upnutí na svislé upínací kostky. Závěrem V oboru číslicově řízených obráběcích strojů lze jen stěží najít výrobce, který svým sortimentem dokáže pokrýt extrémně náročné požadavky leteckého a energetického průmyslu. Yamazaki Mazak takovou firmou je a důkazem toho budiž přítomnost strojů se značkou Mazak u většiny významných dodavatelů leteckých a energetických komponent i sestav po celém světě. Seminář na téma „Aplikace z leteckého a energetického průmyslu“ pořádaný výhradním zástupcem Yamazaki Mazak pro Českou republiku, firmou Misan s.r.o., ve spolupráci s dodavatelem nástrojů, firmou Sandvik Coromant CZ, 21. a 22. dubna 2009 představil návštěvníkům vyjímečná technologická řešení, nejen pro těžkoobrobitelné materiály, aplikovaná právě u těchto v mnoha směrech inspirativních průmyslových odvětvích. Podrobnější technické informace o problematice probírané na semináři najdete na www.misan.cz. Videozáznam prakrických ukázek obrábění naleznete na našich webových stránkách. Ing. Ondřej Svoboda, Ph.D.