Snaha o zhotovování lehkých konstrukcí a výhodné vlastnosti vláknových kompozitů vedou k jejich rozšiřování i mimo letectví, do automobilových konstrukcí, zhotovování rozměrných dílů větrných elektráren, k výrobě rozměrných nádob v chemickém průmyslu a dalších odvětvích. Proti výhodám, které kompozity skýtají jako konstrukční materiály, však stojí odlišné a náročné požadavky na třískové obrábění polotovaru. Nejčastějšími aplikacemi třískového obrábění kompozitových dílců jsou vrtání, frézování obvodu, frézování plochy či drážek a zhotovování závitů (obr. 1); všechny tyto postupy musí bezpodmínečně ctít požadavky výrazně odlišné od těch, které je nutno respektovat při opracovávání kovových materiálů – v opačném případě dochází k degradaci opracovávaného materiálu a neuspokojivým výsledkům z hlediska kvality. Jedná-li se o plátované materiály, kdy je dílec vytvářen kombinací kompozitu s vrstvou z Ti nebo Al slitiny, je náročnost ještě vyšší. SLOŽENÍ, VLASTNOSTI Pro účely třískového obrábění je nutno vzít v úvahu specifika složení kompozitů a z toho plynoucí požadavky na strategii obrábění a použité řezné nástroje. Kompozit je nehomogenní materiál, v jehož pryskyřičné matrici jsou rozmístěna výrazně tvrdší uhlíková či skleněná vlákna (výztuž) o průměru několika málo μm a délce < 100 × Ø u kompozitů s krátkými vlákny, resp. Ø 100 > Ø u kompozitu s vlákny dlouhými. Dosahované vysoké pevnostní parametry kompozitu – např. dosahovaná pevnost se pohybuje v rozmezí 250–900 GPa – jsou pak synergickým efektem spojení obou těchto složek. Orientace vláken v matrici může být jednosměrná, dvousměrná nebo i nahodilá, což spolu s velikostí vláken způsobuje významnou směrovou anizotropii kompozitu. Pro obrábění je nezbytné respektovat teplotní omezení matrice – při překročení teploty 80 °C (výjimečně 150 °C) dochází k její degradaci a výraznému zhoršení mechanických vlastností kompozitu. Tato skutečnost je důležitá tím spíše, že kompozity vykazují nízkou tepelnou vodivost, která činí zhruba 0,2–0,4 W/m.K oproti oceli, kde jsou běžné hodnoty 52–53 W/m.K, a tudíž je nutno se vyvarovat místního přehřátí. Stabilita mechanických vlastností kompozitu je dána i pevným spojením vláken s matricí, při porušení spojení dochází k jejich zhoršení. K mechanické poruše dílce z vláknového kompozitu dochází vznikem a rozvojem trhliny, na níž se podílí porucha matrice, porucha soudružnosti vláken s matricí a přerušení vláken v důsledku mechanického namáhání; k selhání dochází křehkým lomem, následujícím překročení meze pružnosti. PROBLEMATIKA OBRÁBĚNÍ A MOŽNÉ CHYBY Většina poznatků z obrábění kovových materiálů je na obrábění vláknových kompozitů nepřenositelná; požadavky na správný způsob obrábění vyplývají z uvedeného stručného nástinu jejich vlastností. Je nutné, aby řezný nástroj kompozit včetně vláken výztuže skutečně řezal; nesmí tedy dojít k vylamování či vytahování vláken z matrice a k roztřepení okraje obrobené plochy. V řezné zóně ani v jejím okolí nesmí být překročena mezní teplota, při níž dochází k teplotní degradaci matrice. Břit řezného nástroje musí být proto ostrý, s hladkým povrchem s nízkým koeficientem tření, aby v místě řezu nedocházelo k nežádoucímu zvýšení teploty. Teplo z místa řezu se odvádí především nástrojem, a také proto jsou výhodnější nástroje zhotovené ze slinutého karbidu pro jeho vyšší tepelnou vodivost proti rychlořezné oceli. Oddělený materiál má drobivý charakter a nikoli tvar třísky, proto musí mít nástroje dostatečné třískové mezery, aby nedocházelo k městnání odděleného materiálu v pracovní zóně, které by mohlo rovněž její teplotu zvýšit. Je žádoucí, aby složka řezné síly působící kolmo na jednotlivé vrstvy kompozitu nezpůsobila separaci těchto vrstev, tzv. delaminaci, která je spolu s vylamováním vláken nejčastějším typem poškození. U kompozit s dlouhými, jednosměrně orientovanými vlákny je vhodné zvážit směr působení řezné síly s ohledem na orientaci vláken tak, aby eventuálně vzniklá porucha směrovala do míst, která budou odstraněna dalším opracováním. Dominantním způsobem opotřebení řezných nástrojů je abraze, daná vysokou tvrdostí vláken; teplotní zatížení nástroje iniciuje oxidační a difuzní mechanismy opotřebení, zatímco vliv adheze je zanedbatelný (nejedná- li se o materiál plátovaný např. Ti nebo Al slitinami). NÁSTROJE Na vlastnosti řezných nástrojů má rozhodující vliv použitý řezný materiál, kterým je buď armovaný PCD nebo povlakovaný jemnozrnný karbidový substrát; vzhledem ke způsobu opotřebení a požadavku na životnost nástroje a ostrou hranu se využívá především povlaků diamantových. CemeCon nabízí hladké vícevrstvé CVD diamantové povlaky z rodiny CCDia, u nichž se střídají vrstvy nano a mikrokrystalické, čímž vytvářejí optimální vlastnosti povlaku. Iscar má v nabídce řezný materiál s diamantovým povlakem Iscar 107, určený k opracování kompozitů a plátovaných materiálů typu kompozit/titan. Oerlikon Balzers nabízí pro opracování kompozitů a plátovaných materiálů nanokrystalický povlak Balinit® Diamond Plus, s tloušťkou 6–12 μm, který nezhoršuje ostrost břitu a má nejen hladký povrch, ale odolává abrazivnímu i adheznímu opotřebení. K obrábění kompozitů dodává Sandvik Coromant řezný materiál N20C, tvořený jemnozrnným karbidem s diamantovým povlakem. Vrtání představuje nejrozšířenější operaci při opracování kompozitů – jenom na moderním dopravním letadle je nutno do kompozitových dílců vrtat 1,5–2,0 mil. otvorů pro nýty! Při vrtání kompozitů lze dosáhnout přesností H7–H8; problematický je zejména výstup nástroje z mate riálu, kde příliš velká axiální složka řezné síly způsobuje delaminaci povrchových vrstev. Řešením je speciální úprava ostří s úhlem špičky jen 90–100°, úhel čela 15–20°, dostatečně velký úhel hřbetu zabraňující vzniku tepla jeho třením o opracovaný materiál, zkrácení příčného ostří, stupňovité provedení špičky nebo vybavení vrtáku řeznými hroty na vnějším průměru nástroje – viz vrtáky Coromant CoroDrill 854, 855 a 856 (obr. 2), PCD vrtáky CoroDrill 839V, vrtáky Walter Titex a další. Dle velikosti dílce a přístupnosti otvorů se k jejich zhotovení používají rozměrná obráběcí centra, roboty s vrtací hlavicí nebo se otvory musí zhotovovat i ručně (obr. 3). Nelze-li použít vhodná vrtací pouzdra, musí mít vrták vlastní středicí prvky, např. ruční vrtáky Coromant 452. Pokud se vrtá materiál plátovaný kovovou fólií, je nutno zamezit, aby kovové třísky nepoškodily povrch otvoru. Frézování kompozitů se rovněž vyznačuje několika specifickými aspekty. Na rozdíl od opracování kovů se při jejich obrábění doporučuje dávat přednost frézování nesouslednému, kdy se zub frézy pohybuje proti směru posuvu. Při tomto způsobu práce se možná trhlina iniciuje ve směru obrábění a do míst, která dosud nejsou obrobena (při sousledném frézování zub, vnikající do materiálu, iniciuje trhlinu kolmo na směr posuvu, a ta zůstává v povrchu i po obrobení). Dále se při sousledném frézování odebraný materiál městná při obrobeném povrchu, dochází k nežádoucímu zvýšení tlaku na obrobenou plochu a může dojít k problémům s nedostatečnou velikostí prostoru pro třísky – u nesousledného frézování tyto problémy odpadají. Konečně při nesousledném frézování nedochází k maximální teplotě na břitu při výběhu nástroje ze záběru na opracovaném povrchu, ale na povrchu dosud neopracovaném (obr. 4). Dalším problémem, zejména při frézování obvodovém, jsou axiální síly, podporující separaci povrchových vrstev. Proto se doporučuje používat tzv. kompresních fréz, jejichž zuby jsou uspořádány ve šroubovicích opačného směru; tak lze docílit toho, že při práci jsou oba vnější povrchy axiální složkou řezné síly stlačovány k sobě a nebezpečí separace vrstev nehrozí. Představitelem těchto nástrojů jsou frézy CoroMill Plura S215 nebo frézy vyráběné americkou společností LMT Onsrud LP. Ing. Petr Borovan
