Výrazně 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.
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
nástroje v záběru se generuje vysoká teplota.
Řezné tlaky pulzují tak, jak břit vniká do
řezné zóny a opouští ji, což 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 se doporučuje
používat sousledné frézování.
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, jak
produktivní aplikace bude.
DALŠÍ PROVOZNÍ BENEFIT
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 vizuál
ně 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.
DALŠÍ APLIKACE
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
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:
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.
UPÍNACÍ NÁŘADÍ
PROBLÉM NEVYVÁŽENOSTI
Částmi, které podstatně rozhodují o výkonnosti
HSM, jsou: vřeteno, vodicí plochy,
motor pohonu, upínací nářadí a řezné nástroje.
Vřeteno je patrně nejkritičtě__________jší 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 kuželu
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
tepelné roztažnosti dutiny integrálních ER
kleštin a lze jej 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.
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.
ZÁVĚR
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.