V roce 2009 firma Aero Vodochody (nyní Aero Vodochody Aerospace – dále jen AVA) podepsala „risk sharingový“ kontrakt s belgickou firmou Sonaca. AVA se mělo podílet na vývoji a výrobě pevné náběžné hrany křídla letounu Bombardier Cseries. Na tento projekt byla částečně poskytnuta účelová podpora programového projektu výzkumu a vývoje TIP od Ministerstva průmyslu a obchodu ČR – projekt č. FR-TI1/291 „Pevná náběžná hrana kompozitního křídla letounu CS-110“.
S vývojem tohoto letounu jsou spojeny nové trendy a technologie v leteckém průmyslu, a právě na jednu z nich se zaměříme v našem článku. Konkrétně na problematiku vrtání metalicko-kompozitních struktur. Základní strukturu náběžné hrany tvoří masivní 16,5 m dlouhý uhlíkový kompozitní nosník typu CFRP (Carbon-fiber-reinforced polymer) o síle 13 mm, obráběná a tvářená žebra ze slitin hliníku, hliníkové profily a nakonec i titanové motorové závěsy. Vzhledem k faktu, že se jedná o jeden z hlavních nosníků křídla, jsou požadavky zákazníka velmi přísné. Pro plnou kvalifikaci musí dodavatel splnit řadu podmínek. Jednou z nich je i splnění hodnot stability a opakovatelnosti procesu. Tyto hodnoty jsou vyčísleny v indexech Cp a Cpk. Požadované minimální hodnoty jsou Cp-1,66 a Cpk-1,33, což se rovná Sigma 4. K dosažení těchto hodnot musí být otvor ve všech vrstvách složeného vzorku v tolerančním rozmezí +/–0,01 mm. Technická norma zákazníka udává povinnost měřit každou vrtanou vrstvu po obvodu otvoru na vstupu a výstupu a uvádět naměřené hodnoty max./min. Ke zjištění hodnot max./ /min. po obvodu otvoru bylo nezbytné zajistit odpovídající měřicí techniku. Výběr nakonec padl na dvoubodové kuličkové dutinoměry k měření ovality. Pro představu, při měření složeného vzorku ze tří vrstev Al/CFRP/Al je nutné provést 6 měření (3krát vstup, 3krát výstup) a zaznamenat 12 údajů (6krát max., 6krát min. hodnotu). Kvalifikační vzorek reprezentuje řadu 30 otvorů, což znamená 360 záznamů, kde finální tolerance ve všech vrstvách nesmí přesáhnout hranici +/– 0,01 mm. Poměrně dost náročný úkol. Nejen z důvodů zmíněných požadavků jakosti, ale i výrobního taktu, bylo nutné najít řešení, jež splní všechny tyto podmínky. Samozřejmě bylo nutné řešit i přístupnost ke všem aplikacím, což se na konci ukázalo jako jeden z největších problémů z důvodu členitosti vrtacího přípravku. Samozřejmě AVA není první firmou vyrábějící podobné celky, proto se řešení konzultovalo s partnery i zákazníkem a jako finální byl výběr takzvaných automatických vrtacích jednotek. Tyto vrtací jednotky fungují na principu strojního obrábění, ale nabízejí mobilitu ručního nářadí. Jediné co operátor musí provést je, jednotku zamknout do vrtacího pouzdra a spustit. O vše ostatní se postará stroj, který má fixně nastaveny otáčky, posuv, ale i vrtací zdvih. Všechny tyto parametry nám umožňují kontrolovat vrtací proces. Velmi náročným se ukázalo hledání optimálních vrtacích podmínek. Jednalo se o desítky až stovky testů, které vedly k úpravám řezných rychlostí, ale i geometrie nástrojů tak, aby nedocházelo k poškození kompozitního nosníku. K nejčastějším poškozením můžeme zařadit povrchovou delaminaci (odtržení vrstvy od matrice, zpravidla několika posledních vrstev), třepení (nepřeřízlá vlákna při vrtání), vypálení otvorů (k tomuto jevu dochází hlavně při vrtání současně s titanem), vytržená vlákna (problém ovlivňující drsnost povrchu otvoru) atd. CFRP je vysoce abrazivní typ materiálu. Brusné opotřebení nástrojů je tedy velmi vysoké. Z těchto důvodů přicházely v úvahu pouze karbidové, povlakované či diamantové nástroje. Povlakované nástroje byly z výběru později vyřazeny jako nevhodné na základě provedených vrtacích testů. Obráběcí nástroje jsou tedy kombinací karbidových a diamantových PKD nástrojů. Ke splnění jakosti otvorů bylo třeba zajistit vnitřní chlazení nástroje (tzv. chladicí mlhou) a vyřešit problematiku odvodu duralových či titanových špon skrz kompozitní vrstvu. Tento problém byl z části vyřešen instalací tzv. mikropříklepu na vrtací jednotku. Systém příklepu „drtí“ šponu tak, aby otvorem procházely pouze malé částečky o velikosti pár milimetrů. Rapidně se tím omezuje riziko vnitřního poškození otvoru. Navíc jsou tyto částečky velmi často odsáty spolu s kompozitním prachem pomocí průmyslových vysavačů během vrtání. Další novinkou je i programovatelná elektropneumatická vrtací jednotka, kde je možné v závislosti na typu materiálu volit odlišné řezné podmínky. Tento způsob vrtání přináší až 70% úsporu času v závislosti na tloušťce vrstev. Lze tedy volit rozdílné hodnoty pro titan, kompozit i dural při vrtání jednoho otvoru. Tuto technologii využíváme pouze u otvorů o průměru nad 10 mm. Tento nástroj byl nenahraditelnou pomůckou při vrtacích testech i z hlediska analýzy sil vznikajících při vrtání jednotlivých materiálů. Hodnoty odporu nástroje při vrtání v závislosti na otáčkách a typu nástroje nám pomohly optimalizovat vrtací proces, najít nejvhodnější geometrii či pozorovat opotřebení nástroje. Veškeré detailní technické know how, které bylo během tohoto vývoje dosaženo, je duševním vlastnictvím firmy Aero Vodochody Aerospace. Na vývoji procesu se podílely zahraniční i tuzemské firmy a v oblasti laboratorních analýz či optimalizace obrábění proběhla spolupráce s českými univerzitami.
Josef Novotný a Václav Nekvasil Aero Vodochody Aerospace a. s.