Obtížně obrobitelné materiály jsou definovány jako technické materiály s výrazně nižší obrobitelností ve srovnání s běžnými materiály. Tyto materiály jsou často označovány jako "těžkoobrobitelné" nebo "obtížně obrobitelné". Je důležité poznamenat, že vysoká tvrdost není jedinou vlastností, která činí tyto materiály problematickými z hlediska jejich obrábění, protože k obtížím při jejich obrábění přispívá několik dalších faktorů.
V podstatě každé průmyslové odvětví musí tak či onak s těmito materiály pracovat. Hlavním „odběratelem“ těchto materiálů je však letecký průmysl. Právě v tomto odvětví – ať už při výrobě turbínových motorů, součástí podvozku nebo prvků draku letadla – našly obtížně obrobitelné materiály největší uplatnění. V leteckém průmyslu jsou klíčovými požadovanými vlastnostmi materiálů příznivý poměr pevnosti a hmotnosti, únavová životnost a odolnost vůči korozi a vysokým teplotám. Materiály vykazující tyto vlastnosti se obtížně obrábějí, což představuje vážnou výzvu pro výrobu.
Když mluvíme o takovýchto těžko obrobitelných materiálech, jedná se zejména o následující materiály:
• vysoce legované vysokopevnostní oceli
• slitiny titanu
• vysokoteplotní superslitiny
• kompozitní materiály
Vysokopevnostní oceli – používají se při výrobě dílů, které bývají vystaveny extrémnímu mechanickému zatížení, jako je například podvozek. Kromě toho se jedná o primární materiál pro různé spojovací prvky.
Slitiny titanu – díky svému vynikajícímu poměru pevnosti a hmotnosti, vysoké odolnosti proti korozi a tečení se staly preferovaným materiálem pro výrobu hlavních součástí studené části proudového motoru. Tyto slitiny rovněž představují vhodnou alternativu k ocelím a nerezovým ocelím z hlediska úspory hmotnosti.
Vysokoteplotní superslitiny (HTSA) - zachovávají si pevnost v prostředí s vysokou teplotou, čehož se využívá při výrobě součástí horké části proudového motoru.
Kompozity – materiály s velmi příznivou měrnou pevností. Pomáhají snižovat hmotnost letadla a otevírají nové možnosti ve výrobě aerodynamických krytů letounů. Ve vojenském letectví přispívají kompozity ke snížení viditelnosti letounů na radarových systémech (technologie stealth).
Obrábění těchto materiálů představuje dlouho řadu problémů, a to z mnoha důvodů. Hlavní jsou následující:
- Vysoká pevnost materiálu má za následek značné řezné síly, které zvyšují mechanické zatížení řezného nástroje.
- Intenzivní produkce tepla a nízká tepelná vodivost materiálu (například při obrábění titanových slitin) způsobují špatný odvod tepla z místa řezu. To vede k rostoucímu tepelnému zatížení nástroje a zvyšuje riziko vzniku nárůstku na řezné hraně.
- Zpevňování materiálu během obrábění (hlavně HTSA).
- Zpevňování materiálu během obrábění (hlavně HTSA).
- Vysoká abrazivnost obráběného materiálu (kompozity).
Kromě toho mají na obrobitelnost vliv i další specifické vlastnosti materiálu. Například „pružnost“ titanových slitin přispívá ke vzniku vibrací, což zhoršuje přesnost obrábění a kvalitu povrchu. Vnitřní struktura kompozitů je spojena s delaminací materiálu při obrábění.
Všechny uvedené aspekty urychlují opotřebení nástroje a snižují jeho životnost. Trendy v leteckém průmyslu zřetelně ukazují na zvýšenou poptávku po pevnějších, a tedy obtížněji obrobitelných materiálů. To se projevuje zaváděním nových slitin s vyšší pevností a tepelnou odolností, širokým uplatněním kompozitů a využíváním materiálů s hybridní strukturou (kov-kompozit). Aby bylo možné tyto nové materiály využívat, zavádí kovozpracující průmysl nové řezné strategie založené na působivých schopnostech moderních CNC strojů a CAM systémů. Posledním článkem celého obráběcího řetězce, který je během operace v přímém kontaktu s materiálem, je však řezný nástroj. Tento článek je nejvíce „konzervativní“ částí řetězce a jeho vývoj je pomalý, což často brání plnému využití možností moderních strojů. Špatná obrobitelnost materiálů vede často k použití nízkých řezných parametrů, což vede k nízké produktivitě a zvýšeným nákladům na obrábění. Je pochopitelné, že každý, i malý krok vpřed v oblasti vývoje nástrojů může vést k výraznému zlepšení obrábění těchto „nepříjemných“ materiálů. Proto kovozpracující průmysl vítá nejnovější pokroky v oblasti vývoje řezných nástrojů a doufá, že povedou k radikální změně situace.
Jaké jsou hlavní požadavky na nástroje určené pro efektivní obrábění těžko obrobitelných materiálů pro letecký průmysl? Stručně řečeno, musí být tvrdé, odolné a přesné, aby umožnily produktivní obrábění a zároveň zajistily předvídatelnou a stabilní prodlouženou životnost nástroje a požadovanou úroveň přesnosti. Splnění těchto požadavků však vyžaduje značné úsilí a dosažení i malého zlepšení v tomto směru naráží na velké problémy. Každý nový pokrok je vykoupen dlouhou a náročnou prací v oblasti výzkumu a vývoje a dále také rozsáhlé testování.
Vývoj nástrojů se zaměřuje na následující oblasti:
1. třídy řezného materiálu
2. konstrukce nástroje
3. 3D model nástroje
U řezných materiálů se klade důraz na zvýšení tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a pevnosti při vysokých teplotách. Toho se dosahuje zaváděním nových povlaků, zejména na bázi nanotechnologií, a využíváním mimořádně tvrdých řezných materiálů, jako je kubický nitrid bóru (CBN) a keramika.
Při konstrukci nástrojů se vývojáři zaměřují na optimalizaci makro a mikro geometrie břitu a úpravu řezné hrany. Počítačové modelování v kombinaci s působivými možnostmi aditivní výroby (AM) poskytuje zcela nové možnosti designu nástrojů, např. tvaru drážek pro odvod třísek, tvaru a umístění kanálků pro vnitřní přívod chladící kapaliny apod., což přispívá ke zvýšení výkonu nástroje. Klíčovou oblastí je zvýšení odolnosti nástroje proti vibracím prostřednictvím pokročilé řezné geometrie, zvýšením tuhosti konstrukce nástroje a použitím držáků tlumících vibrace.
3D model nástroje zahrnuje digitální dvojče a použití různých softwarových produktů, které umožňují simulaci obrábění, výběr řezných dat, odhad životnosti nástroje a nezbytné výpočty, jako je zjištění výkonu obrábění a řezných sil. ISCAR očekává, že tato komponenta bude kompatibilní se standardy pro výměnu dat, aby splňovala požadavky inteligentní výroby. Uvedené trendy se jasně projevují ve vývoji nových nástrojů společnosti ISCAR – jednoho z lídrů v oblasti výroby nástrojů – představených v rámci nejnovější kampaně LOGIQUICK.
ISCAR představil dvě nové třídy karbidů s PVD povlakem: IC1017, který byl vyvinut pro soustružení HTSA na bázi Ni a IC716, který je určen pro vysoce výkonné frézování titanových slitin. Sortiment monolitních karbidových fréz s nepravidelnou zubovou roztečí pro tlumení vibrací byl rozšířen o moderní nástroje vyrobené z bronzově zbarvené karbidové třídy IC608, která je první volbou pro obrábění materiálů skupiny ISO S (obrábění superslitin a titanu). Další třída karbidu, IC5600, byla vyvinuta inženýry výzkumu a vývoje společnosti ISCAR pro frézování oceli (skupina ISO P). Kombinace submikronového substrátu, CVD povlaku a následné úpravy povlaku má za cíl zvýšit odolnost proti abrazivnímu opotřebení a tepelnému zatížení a zvýšit řeznou rychlost, zejména při obrábění vysokopevnostních ocelí.
CERMILL, nová řada fréz s jednostrannými vyměnitelnými kruhovými destičkami (obr. 1), je zajímavá ze dvou hledisek. Za prvé, tato řada nástrojů využívá důmyslný mechanismus pro velmi tuhé upnutí destiček. Tento mechanismus umožňuje zvýšit počet zubů nástroje ve srovnání s typickou konstrukcí podobných nástrojů stejného průměru. Navíc umožňuje jednoduché pootáčení a výměnu břitové destičky bez nutnosti vyjmutí frézy z držáku nástroje. Za druhé, destičky jsou vyráběny z keramických tříd řezného materiálu, které byly speciálně vyvinuty pro obrábění HTSA.
Společnost ISCAR rozšířila svou řadu antivibračních tyčí. Soustružnická řada nyní zahrnuje vibrace tlumící vyvrtávací tyče pro hloubky obrábění 12 D a 14 D (obr. 2). Frézovací řada navíc obsahuje antivibrační stopky pro upnutí nástrojů řady MULTI-MASTER.
QUICK-X-FLUTE je řada fréz s rozšířenou drážkou, která byla vyvinuta pro obrábění s vysokým úběrem materiálu (MRR) při hrubování náročných materiálů, jako jsou HTSA a titan (ISO S), austenitická a duplexní nerezová ocel (ISO M) a ocel (ISO P). Tyto frézy jsou osazeny cenově výhodnými oboustrannými čtvercovými destičkami, které poskytují 8 řezných hran. Klíčovým aspektem konstrukce frézy je optimalizovaná geometrie drážek (obr. 3), která zajišťuje rovnováhu mezi tuhostí frézy a nutností efektivního odchodu třísek při obrábění s vysokým úběrem materiálu MRR. Frézy QUICK-X-FLUTE mají také vnitřní přívod chladicí kapaliny. Chladící kapalina o vysokém tlaku je přiváděna přímo do místa řezu vyměnitelnými tryskami a vývody na čele nástroje. To zlepšuje chladicí a mazací účinek a přispívá k optimální tvorbě a odchodu třísek z místa řezu.
Efektivní přívod chladicí kapaliny se stal jedním z hlavních důležitých parametrů při konstrukci současných nástrojů. V řadě miniaturních soustružnických celokarbidových nožů PICCO představila společnost ISCAR nové nože s vnitřními kanálky pro přívod chladicí kapaliny (obr. 4). V oblasti výroby otvorů společnost představila nové monolitní tříbřité vrtáky pro obrábění otvorů s plochým dnem, které jsou vybaveny třemi výstupy chladicí kapaliny. V oblasti upínání nástrojů patří mezi nejnovější přírůstky držáky s kanálky pro chladicí kapalinu směřovanou do řezu podél mininože. Kromě toho u klasické řady vyměnitelných fréz ISCAR HELIMILL vylepšili inženýři výzkumu a vývoje společnosti konstrukci tak, že pomocí softwaru počítačové dynamiky tekutin (CFD) maximalizovali průtok s minimálními tlakovými ztrátami.
Vylepšení se dočkal také systém NEOITA, který je jednou z důležitých softwarových aplikací společnosti ISCAR. NEOITA, expertní systém, který doporučuje optimální nástrojové řešení a předpovídá životnost nástroje pro konkrétní aplikaci, nyní obsahuje nové funkce. Jednou z nich je vyhledávání informací pomocí umělé inteligence, speciálně navržené pro vyhledávání podrobných údajů o materiálech obrobků, včetně jejich metalurgického složení a běžného použití.
Zvýšení výkonu při obrábění obtížně obrobitelných materiálů pro letecký průmysl je komplexní výzvou. Výrobci nástrojů se ji snaží řešit neustálým zdokonalováním svých výrobků a přicházejí s řešeními, která umožňují zvyšování produktivity obrábění. Ačkoli nedošlo k žádnému radikálnímu průlomu, nedávný vývoj naznačuje stálý evoluční pokrok v této oblasti.
