Speciális szerszámok kompozitanyagok megmunkálásához

A nagyméretű szerkezetek gyártóinak gyakran tömegcsökkentésre van szüksége, így a kompozit anyagok népszerűsége egyre növekszik. A legfontosabb elemek közé tartoznak a repülőgépvázak, turbinalapátok, Forma-1-es monocoque kabinok, illetve mostanában egyre gyakrabban utcai autók alkatrészei is. A Jaguar F-Type sportautó esetében például szénszálas anyagból készül a tükrök burkolata, a motorháztető légbeömlői, illetve az egyik variáns karbonszálas tetővel is kapható.

A kompozitmegmunkáló megoldásokat az űriparban használják a leggyakrabban

A szénszálas megoldások terjedésének köszönhetően új megmunkálási technológiák jöttek létre. A megmunkálási és befogási módok, valamint a vágóeszközök tervezése kifinomultabbá vált, ám a legfontosabb területnek a vágóeszközök számítanak, ahol a szerszámkészítő vállalatok újabb technológiákkal igyekeznek leküzdeni a fémektől meglehetősen különbözően viselkedő kompozitok megmunkálásával járó kihívásokat. A szálanyagok, illetve gyantarétegek különböző módokon viselkednek, amikor szerszám alá kerülnek.

– A legnagyobb különbség a forgácsképződésben van, amelyet a kompozitok esetében egyáltalán nem tudunk irányítani, mivel az anyag szilánkosan roncsolódik – ismertette Kevin Kerrigan, a Boeing Rotherham közelében található fejlett gyártásfolyamatokat kutató központjának (Advanced Manufacturing Centre – AMRC) kompozitmegmunkálási technológiáért felelős vezetője. A kompozitmegmunkálás során a por jelentős problémát jelent, mivel a vulkanizált epoxi gyantarétegek mikroméretű részecskékké porladnak szét.

A legnagyobb kihívást a szerszámkészítők számára az jelenti, hogy egy olyan geometriát találjanak, amely megfelelően reagál először a forgácsképződéssel, majd a szénszálerősítésű műanyag (FRP), valamint üvegszálerősítéső műanyag (GRP) megmunkálása során bekövetkező roncsolódással. A roncsolódás a két különböző anyag, az epoxi-műanyag és a szálanyag kötésétől függően változik. Mechanikus feszültség esetén ezek a réteget elválhatnak egymástól.

– Az egyik legnagyobb probléma a rétegelválás, mivel számos roncsolási típus létezek, és minden alkalmazás különböző megoldásokat igényel – mondta Kerrigan. – A szerszámkészítőknek olyan terméket kell tervezniük, amely megfelel az adott ügyfél igényeinek – tette hozzá.

A kompozitok megmunkálása gyakran az anyag típusától függően személyre szabott szerszámokat igényel

A megoldást a nagyobb számú forgácsoló él, illetve gyémántbevonatú karbid szerszám adhatja. A gyémántbevonat csökkenti a sorjaképződést az anyag felszínén, és a gyémánt alacsony kopási értékének köszönhetően meghosszabbítja a szerszám élettartamát. A bevonat típusa a felhasználási módtól függ. A nagy példányszámú alkalmazások során, például az űrsiklók alkatrészeinek gyártása esetében számos vállalat gyémántbevonatú kémiai gázfázisú (chemical vapour deposition – CVD) szerszámokat használ. A karbidot azért választják, mivel a gyártása lényegesen olcsóbb, mint a gyémántbevonatú eszközöké.

A leggyorsabban terjedő bevonattípus a polikristályos gyémántbevonat (PCD), amelyet nagy hőmérsékleten szinterezett gyémánt mikrokristályokból állítanak elő. A PCD gyártása olcsóbb, mint a monokristályos gyémántbevonatoké.

Különböző hatások elérése érdekében a gyártók folyamatosan kísérleteznek a PCD-réteg vastagságával a szerszámokon. Az AMRC szakemberei a kristályszerkezetű szén karbiddal való kötésével, illetve az érintkező felület méretének változtatásával kísérleteznek. – Néhány szerszámkészítő a szerszámok költségeinek leszorítása érdekében az érintkező felület minimalizálására törekszik, viszont a szerszám élettartamát pont az ellenkezőjével növelhetjük. Meg kell találnunk a megfelelő egyensúlyt – hangsúlyozta Kerrigan.

A legfőbb kompozitmegmunkálási típusok a fúrás, illetve az élforgácsolás. Mindkettő különböző kihívásokat rejt. Minden attól függ, hogy milyen az anyag összetétele és kötése, valamint milyen irányból közelíti meg a szerszám a munkadarabot.

A kompozitok fúrásánál a szerszám iránya rendkívül nagy hatása van az okozott roncsolódásra. – A vízszintesen felvitt rétegek miatt a szerszám kialakítását, illetve a folyamat paraméteret úgy kell meghatározni, hogy amikor a szerszám áthatol a felületen, a rétegek ne váljanak szét, illetve ne váljon le a szálanyag vagy az epoxi – figyelmeztetett Kerrigan.

Gyakori probléma, hogy amikor a szerszám eléri a legalsó réteget, átszakítja, majd leválasztja azt az anyag többi részétől, illetve nagy mennyiségű szálanyagot húz magával. A mérnökök mindezt azzal küszöbölhetik ki, hogy alátámasztják a munkadarabot, illetve az egész alkatrészt belehelyezik a gépbe.

Számos kutatás készült a fúrási szög és sebesség, valamint a furat minősége közti összefüggésről – vizsgálva a rétegleválást, kirojtosodást és sorjaképződést. A szerszámkészítő vállalatok intelligens megoldásokat kínálnak a problémák leküzdéséhez.

Az Exactaform, egy független, gyémántbevonatú szerszámokat gyártó vállalat egyik fejlesztése az úgynevezett „one-shot“, azaz „egylövetű“ szerszám. – A lényege, hogy egy szerszám végez el egyetlen nagysebességű fúrást, így nincs szükség a hagyományos megmunkálás során alkalmazott nagyolásra és simításra – mondta Jamie White, a vállalat technikai mérnöke. A szerszámok ára magas lehet, ám nagy volumenű gyártás esetén a költségeket kompenzálja, sőt csökkentheti a fokozott termelékenység, valamint a kevesebb szerszámcsere.

Kettős spirálú marószerszámok a kompozitok szétválása ellen

– A PCD szerszámmal történő one-shot hornyolás jelentheti a jövőt a kompozitalapú anyagok megmunkálása során tapasztalható kihívások leküzdésében, valamint a termelékenység növelésében, aminek köszönhetően tartani tudjuk a megrendelések teljesítését – emelte ki White.

Az élforgácsolás gyakran ugyanazon a felületen történik, ahol a különböző lemezek érintkeznek, ami szintén problémát okoz. Az élforgácsolás különleges elvárásai számos innovációhoz vezettek a tervezés területén. Az általános szabály, hogy a nagyobb számú forgácsolt felület kompenzálja a kompozit anyag szilánkos roncsolódását. A KOMET erre felhasználásra kifejlesztett egy gyémánt nanokristály (NCD) és HSC NCD bevonatú többfogú kompozit marószerszámot.

Az OSG élező marószerszáma a DIA-HBC4. A hagyományos szerszámokhoz hasonlóan ennek is két csavarvonala van. Egy mély csavarvonal, valamint egy második, sekélyebb vonal, amely ellentétes irányba halad a csavarszárban. – A két csavarvonal segít nyomon követni a forgácsképződés folyamatát, a sok apró fog pedig segít megelőzni az anyag szétválását, amely az anyag alakváltozási sebességétől függ – mondta Kerrigan.

A szénszálas anyagok alakváltozási sebessége nagyobb, mint a fémeké, így a folyamat függ a szerszám érintkezési szögétől. A szögtől függően a szénszálas anyag meghajolhat, majd el is törhet.

Bár a több forgácsoló él segíthet – az Exactaform kínálatában találunk egy 12 hornyú szerszámot, illetve több vállalat is dolgozik 16 élű eszközökön– a kihívást az jelenti, hogy miként integrálják az éleket a szerszámgeometriába, ahol jelenleg az optimális kialakítást a 12 él jelenti – tette hozzá a szakember.

A szerszámkészítés terén egy másik innováció a gyémánt-hordozó (diamond-to-substrate) kötési folyamat. A Seco Tools tömör karbid marói és fúrói hat százalékban kobaltot, valamint DURA bevonatot tartalmaznak. A magas szemcsehatár-mennyiség aránynak köszönhetően a bevonat felhasználási módtól függően számos különböző vastagságban használható. A Seco szerint a „gyémánt és a hordozóanyag kötése mindig problémát jelent részben a maró viszonylag éles élei, nagyobb részben pedig a kobalt mint kötőanyag jelenléte miatt“.

Így mielőtt felvinnék a DURA-bevonatot, egy úgynevezett mélymosási folyamat segítségével csökkentik a kobalt mennyiségét a felszínen. Mindez érdesebb felületet eredményez, aminek köszönhetően a gyémántbevonat mélyebb lehet, valamint javul a hordozóanyaggal létrejött kötés minősége is.

A DMG Mori ultrahangos megmunkálási megoldásokat kínál

A kompozitokkal kapcsolatos további kihívás a szerszáméltartam növelése. Az olyan vállalatok, mint az Exactaform folyamatai között szerepel a PCD-bevonatú szerszámok újrabevonása. Egy másik lehetőség a PCD-szerszám újracsiszolása és a geometria újbóli kialakítása. Az újracsiszolható PCD-szerszámok jelentős megtakarításokat jelentenek az ügyfeleknek.

Az olyan nagyvállalatok, mint a Boeing, az Airbus vagy a BAE Systems estetében a szerszámozási költségek akár a gyártási folyamatok költségeinek 50 százalékát is kitehetik. Bármilyen jellegű költségcsökkentés jelentős hatással lehet az összköltségekre, és ez az a terület, ahol a PCD dominál a CVD felett.

A jobb szerszámkialakítás mellett, nagy volumenű kompozitmegmunkálás esetében lassú előtolási sebességgel kell számolni. Az ultrahangos megmunkálási folyamatok a szerszám normál mozgása és előtolása mellett 10 mikronos amplitúdójú fel-le mozgást tesz lehetővé több mint 20 000 Hz-en. Trimmelés során a szerszám forgása közben 10 mikronos sebességű mozgásra képes függőleges irányban. A DMG Mori szerint az ultrahangos technológia húszszor jobb előtolási sebességet tesz lehetővé. Az AMRC modellezésén látszik, hogy mindez jelentősen mérsékeli a munkadarabra kifejtett erőt.

Nagy a verseny tehát az újrabevonatolható, illetve újracsiszolható, többélű, olykor ultrahangos technológiát alkalmazó gyémántbevonatú szerszámok tökéletesítésében, hogy az alkatrészgyártók tartani tudják az OEM-ek megrendeléseit.

Via theengineer.co.uk