Nowa definicja wydajności frezowania materiałów kompozytowych
Sandvik CoromantMateriały kompozytowe rewolucjonizują przemysł, jednak ich obróbka pozostaje wyzwaniem. Nawet przy zastosowaniu zaawansowanych obrabiarek i systemów sterowania obróbka włókien i żywic nadal stanowi wyzwanie zarówno dla inżynierów, jak i operatorów.
Lekkie kompozyty o wysokiej wytrzymałości, takie jak polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP), zapewniają niezrównane właściwości użytkowe, charakteryzując się wysokim stosunkiem sztywności do masy, odpornością na korozję oraz elastycznością projektowania, co pozwala na wdrażanie strategii zmniejszania masy konstrukcji.
Powiązane firmy
Obszary zastosowań kompozytów
Przemysł lotniczy i kosmiczny pozostaje najbardziej wymagającym obszarem zastosowań kompozytów. Elementy takie jak ramy kadłuba, skrzydła, stateczniki, dźwigary, żebra i belki podłogowe mają kluczowe znaczenie dla integralności strukturalnej i są często obrabiane w warunkach wymagających precyzji podczas produkcji seryjnej. Materiały kompozytowe nadają się szczególnie do tych konstrukcji lotniczych, ponieważ charakteryzują się wysokim stosunkiem sztywności do masy, odpornością na zmęczenie materiałowe oraz możliwością dostosowania właściwości poprzez odpowiednią orientację włókien, co pozwala zapewnić wytrzymałość dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna: są to cechy niezbędne w przypadku lekkich, wysokowydajnych elementów konstrukcji samolotu.
Korzyści odnoszą również inne branże. Producenci samochodów wykorzystują CFRP w celu zmniejszenia masy pojazdów i zwiększenia ich wydajności. Według JEC materiały kompozytowe mają „kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których redukcja masy pozostaje priorytetem w celu poprawy efektywności paliwowej i ograniczenia emisji gazów cieplarnianych”. Stanowią one obecnie około 17% materiałów wykorzystywanych w przemyśle lotniczym oraz 8% materiałów stosowanych w sektorze transportowym. We wszystkich tych sektorach stabilna kontrola procesów i niezawodne wyposażenie przekładają się bezpośrednio na oszczędności kosztów i pewność produkcji.
Wymagająca obróbka materiałów kompozytowych
Obróbka wiórowa znacznie różni się w przypadku kompozytów i metali. Kompozyty łączą w sobie sztywne, ścierne włókna z bardziej miękką matrycą z żywicy, a każda zmiana orientacji włókien wpływa na zachowanie materiału podczas skrawania. Nawet powierzchnia, która wydaje się jednolita, stanowi dla narzędzia środowisko podlegające ciągłym zmianom.
Takie zmienne zachowanie powoduje wady znane producentom materiałów kompozytowych: może dojść do rozwarstwienia, gdy warstwy oddzielają się pod wpływem nadmiernych sił; pojawiają się nieprzecięte lub wyrwane włókna, gdy narzędzie nie jest w stanie precyzyjnie przeciąć wzmocnienia; a jakość powierzchni może stać się nierównomierna, gdy włókna i żywica różnie reagują na wzrost temperatury i ciśnienia. Wszystkie te problemy wynikają z tej samej przyczyny. Materiał nie zachowuje się w sposób powtarzalny, a sposoby jego uszkodzenia są nieprzewidywalne.
Może to mieć znaczący wpływ na produkcję. Wady powodują powstawanie odpadów, konieczność przeprowadzania dodatkowych kontroli, przeróbek oraz mogą powodować zatrzymanie linii produkcyjnych, zwłaszcza w wymagających wysokiej precyzji przemyśle lotniczym i kosmicznym, gdzie niedopuszczalne są jakiekolwiek odchylenia od norm.
Dodatkowym utrudnieniem jest wrażliwość na wysoką temperaturę. Wraz ze wzrostem temperatury żywica mięknie, podczas gdy włókna pozostają sztywne, co zwiększa ryzyko rozwarstwienia lub strzępienia się materiału. Jeśli temperatura podczas obróbki jest zbyt niska, żywica pozostaje krucha, co przyspiesza zużycie narzędzi. Parametry obróbki muszą być precyzyjnie sterowane, jednak w przypadku tradycyjnych narzędzi często trudno jest osiągnąć odpowiednią równowagę. Skutkiem tego jest szybkie zużycie, niepewna trwałość narzędzi oraz obniżona jakość elementów.
Warunkiem niezawodnej obróbki jest zastosowanie narzędzi zaprojektowanych tak, aby stabilizować proces, kontrolować drgania i zarządzać temperaturą. Bez takiego poziomu kontroli obróbka kompozytów pozostaje trudnym i nieprzewidywalnym zadaniem.
Rozwiązanie inżynieryjne
Spełnienie tych wymagań wiąże się z koniecznością zastosowania narzędzia zaprojektowanego nie tylko do skrawania materiału, ale także do kontrolowania sposobu rozdzielania się włókien oraz postępu zużycia w miarę upływu czasu. Frez CoroMill Plura composite 2P350 został zaprojektowany właśnie z myślą o tych celach.
Sercem frezu 2P350 jest oryginalny mechanizm podwójnego skrawania. W odróżnieniu od tradycyjnych frezów trzpieniowych, nie rozrywa on włókien, lecz tnie je w sposób czysty. Mechanizm ten działa na zasadzie nożyc, zbliżając do siebie dwie krawędzie tnące, aby w kontrolowany sposób unieść i ściąć włókna. Jedna krawędź prowadzi włókna, a druga je tnie, co zapewnia stabilność laminatu i zapobiega rozwarstwianiu się. Takie skoordynowane działanie pozwala również wyrównać obciążenie podczas skrawania, co zmniejsza drgania i zapewnia bardziej spójny oraz przewidywalny przebieg obróbki.
Geometria narzędzia została zoptymalizowana pod kątem wysokiej wydajności. Duża objętość rowków wiórowych zapewnia skuteczne odprowadzanie pyłu i luźnych włókien powstających podczas skrawania. Ich szybkie usuwanie zmniejsza ryzyko ponownego przecięcia i pomaga utrzymać stabilność oraz czystość cięcia. Niezależnie od tego, czy chodzi o obróbkę rowków, fazowanie czy obróbkę krawędzi, frez 2P350 pozwala wykonać wszystkie operacje – od obróbki zgrubnej po wykończeniową – w ramach jednej konfiguracji. Niższy poziom drgań i stabilny przebieg skrawania sprawiają również, że w hali produkcyjnej natężenie hałasu jest umiarkowane co zwiększa komfort pracy.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Frez CoroMill Plura composite 2P350 zachowuje stałe właściwości skrawające w szerokim zakresie warunków, co pozwala producentom utrzymać stałą jakość niezależnie od różnic w obrabianych przedmiotach lub uchwytach narzędziowych. Mechanizm kontrolowanego skrawania poprawia wydajność podczas wykonywania skomplikowanych operacji, co ma szczególne znaczenie w produkcji bezobsługowej lub w pełni zautomatyzowanej, podczas której operatorzy nie mogą interweniować. Przewidywalne zachowanie narzędzia oraz mniejsze wibracje zmniejszają ryzyko nagłego zużycia narzędzia, umożliwiając ciągłość produkcji i ograniczając zależność od doświadczenia operatora.
Sandvik CoromantPotencjał O2AD
Jednak sama geometria nie wystarcza w zastosowaniach związanych z materiałami kompozytowymi o właściwościach ściernych. Krawędzie muszą również wytrzymywać ciągłe oddziaływanie włókien wzmacniających, i właśnie w tym kontekście kluczowe znaczenie ma materiał narzędzia, np. gatunek O2AD.
Gatunek O2AD łączy w sobie zaawansowaną inżynierię materiałową z grubą powłoką diamentową o wysokiej przyczepności, naniesioną metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Specjalnie dostosowane podłoże zapewnia optymalne wiązanie między warstwą diamentową a korpusem narzędzia, zapobiegając przedwczesnemu odwarstwianiu się powłoki i wydłużając żywotność narzędzia.
Testy w lokalizacjach klientów i wewnętrzne wykazały, że trwałość narzędzia wzrosła mniej więcej dwukrotnie w porównaniu z poprzednim gatunkiem O12M. W jednym z przypadków z branży lotniczej, dotyczącym elementu skrzydła samolotu obrabianego na sucho z zastosowaniem próżni na 5-osiowej obrabiarce bramowej, gatunek O2AD zapewnił 100-procentowy wzrost trwałości narzędzia w porównaniu z gatunkiem O12M przy tych samych warunkach skrawania. Przewidywalny i stopniowy charakter zużycia daje producentom pewność pozwalającą na zwiększanie parametrów skrawania przy jednoczesnym ograniczeniu ilości odpadów i częstotliwości wymiany narzędzi. Pozwala to na osiągnięcie wymiernych oszczędności dzięki wydłużeniu czasu pracy narzędzia, zmniejszeniu zapasów narzędzi oraz ograniczeniu przestojów.
Dzięki połączeniu wytrzymałości powłoki diamentowej ze stabilnym podłożem gatunek O2AD bezpośrednio odpowiada na główne wyzwania związane z frezowaniem kompozytów. Stała jakość krawędzi skrawającej zapewnia równomierny rozkład sił skrawania, ogranicza drgania i sprawia, że proces obróbki staje się bardziej przewidywalny. Producenci mogą zapewnić czystszą obróbkę, bardziej stabilną trwałość narzędzia oraz bardziej niezawodne wyniki przy obróbce materiałów kompozytowych o właściwościach ściernych.
CoroMill Plura composite 2P350 z gatunkiem O2AD to coś więcej niż tylko narzędzie do frezowania. Rozwiązuje ono problemy związane ze zużyciem ściernym, ryzykiem rozwarstwiania, wrażliwością termiczną i drganiami, umożliwiając jednocześnie powtarzalne uzyskanie wysokiej jakości przedmiotów niezależnie od stopnia złożoności lub zmienności. Od przemysłu lotniczego i kosmicznego po motoryzację, obronność, przemysł kosmiczny i morski – frez 2P350 pomaga producentom zwiększyć wydajność, zapewnić integralność przedmiotu obrabianego oraz kontrolować koszty. Dla producentów stających przed wyzwaniem skrawania materiałów trudnych w obróbce frez CoroMill Plura 2P350 wyznacza nowy standard w dziedzinie niezawodnego i wysokowydajnego frezowania kompozytów.
Patrząc z szerszej perspektywy, postępy te pokazują, jak rozwój geometrii i inżynierii materiałowej zmienia granice możliwości w zakresie obróbki kompozytów. Rozwarstwianie, zmienność układu włókien i wrażliwość na wysoką temperaturę są nieodłączną częścią obróbki tych materiałów, jednak odpowiednie rozwiązania techniczne pozwalają pokonać te przeszkody i zapewnić stabilną oraz przewidywalną pracę.
Autor: Liam Haglington, kierownik ds. produktów w dziale węglikowych frezów trzpieniowych w firmie Sandvik Coromant
