Obrábění titanových dílů

Titanové prvky nacházejí v současné době díky svým vlastnostem uplatnění v řadě oblastí, např. v medicínských aplikací, nebo v leteckém a kosmickém průmyslu. Jejich obrábění patří však k poměrně náročným procesům, vyžadujícím špičkové nástroje. To sebou 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 utvařeči.
Atraktivní materiál s problematickým zpracováním
K vlastnostem, které činí titan atraktivním pro konstruktéry patří zejména výjimečné mechanické vlastnosti, vysoká pevnost v poměru k měrné hmotnosti, chemická odolnost a odolnost proti korozi a malá tepelná roztažnost. Ty se uplatňují i v podobě slitin s obsahem titanu. V leteckém průmyslu je nejpoužívanější titan 6AL-4V.
Slitiny titanu však mají kromě svých pozoruhodných mechanických a chemických vlastností i své nectnosti. Zjednodušeně řečeno, chovají se jako špatně obrobitelné nerez oceli, ale s ještě větší houževnatostí. Protože titan na rozdíl od oceli s karbidy chemicky nereaguje, nástroje pro jeho obrábění není většinou potřeba povlakovat a na nástroji lze zachovat ostrou řeznou hranu (pro povlakování se doporučuje použít metodu PVD, která zachovává ostřejší hranu než CVD), nicméně titan a jeho slitiny vykazují více problematický průběh obrábění. Při jejich obrábění vznikají podstatně větší řezné síly než při odpovídající aplikaci obrábění ocelí ekvivalentní tvrdosti. Navíc patří titan mezi tzv. zpevňující materiály, což znamená, že povrchová vrstva obrobené části vykazuje větší tvrdost než původní materiál. Při jeho opracování je proto potřeba používat pozitivnější geometrii než při obrábění ocelí. Vyšší řezný odpor znamená také podstatně vyšší tepelné namáhání nástroje a v důsledku nižší tepelné vodivosti titanu si i samotné třísky déle udržují teplo a tím je nástroj ještě více namáhán.
Při delší době nástroje v záběru se generuje vysoká teplota, a vzhledem k vysokým řezným silám a teplotě dochází ke kráterovým výmolům podél břitu, vylamováním  a tím k rychlému opotřebení nástroje. Jak břit vniká do materiálu řezné tlaky pulzují a břit opouští řeznou zónu, což může vést k rezonanci a vibracím. Hrozí riziko přeobrobení již oddělené třísky. Problémům s přehříváním nástroje a špatným odvodem třísek vedou k nutnosti snížení řezných parametrů a tím prudce klesá produktivita.
Podstatně vyšší modul elastičnosti titanu v porovnání s ocelí v kombinaci s vyšším řezným odporem se také zvyšuje nežádoucí vlastnost, kdy dochází k odtlačování obrobku od nástroje a tenkostěnné profily mají při obrábění tendenci se bortit a vibrovat, což se může odrazit v rozměrové přesnosti a obecně přináší problémy při obrábění a klade vysoké nároky na nástroje. Klíčem řešení situace je absolutně tuhý stroj, co možná nejpevnější upnutí obrobku a optimálně pozitivní geometrie řezného nástroje.
Řešení nabízí trochoidní obrábění
Osvědčeným způsobem, jak na efektivní obrábění titanu, je podle expertů firmy Iscar trochoidní, neboli spirálovité frézování. Použitím tohoto způsobu frézování drážek monolitní karbidovou frézou či čelní válcovou frézou s výměnnými břitovými destičkami lze většinu zmiňovaných negativních vlivů eliminovat. Při trochoidním frézování je dráha nástroje programována v kruhových drahách s přísuvem vpřed do záběru s každým cyklem. Průměr nástroje je menší než nominální šířka drážky. V záběru je vždy jen malá část nástroje a tím vzniká dostatek místa pro odchod třísek a podstatně se snižuje také tepelné namáhání nástroje. 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 použití této metody lze použít frézy s větším počtem zubů a tím dosáhnout vyšší minutový posuv.
Praktické výsledky při použití nástroje CHATTERFREE ukazují, že trochoidní frézování umožňuje výrazně zvýšit produktivitu a snížit náklady. V běžné praxi při obrábění drážky do plna činí posuv 20 % běžného posuvu při bočním frézování. Trochoidní frézování drážky umožní použít posuv až 80 % běžného bočního frézování. Iscar doporučuje pro tento způsob používat sousledné frézování a nabízí i nástroje vhodné pro tuto technologii:
Jde o stopkové frézy CHATTERFREE nebo nástroje řady HELIDO, HELIMILL s výměnnými destičkami. Monolitní karbidové frézy CHATTERFREE s variabilní zubovou roztečí, které jsou s ohledem na svoji konstrukci výhodným nástrojem pro zhotovování drážek a kapes (nejen) trochoidním způsobem frézování. Nástroje vynikají vysokým stupněm odolnosti vůči vibracím a dlouhou životností. Čtyř a 5břitými frézami lze na strojích s ISO40/BT40 drážkovat bez problému do hloubky 2×D do plna. Jakost karbidu IC900 s povlakem PVD TiAlN zaručuje dokonalou kombinaci mechanických vlastností pro tento způsob frézování. Alternativní způsob této aplikace lze provádět čelními válcovými frézami s vyměnitelnými destičkami, kde navíc díky řezné hraně rozdělené do segmentů z jednotlivých destiček dochází k nižšímu přenosu tepla do nástroje.
Vzhledem k tomu, že donedávna měly některé konvenční programovací softwary dosud s trochoidním frézováním problém, a programátor musel v takových případech manuálně programovat kompletní cestu nástroje (program se nedá vizuálně zkontrolovat jinak než při běhu na stroji), byl zatím tento způsob málo používán. Vývojáři CAM softwaru však již pro zkrácení a zjednodušení tohoto procesu přidali trochoidní frézování jako jednu ze sekcí CNC programování. Tak lze nyní už celý program i graficky předem simulovat a zkontrolovat. 

 

Publikováno: 24. 8. 2012 | Počet zobrazení: 7481 730