Obráběním hliníku k lehčím a v budoucnosti recyklovatelným součástem

Výrobci automobilů a letadel stojí před velkou transformací. Nové právní předpisy v oblasti životního prostředí a očekávání spotřebitelů dbajících na větší šetrnost k životnímu prostředí tlačí výrobce k tomu, aby se orientovali na nová vozidla s nízkými či nulovými emisemi.
Jednou z odpovědí na výzvy, kterým při obrábění součástí čelí zpracovatelský průmysl, může být hliník. Hliník je jedním z nejlehčích kovů na světě, je téměř třikrát lehčí než železo, ale přitom je velmi pevný a odolný proti korozi. Hliník lze také použit opakovaně. Bez jakéhokoli poškození nebo změny jeho mechanických vlastností jej lze roztavit a znovu použít. Díky efektivní recyklaci se přibližně 75 % veškerého vyrobeného hliníku stále využívá, což je z hlediska dlouhodobě udržitelné budoucnosti skvělé.

Obráběcí hliníkových slitin v automobilovém průmyslu

Video: Frézy pro obrábění hliníkových součástí v automobilovém průmyslu
Přestože vozidla s elektrickým pohonem jsou na vzestupu, bude ještě nějakou dobu trvat, než spalovací motory scénu opustí. Současné úsilí o využívání čistší energie vede k tomu, že použití lehkých materiálů ve spalovacích motorech je již téměř nezbytností, protože přináší zvýšení účinnosti paliva, a tím i snížení znečištění. Hnací ústrojí evropských osobních automobilů obvykle obsahuje kolem 80 kilogramů hliníku, což znamená, že tyto části – motor, převodovka, prvky zavěšení, skříně – jsou zjevně oblastí, na kterou se zaměřují opatření směřující ke snížení hmotností. Nahrazením konvenční litiny slitinami hliníku lze snížit hmotnost bloku motoru až o 40–55 %, a to navzdory nižší pevnosti hliníku v porovnání s šedou litinou. Vynikajícími příklady toho, jak je u hnacích ústrojí preferováno použití hliníkových materiálů, jsou různé díly převodovky, zejména skříně převodovek, elektrifikační zařízení a jejich součásti, ramena zavěšení kol a zadní nápravy.
Nástrojová řešení určená speciálně pro automobilový průmysl, respektive pro výrobce obráběcích strojů (MTM), přispívají k produktivnějšímu provozu strojů. Řada M5 poskytuje ucelenou nabídku fréz pokrývajících vše – od prvního stádia obrábění až po superfinišování – a umožňujících dosažení optimalizované kvality a nákladů na vyrobenou součást.
Frézy M5 pro obrábění materiálů ISO N:

• Fréza M5Q90 umožňuje obrábění povrchu nově odlitých hliníkových hlav válců a bloků motoru na čisto v jediné souvislé operaci, aniž by docházelo ke vzniku otřepů. Tato fréza vyniká svou spolehlivou funkcí a vyznačuje se dlouhou životností.
• Koncepce M5R90 je první volbou pro hrubovací až polodokončovací operace při rohovém frézování hliníkových automobilových součástí, jako jsou bloky motorů, hlavy válců nebo skříně převodovek.
• Koncepce M5B90 která je určena pro čelní frézování, představuje vysoce efektivní nástroj pro superfinišovací obrábění hlav válců, bloků motorů, krytů a veškerých dalších součástí, při němž je využívána velká šířka záběru nástroje. Koncepce M5B90 brání nerovnoměrnému průběhu opotřebení a dosahuje mnohem delší životnosti nástroje i při vysokých rychlostech posuvu.
• Koncepce M5C90 vychází z M5B90 a podobně jako ona umožňuje plynulý obráběcí proces, při kterém díky stupňovitému uspořádání vyměnitelných břitových destiček nedochází ke vzniku otřepů, škrábanců a lomů. To, čím jsou čelní frézy M5C90 odlišné, je další řada hrubovacích břitových destiček umístěných tangenciálně na jejich vnějším průměru.
• M5F90 je speciální čelní fréza pro obrábění tenkostěnných hliníkových součástí v jedné operaci, ale lze ji použít také pro zarovnávání ploch s axiálním posuvem do záběru a operace s velkými šířkami záběru nástroje do materiálu.

Materiály ISO N

Mezi neželezné materiály patří nejenom slitiny hliníku, ale také slitiny hořčíku, mědi a zinku. Obrobitelnost hliníku se liší především v závislosti na obsahu Si. Nejběžnějším typem hliníkových slitin jsou slitiny podeutektické s obsahem Si do 13 %.

Vzhledem k jejich pevnosti, nízké ceně a odolnosti proti otěru, byly bloky motorů dlouhá léta vyráběny z různých typů litiny. Ale spolu s tím, jak se motory stávají stále složitějšími, začaly se používat nové materiály, které snižují jejich hmotnost a zvyšují pevnost a odolnost proti opotřebení. V současnosti jsou nejběžnějším materiálem pro výrobu motorů osobních automobilů hliníkové slitiny, což je dáno jejich nízkou hmotností a vynikajícími slévárenskými vlastnostmi.

Nástroje pro vyvrtávání válců v litinácha hliníkových slitinách s integrovanými vložkami válců z litiny:

• B685 pro stabilní a produktivní hrubovacíí až polodokončovací vyvrtávání válců
• B687 pro stabilní a produktivní dokončovací vyvrtávání válců
• B681 pro stabilní a produktivní hrubovací vyvrtávání válců
• B683 pro stabilní a produktivní polodokončovací vyvrtávání válců

Automobilové součásti jsou obvykle díly vyráběné ve velkých sériích, které se vyznačují vysokou hustotou děr se složitými tvary – při jejich výrobě jsou využívány operace, které často ospravedlňují použití optimalizovaných vrtacích nástrojů umožňujících dosažení maximální produktivity, nebo dlouhé životnosti nástroje při vysoké produktivitě, a v konečném důsledku nízkých nákladů na vyrobenou díru.
Nástroje pro vrtání / slinované rotační nástroje pro obrábění hliníku:

• CoroDrill® 400 je vrták s přímými drážkami určený pro výrobu děr se složitými tvary s více stupni, zkoseními a přechodovými poloměry, jakož i děr s vysokými hodnotami poměru mezi jednotlivými stupni, jejichž průměry se pohybují v rozmezí od 3 do 25 mm (0.118–0.984 inch). Tyto vrtáky vynikají snadným odváděním třísek, přímostí díry a jakostí obrobeného povrchu.
  
• CoroDrill® 430 je monolitní karbidový šroubovitý vrták se 3 břity vhodný pro vrtání do předhotovených děr, jinými slovy pro zvětšování stávajících děr. Tento typ vrtáku poskytuje vynikající kontrolu velikosti a přímosti díry v náročných podmínkách.
  
• U hliníkových dílů motoru je preferovaným řešením výroby závitů metoda známá jako tváření závitů a první volbou pro tuto beztřískovou obráběcí operaci je sortiment tvářecích závitníků CoroTap® 400.
  

Užitečné rady pro vrtání hliníkových slitin

1. Může docházet k potížím s odváděním třísek a vznikem otřepů. Lze se rovněž setkat se špatnou životností nástrojů v důsledku adheze. Doporučení: S ohledem na co nejlepší utváření třísek využívejte obrábění s nízkými rychlostmi posuvu a vysokými řeznými rychlostmi.
2. Abyste předešli nízké životnosti nástrojů a minimalizovali sklony k adhezi, může být nutné provedení zkoušek různých typů povlaků. Mezi tyto varianty povlaků mohou patřit i diamantové povlaky a v některých případech (v závislosti na substrátu) také alternativy, kdy povlak není použit vůbec.
3. Další: Použijte vysokotlaký systém přívodu řezné kapaliny a emulzi nebo mlhu.

Obrábění hliníkových slitin v leteckém průmyslu

Obrázek: Fréza na hliník RAL90 a žebro křídla

Pokud jde o obrábění hliníkových slitin, je v leteckém průmyslu klíčovým faktorem kombinace stability a spolehlivosti obráběcího procesu s vysokými řeznými rychlostmi a vysokými rychlostmi úběru kovu. Naprosto zásadním faktorem dobré obrobitelnosti je dosažení nízkých řezných sil, což umožňuje snížení potřebného výkonu stroje, snížení sklonů ke vzniku vibrací a dosažení dobré kvality obrobené plochy.
Mezi různé typy hliníkových součástí, využívaných pro konstrukci letadel, patří mimo jiné nosníky, vzpěry, opláštění nebo žebra. Například s výrobou žebra křídla, jsou z hlediska obrábění spojeny některé specifické problémy, ke kterým se řadí malá tloušťka stěny/paty žeber, 2D dutiny a důležitost použití vyvážených nástrojů. Společnost Sandvik Coromant má ve své nabídce širokou škálu nástrojů určených pro ekonomicky rentabilní a vysoce kvalitní obrábění žeber křídla.
Obrábění tenkých stěn
Způsob obrábění, použitý u tenkostěnných partií, se ve vztahu k výšce a tloušťce stěny může lišit. Počet průchodů závisí na rozměrech stěny a axiální hloubce řezu.
Pro usnadnění frézování tenkých stěn lze využít metod vysokorychlostního obrábění, tj. s malými hodnotami ap/ae a vysokými hodnotami vc, jelikož se tím zkracuje doba záběru nástroje a následně se snižuje také velikost rázů a průhyb. Pokud je poměr jejich výšky vůči tloušťce v rozmezí 15 : 1 až 30 : 1, používá se pro frézování stěn překrývaných průchodů s opěrnými stupni.
Výroba dutin frézou pro vysokorychlostní obrábění RAL 90
Fréza RAL90 pro obrábění hliníkových slitin byla navržena pro extrémně vysoké rychlosti úběru kovu. Mimořádně robustní řešení tělesa frézy s optimalizovanými lůžky břitových destiček vytyčilo standard pro novou úroveň stability obráběcího procesu při vysokorychlostním obrábění – ideální pro těžké hrubovací až polodokončovací obrábění dutin v konstrukčních dílech draků letounů z hliníkových slitin.
U aplikací vyžadujících ještě vyšší rychlosti úběru kovu, umožňuje dosažení extrémně vysokých otáček vřetena nová fréza RAL90 Super MRR, např. až 33 000 ot/min při DC 50 mm v porovnání s 23 500 ot/min u RAL90. To představuje zvýšení produktivity o 40 %.
Frézování hliníkových slitin monolitními karbidovými nástroji
Jsou-li zapotřebí menší průměry, řešením jsou celokarbidové nástroje. Díky geometriím a nástrojovým třídám optimalizovaným pro frézování hliníku dosahují stopkové frézy CoroMill® Plura a stopkové frézy s výměnnými řeznými hlavicemi CoroMill® 316 dlouhých životností nástroje při vysokých rychlostech úběru kovu.
Konstrukční provedení s velkým objemem drážek pro odvod třísek je zárukou jejich vynikajícího odvádění. Navíc speciální válcová fazetka omezuje vibrace nástroje, ke kterým dochází při práci na frézce, a minimalizuje problémy s vylamováním drobných částí ostří, což se promítá do vynikající kvality obrobené plochy.

Obrobitelnost hliníkových slitin

• Polykrystalické materiály tvořící dlouhé třísky
• Mají-li vyšší obsah legujících prvků, kontrola utváření třísky je relativně snadná
• Čistý Al snadno ulpívá na břitu, a proto je nutné použití ostrých břitů a vysokých hodnot vc
• Měrná řezná síla: 350–700 N/mm
• Řezné síly, a tudíž i výkon požadovaný pro jeho obrábění, jsou nízké
• Za předpokladu, že obsah Si je nižší než 7–8 %, lze tyto materiály obrábět pomocí jemnozrnných nepovlakovaných karbidových tříd a je-li obsah Si v hliníkové slitině vyšší, pomocí tříd s břity osazenými PCD
• Nadeutektické slitiny Al s obsahem Si > 12 % jsou velice abrazivní