MMC Magazine

Od uruchomienia produkcji samolotów Boeing 787 w 2011 roku, zastosowanie kompozytów CFRP stopniowo rosło: użyto je po raz pierwszy w kadłubie, skrzydłach oraz w innych komponentach. 
W odróżnieniu od metali, w skład kompozytu CFRP wchodzi włókno węglowe i żywica. Obróbka tego materiału wymaga nowej technologii. Przeprowadziliśmy wywiady z osobami z zespołu Aero Group, które brały udział w opracowaniu technologii obróbki tego materiału.

Jakie charakterystyczne zjawiska występują podczas wiercenia kompozytów CFRP?

–  Jaka jest historia tego wynalazku?

Yanagida: Od ponad 10 lat Mitsubishi Materials dostarcza wiertła do wiercenia w kompozytach CFRP. Wykorzystując know-how zdobyte przez te lata, udoskonaliliśmy funkcjonalność wierteł i zaproponowaliśmy szerszy zakres rozwiązań dla większego asortymentu kompozytów CFRP. Kompozyt CFRP składa się z kilku warstw włókna węglowego i żywicy, które są poddane obróbce cieplnej. Jego masa wynosi jedną czwartą masy stali, a wytrzymałość jest 10-krotnie większa. Charakteryzuje się on także odpornością na korozję, odpornością cieplną i wysoką sztywnością. Włókno węglowe jest twarde ale kruche, a warstwa żywicy jest miękka, ale bardziej podatna.

Yamamoto: Dlatego obróbka skrawaniem kompozytów CFRP przebiega zupełnie inaczej niż metali. Główne wady podczas wiercenia kompozytów CFRP to występowanie nieodciętych włókien, delaminacja wskutek wielowarstwowej struktury i rozbicie otworu na granicy warstwa CFRP/metal (powstaje, gdy wióry metalowe wędrujące wzdłuż rowka wiórowego wiertła niszczą boczne powierzchnie otworu w warstwie kompozytu). Nasz projekt rozpoczęliśmy od przeanalizowania tych zjawisk, aby dokładnie zbadać techniczne mechanizmy powodujące ich powstawanie.

Yanagida: Istnieją dwa rodzaje kompozytów CFRP stosowanych na części do samolotów. Jeden z nich zawiera żywice termoutwardzalne, a drugi to wielowarstwowy materiał, złożony z warstw aluminium i tytanu, przełożonych warstwą kompozytu CFRP. Istnieją dwie główne metody obróbki, jedna to obróbka maszynowa, np. za pomocą centrum obróbczego, a druga to obróbka narzędziami ręcznymi. Ze względu na różnorodność materiałów i metod obróbki, niezwykle trudno jest stworzyć jeden typ wiertła do wszystkich procesów. Dlatego w ramach projektu opracowaliśmy serię siedmiu różnych wierteł serii MC do różnych materiałów CFRP, które zostały wprowadzone na rynek w kwietniu 2017 r.

Konstrukcja rowka wiertła MCA redukująca rozbicie otworu na granicy warstw materiału wielowarstwowego

– Czy mógłby pan opisać niektóre z tych siedmiu produktów?

Yanagida: Zaprezentuję dwa typy wierteł: MCA i MCC Wiertło MCA jest przeznaczone do materiałów wielowarstwowych CFRP/aluminium. Staraliśmy się znacznie poprawić parametry wierteł do kompozytów CFRP, dostępnych od 10 lat jako produkty specjalne. Zwykle wykonujemy wiercenie materiałów wielowarstwowych złożonych z włókna węglowego i aluminium, których obrabialność tym wiertłem jest zupełnie inna. Głównym problemem jest rozbicie otworu na granicy warstw. Gdy wiertło penetruje warstwę kompozytu CFRP, wióry usuwane podczas wiercenia aluminium mogą powodować ubytki w otworze w kompozycie. W rezultacie średnica otworu w warstwie kompozytu jest inna jak w warstwie metalu. Aby temu zapobiec, zmieniliśmy konstrukcję rowka wiórowego wiertła MCA.

Yamamoto: Skupiliśmy się na szerokości rowka. Szerokość rowka jest zwykle identyczna na całej długości wiertła, natomiast w wiertle MCA stopniowo zwiększa się od wierzchołka ku chwytowi. Przy wierzchołku rowek jest wąski, aby uzyskać zwarty wiór, a następnie coraz szerszy aby umożliwić spływ wióra wzdłuż rowka, nie niszcząc powierzchni otworu.

Yanagida: Dla zapewnienia skutecznego odprowadzania wióra, zastosowaliśmy technologię użytą w wiertłach MWS. Było to konieczne do uzyskania wyższej jakości powierzchni otworu, co stanowiło najczęstszy problem w obróbce zarówno materiałów wielowarstwowych, jak i głębokich otworów. Przy opracowaniu wiertła MCA zastosowaliśmy także technologię użytą w wiertłach MHE, które są stosowane do obróbki piast kół samochodów. Wiertła MHE służą do wykonania otworów pod śruby mocujące koła pojazdu do piasty. Średnica każdego otworu w piaście musi być bardzo dokładna, a jakość powierzchni otworów musi być jak najwyższa. Aby uniemożliwić uszkodzenie powierzchni piasty przez wiór, rowek wiórowy wiertła MHE musi być węższy, niż w zwykłych wiertłach.

Yamamoto: Tak więc w wiertłach MCA wykorzystaliśmy wiedzę i własności wierteł MWS i MHE. W sumie więc, wiertło początkowo wytwarza mały wiór, który wędruje wzdłuż węższej części rowka. Jest on następnie kierowany do szerszej części rowka w góry i odprowadzany, nie niszcząc ścianki otworu.

Dodatnia geometria krawędzi zapewnia wysoką jakość obróbki

– Proszę nam opowiedzieć o historii prac nad wiertłem MCC

Yamamoto: Choć wiertło MCC jest przeznaczone specjalnie do obróbki kompozytów CFRP, w komponentach samolotów występują również materiały wielowarstwowe (pakiety). Kompozyty CFRP są stosowanie również w branży motoryzacyjnej i energetyce (turbiny wiatrowe). Klienci wykonujący obróbkę kompozytów często muszą wiercić otwory w cienkich płytach.

Yanagida: Największym problemem w przypadku wiercenia kompozytów CFRP jest  zmniejszenie delaminacji przy wyjściu z otworu. W kompozytach CFRP przy wyjściu z otworu nie ma warstwy metalu, jak w pakietach, więc rozbicie otworu nie występuje. Jednak po przebiciu dno może rozerwać się, przez co następuje raptowne zmniejszenie oporu występującego podczas penetracji warstwy kompozytu CFRP, powodując powstanie zadziorów przy wylocie otworu.

Yamamoto: Główny nacisk położyliśmy na zapewnienie ostrej krawędzi wierteł MCC dla zwiększenia płynności wiercenia i zmniejszenia oporów skrawania, a tym samym uniknięcia delaminacji.  
Najważniejszy element wiertła MCC to ostra krawędź skrawająca. Tradycyjnie, aby uzyskać odporność na wyboczenie i wydłużyć trwałość,  krawędź wiertła ma ujemny kąt natarcia. Jednak wiertłem z ujemnym kątem natarcia nie można skutecznie skrawać twardych warstw włókna a to oznacza, że trzeba było zastosować ostrą geometrię. Płynny przebieg wiercenia kompozytu CFRP także ogranicza delaminację oraz ilość nieprzeciętych włókien przy wyjściu z otworu. Dodatkowo, kąt wierzchołkowy 90° zmniejsza siłę osiową na początku wiercenia, co pomaga ograniczyć delaminację.

– Jakimi własnościami charakteryzuje się powłoka?

Yamamoto: Własności mechaniczne kompozytu CFRP powodują, że od razu po rozpoczęciu wiercenia występuje silne zużycie ścierne wierteł niepokrywanych. Aby rozwiązać ten problem i zwiększyć odporność na ścieranie wierteł MCA i MCC, zastosowaliśmy diamentową powłokę CVD.

Yanagida: Aby uzyskać maksymalną ostrość krawędzi wiertła, musieliśmy wziąć pod uwagę zarówno kształt krawędzi, jak i wielkość cząstek diamentowej powłoki. Cząstki nowej diamentowej powłoki CVD są bardzo drobne, co znacznie zwiększa ich adhezję, więc udało nam się zwiększyć trwałość wiertła około 10-krotnie w porównaniu z powłokami konwencjonalnymi.

– Co zrobiliście, aby zwiększyć ostrość?

Yamamoto: Aby zwiększyć ostrość, co było naszym priorytetem, szukaliśmy najlepszej metody obróbki krawędzi i maksymalizacji kątów spirali, natarcia i przyłożenia - podstawowych parametrów każdego wiertła. Badaliśmy indywidualne kombinacje kątów, aby ustalić najlepszą z nich, zapobiegającą uszkodzeniu wiertła. Ogólnie rzecz biorąc, im kąty są większe, tym ostrzejsze wiertło. Jednak węglik spiekany to materiał kruchy i ma ograniczoną odporność na odkształcenie. Poza tym, optymalna kombinacja parametrów wiertła zależy od rodzaju obrabianego materiału, a więc aby ocenić skuteczność, musieliśmy wielokrotnie testować wiertła. Jak wspomniałem wcześniej, dla zwiększenia ostrości istotne znaczenia ma obróbka krawędzi. Proces przygotowania do pokrywania powoduje, że konwencjonalne wiertła produkowane przez Mitsubishi Materials mają mikroskopijne wady na krawędziach. Jednak obróbka krawędzi wierteł MCC jest całkowicie inna niż wierteł konwencjonalnych, dzięki czemu uzyskano rzeczywiście gładką, równą krawędź. Zastosowanie nowej metody obróbki krawędzi umożliwiło uzyskanie ostrości i wytrzymałości, do spowodowało wydłużenie trwałości wiertła i zwiększenie jakości otworu.

Yanagida: Przy opracowaniu wierteł serii MC, przeprowadziliśmy badania wspólnie z Uniwersytetem Technicznym w Wiedniu. Zwróciliśmy się do wiedeńskiej uczelni o przeprowadzenie testów obróbki prototypów wierteł o różnych grubościach powłok, kształtach krawędzi i kątach natarcia. Uzyskaliśmy mnóstwo danych, co naszym zdaniem znacznie przyczyniło się do sukcesu tych innowacyjnych rozwiązań.

Trudności i osiągnięcia w trakcie opracowania nowych materiałów

– Jakie trudności napotykaliście podczas opracowania wierteł MCC?

Yamamoto: Mimo wyzwań, przed jakimi stanęliśmy, cieszyliśmy się, że możemy poznać wyzwania związane z obróbką kompozytów CFRP. Zostałem przeniesiony do zespołu Aero Group w Gifu w dziale lotniczym, po jego utworzeniu w październiku 2016 roku i rozpocząłem pracę przy opracowaniu wiertła MCC. Miałem doświadczenie w pracy przy opracowaniu wierteł do metali, ale było to moje pierwsze doświadczenia przy opracowaniu wierteł do kompozytów CFRP.

Yanagida: Yamamoto wraz z konstruktorami z tego działu, opracował prototypy. 
Sami obsługiwaliśmy szlifierki-ostrzarki i opracowywaliśmy kolejne prototypy kierując się "inżynierskim nosem", analizując najlepsze warunki obróbki, w tym kąty skrawania, obroty i typ ściernicy.

Yamamoto: Dążąc do uzyskania ostrej krawędzi, wielokrotnie analizowaliśmy parametry szlifowania. W rezultacie tych prób wybraliśmy dobrze rokujące prototypy do dalszych testów i zwróciliśmy się do klientów o sprawdzenie ich jakości i parametrów. Było nam bardzo miło usłyszeć słowa: 
"To wiertło jest znacznie lepsze od dotychczas używanego".

Yanagida: Ponieważ sami projektowaliśmy, wykonaliśmy i testowaliśmy prototypy, natychmiast wykryliśmy najmniejszą różnicę parametrów. Yamamoto opracował prototypy wiertła MMC, więc wykorzystał kilka swych pomysłów, które zastosował przy opracowaniu produktu.  Dzięki temu byliśmy w stanie uzyskać wyjątkowy produkt.

– Proszę nam opowiedzieć o waszych planach dalszego rozwoju wierteł do kompozytów CFRP

Yanagida: Kluczowym wymogiem w produkcji części samolotów jest bezpieczeństwo. Ważnym celem jest także wydłużenie trwałości narzędzia, priorytetem jest jednak jakość otworu, a my staramy się osiągnąć oba cele. Przewidujemy, że wytrzymałość kompozytów CFRP będzie rosnąć i że pojawienie się nowych materiałów wielowarstwowych zawierających stal nierdzewną spowoduje, że generalnie materiały te będą trudniejsze do obróbki. Aby pogłębić naszą wiedzę 
o obróbce skrawaniem kompozytów CFRP i reagować na ciągle zmieniające się potrzeby rynku, Mitsubishi Materials kontynuuje współpracę z producentami włókien węglowych i uczelniami wyższymi prowadzącymi zaawansowane badania.

– Czy na koniec naszego wywiadu chce pan coś przekazać swymi klientom?

Yanagida: Konstrukcje na bazie kompozytów CFRP nie zostały jeszcze sklasyfikowane przez ISO ani JIS. Istnieje wiele różnych typów żywic do włókien węglowych, grubości i sposobów tkania. Dlatego, aby uzyskać wysoką jakość otworów, należy dobrać wiertła odpowiednio do użytego materiału. Jesteśmy przygotowani, aby spełnić potrzeby klientów, więc jesteśmy do Państwa dyspozycji.

Yamamoto: Seria wierteł MC jest wymieniona w katalogu jako produkt standardowy. Uważam jednak, że wiertła tej serii powinny być dobierane pod indywidualnego klienta. Dokładamy starań, aby szybko i skutecznie zaspokajać potrzeby klientów. Jesteśmy do Państwa dyspozycji.