Enligt en nyligen utförd undersökning vill en tredjedel av tillverkarna öka investeringarna i automatiseringsverktyg. Men hur ska svårigheterna med att bearbeta kompositmaterial tacklas? I den här artikeln förklarar Aaron Howcroft, Global Product Manager på Sandvik Coromant, hur skärverktyget CoroDrill® 863-O kan hjälpa tillverkarna att tänka om kring bearbetning av kompositmaterial – tack vare kemisk ångdeponering teknologi (CVD).
Krönika: Aaron Howcroft, Global Product Manager på Sandvik Coromant
Håltillverkning är avgörande för att uppnå kvalitet och funktion hos flygkomponenter – och kanske viktigare än någonsin i covid-19-tider.
Vid tillverkning av komponenter för flygindustrin har man, i de flesta fall, tre chanser på sig att borra ett bra hål – därefter är det i stort sett omöjligt att omarbeta hålet inom önskade specifikationer. Det räcker med att något hål går fel – beträffande diameter, ytjämnhet eller delaminering – vid en av de tre chanserna, så måste hela komponenten kasseras. Håltagning är ett riskabelt uppdrag, med tanke på hur dyr en flygplanskomponent kan vara. Det här gäller särskilt vid borrning i kompositmaterial, som ställer nya krav på bearbetningen.
Håltillverkning har blivit en av de vanligaste bearbetningsprocesserna för kompositmaterial. Bearbetning av kompositmaterial, som kan innehålla två eller fler ämnen med olika fysikaliska och kemiska egenskaper, innebär att man kapar, eller ”bryter av”, fibrerna i materialet. Görs det på fel sätt skalas kompositmaterialets skikt bort. Fenomenet kallas för delaminering och är, enligt Sandvik Coromants kunder, den starkast begränsande faktorn i produktionen.
Delaminering försämrar hålkvalitet, repeterbarhet, slutproduktens kvalitet och integritet samt tillverkarens lönsamhet. Jag nämner integritet här, eftersom bättre hålkvalitet är avgörande för att förhindra komponentfel, och hålkvaliteten bestäms i stor utsträckning av vilka tillverkningsprocesser som används för att bearbeta eller finbearbeta hålen.
Mängden värme som genereras vid bearbetning av kompositmaterial har också avgörande betydelse. Materialets dåliga värmeledningsegenskaper och frånvaron av spånor utgör en risk för det harts som håller samman materialets fibrer. Vid bearbetning av kompositmaterial blottläggs alltså svagheter som kanske annars inte har någon större betydelse.
Dessa svagheter blir allt tydligare ju fler kompositmaterial, med varierande förutsägbarhet, som blir tillgängliga på marknaden. Det här gör det till en utmaning att uppnå konkurrenskraftig bearbetning.
Varför förklarar jag det här nu? Jo, eftersom hålkvalitet har blivit viktigare än någonsin, på grund av covid-19. Enligt Euromonitor Internationals undersökning planerar 50 % av företagen att ändra sina digitala strategier. En tredjedel av de som besvarat Euromonitors Voice of the Industry-enkät 2020 svarar att de tänker öka satsningarna på automatiseringsverktyg – korrekt hålborrning måste alltså utföras i obemannade tillverkningsmiljöer.
Det här innebär att tillverkarna måste tänka om kring hur de tar sig an hålborrning i kompositmaterial.
Förutsägbar förslitning
Vi har redan fastställt att hålens ytintegritet är mycket viktigt för tillverkare av flygkomponenter. Vilken roll kan verktygen spela inom det området – och hur kan ett bättre borr förbättra automatiseringsstrategin?
Vi börjar med att titta närmare på vilket resultat tillverkarna eftersträvar. De vill ha hål som har bra, jämn och repeterbar kvalitet. Alla verktyg slits med tiden, men förslitningen måste vara jämn och förutsägbar för alla verktyg i tillverkarens uppsättning.
Jag kan inte nog betona vikten av förutsägbar förslitning. En CNC-maskin programmeras vanligen att dra ut verktyget när något går fel. Om borret då har ojämn livscykel kan, i ett väldigt dåligt men realistiskt scenario, verktygslivslängden förkortas med 50 % för de flesta produkter som köps in. När Sandvik Coromant levererar borr till sina kunder, måste vi kunna garantera att borret kommer att hålla ett förutsägbart antal minuter, oavsett omständigheterna – varje gång!
Verktyg som CoroDrill® 863-O-borret kan hjälpa tillverkarna att automatisera sina processer fullt ut.
En bättre konstruktion
Därför har Sandvik Coromant utvecklat högprestandaborret CoroDrill® 863-O för kompositmaterial, inklusive kolfiberförstärkta (CFRP) och glasfiberförstärkta (GFRP) material. Borret har utvecklats med fokus på industrier där kompositmaterial är vanligt förekommande och där man behöver kunna borra mer material per verktyg. Ett exempel är flygindustrin, där kompositmaterial används för att tillverka flygplansskelett och andra delar.
För att utveckla CoroDrill® 863-O, där O:et betyder att verktyget är avsett endast för komposittillämpningar, började vi med att fokusera på det material som inom flygindustrin är mest benäget att delaminera, närmare bestämt ett enkelriktat laminat utan peel-ply eller vävd baksida. Materialet används framför allt till flygplansvingar och flygplanskroppar. Vi kartlade delamineringsförloppet digitalt, för att bestämma exakt hur mycket delaminering som inträffar under verktygens livslängd.
Vi konfigurerade datorsystemet med mycket snäva toleranser, motsvarande den mängd delaminering som kan godtas för ett godtyckligt hål. Baserat på genererade dataresultat kunde vi optimera väsentliga aspekter av borrkonstruktionen, exempelvis helixvinkeln, det vill säga borrets spiralformade spår. Större helixvinkel underlättar spånavgången och bidrar därmed till att minska delamineringen på utgångssidan. Å andra sidan kan en alltför stor helixvinkel göra så att kompositmaterialets skikt separeras på ingångssidan. Det kan resultera i skikt eller fibrer som hänger ut över hålet.
Andra viktiga aspekter av CoroDrill 863-O är profilen och sorten. Kompositmaterial är inte homogena, och när nya typer av material ska bearbetas innebär det unika utmaningar kopplade till materialets tjocklek, sammansättning och så vidare. CoroDrill 863-O-borret har oöverträffade egenskaper, ägnade att klara alla typer av material.
Sedan har vi det här med sort. Hårdmetallborr passar bra för att bearbeta flygplanskomponenter, eftersom hårdmetallen förstärker verktyget genom skärgeometrin och skaftet. Därmed optimeras skärförloppet samtidigt som släppning och materialavgång maximeras. Men på grund av kompositmaterialens nötande egenskaper, förslits hårdmetallen snabbt. Det är ett problem, särskilt i automatiserade produktionsmiljöer.
För att eliminera problemet har CoroDrill 863-O utrustats med CVD-teknik, det vill säga kemisk ångdeponering teknologi. CVD är ett extremt hårt verktygsmaterial som passar perfekt för att bearbeta kompositmaterial och skiktade material. Hela skäreggen beläggs med CVD-materialet, och tack vare den låga friktionskoefficienten och höga värmeledningsförmågan hos CVD blir verktygets skäreggar mindre utsatta för löseggsbildning (BUE). CVD-materialet behåller skärpan, vilket minskar värmen och friktionen, så att risken för problem minimeras vid hålborrning.
CVD-sorten är därmed det bästa alternativet om många hål ska borras och det krävs högre produktivitet.
Avancerade robotar och fältstudier
Den omfattande CoroDrill 863-familjen ger redan fördelar i både CNC-maskiner och robotar i tillverkarnas automatiserade produktionslinjer. Eftersom borret finns i versioner belagda med hårdmetall, PCD (polykristallin diamant) eller CVD, kan det bearbeta alla typer av material som annars kan vara problematiska – det vill säga kompositmaterial, aluminium, titan, varmhållfasta superlegeringar och rostfritt stål – i helt obemannade processer.
Sedan CoroDrill 863-O hade lämnat laboratoriet satte man borret på prov genom att låta det bearbeta ett kolfiberarbetsstycke. Kolfiber, som har överlägsen hållfasthet i förhållande till vikten, är ett populärt material för applikationer inom flygindustrin eftersom ingenjörerna strävar efter att bygga lättare flygplan.
En komponent med en genomsnittlig tjocklek på 6,35 mm (0,25 tum) genomgick två borrmoment med en CoroDrill® 863-O-geometri, som innehåller vår egen CVD-variant O1AD för förbättrad slitstyrka i kompositmaterial. Först bearbetades arbetsstycket med ett 863-O-borr med en diameter på 6,37 mm (0,25 tum). Därefter användes diametern 4,85 mm (0,191 tum).
I båda momenten och med samtliga verktyg uppvisade 863-O utmärkta resultat. I kolfiberarbetsstycket borrades 400 hål med diametern 6,37 mm (0,25 tum) och 560 hål med diametern 4,85 mm (0,191 tum) – resultatet levde upp till resultatet från laboratorietestningen. Vi beräknade en kortaste verktygslivslängd genom att använda Sandvik Coromants Capacity Data Management-system, som är ett system för att beräkna verktygslivslängden hos våra kunder. Det här påvisar produktens utmärkta förmåga vad gäller att leverera verktygslivslängd, färre verktygsbyten samt repeterbara och tillförlitliga prestanda vid bearbetning av kompositmaterial. Framför allt blev delamineringseffekten mycket liten för alla hål, både vid ingången och utgången, i båda testkörningarna.
Det råder ingen tvekan om att dedikerade skärverktyg är avgörande för att lyckas med håltillverkning – särskilt i komponenter av kompositmaterial eller skiktade material. Verktyg som 863-O-borret kan också spela en avgörande roll hos företag som vill göra sina processer fullt automatiserade, även för bearbetning av sega kompositmaterial.
För mer information: Sandvik
