Obróbka Skrawaniem 12 Obróbka materiałów lotniczych

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania Zakład Automatyzacji
i Obróbki Skrawaniem Prof. Krzysztof Jemielniak [email protected] http://www.zaoios.pw.edu.pl/kjemiel Obróbka Skrawaniem Część 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym

2 Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji Zakład Automatyzacji i Obróbki
Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 2 Plan wykładu Obróbka skrawaniem 1. Wstęp 2. Pojęcia podstawowe 3. Geometria ostrza 4. Materiały narzędziowe 5. Proces tworzenia wióra 6. Siły skrawania 7. Dynamika procesu skrawania 8. Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia 9. Zużycie i trwałość ostrza 10. Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania 11. Skrawalność 12. Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym strony 353-383

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 3 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami Współczesne materiały lotnicze

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 4 50 lat postępu w silnikach lotniczych Bezpieczeństwo 20 15 10 5 0 1940 1960 1980 2000 25 90% poprawy Siła ciągu do wagi 8 6 4 2 0 1940 1960 1980 2000 350% wzrostu 130 120 110 100 90 80 1940 1960 1980 2000 Hałas 35 db spadku 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 1940 1960 1980 2000 Efektywność paliwa 45% poprawa D.Carlson, GE Aviation: Perspectives on Clean, Efficient Engines, 2013

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 5 Współczesne materiały lotnicze - płatowiec Mouritz,A. P. Introduction to aerospace materials. Elsevier, 2012 Boeing 737 (1996) Boeing 787 (2009) Hornet (C/D) 1989 F22 Raptor 2005 Wspólną cechą współczesnych samolotów różnych typów jest wykorzystanie tych samych materiałów do budowy płatowców: • stal • kompozyty • aluminium • tytan i jego stopy Materiały te obejmują 80-90% płatowca. Inne to magnez, plastik, ceramika i inne Ważną współczesną tendencją jest rosnący udział kompozytów, wypierających aluminium

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 6 Współczesne materiały lotnicze – stopy Al i Ti R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Oszczędność paliwa, to główna siła napędzająca rozwój konstrukcji samolotów cywilnych. • Ostatnie dziesięciolecia przyniosły rozwój lekkich stopów i materiałów kompozytowych • nowe konstrukcje kształtów skrzydeł i ich zakończeń przyczyniły się do zmian aerodynamiki • Stopy aluminium są najszerzej stosowanymi materiałami na płatowce ze względu na dostępność Al (najczęściej występujący pierwiastek), • lekkość, • wytrzymałość, • dobrą obrabialność • odporność na korozję. • Stopy tytanu mają: • średnią gęstość, • dobry stosunek wytrzymałości do wagi, • świetną odporność na korozję, • niski współczynnik rozszerzalności cieplnej • dobrą spawalność P.Rokicki, Stopy tytanu

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 7 Współczesne materiały lotnicze – kompozyty • Materiał kompozytowy, kompozyt − materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach, wyraźnie od siebie odseparowanych, niejednorodnie wypełniających objętość. • Składnik ciągły kompozytu, z reguły większej ilości to osnowa lub matryca • metal (Ti, Ni, Fe, Al, Cu, Co), • polimer (poliepoksyd, poliester), • ceramika (np.Al 2 O 3 ,SiO 2 , SiC, TiO 2 ) • Zadaniem osnowy jest zapewnienie: • spójności materiału i utrzymywanie żądanego kształtu • elastyczności, zatrzymywania rozprzestrzeniania się pęknięć • odporności na ściskanie, przenoszenia naprężeń zewnętrznych

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 8 Współczesne materiały lotnicze – kompozyty • Drugim składnikiem, osadzonym w osnowie, jest wypełniacz, zbrojenie, którego zadaniem jest wzmacnianie materiału, poprawianie jego właściwości mechanicznych: • Formy rozmieszczenia wzmocnienia mogą być różne: • Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. • Węgliki spiekane są kompozytami! • osnowa Co, zbrojenie WC, TiC, TaC https://pl.wikipedia.org/wiki/Materia%C5%82_kompozytowy http://materials-engineeringscience.blogspot.com/2011/06/classes-and-characteristics-of.html ciągłe włókna nieciągłe włókna, pręty cząsteczki tkaniny

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 9 Współczesne materiały lotnicze – kompozyty • W ciągu ostatnich 20 lat podjęto znaczne wysiłki w zastosowaniu do konstrukcji lotniczych lekkich materiałów kompozytowych • Jednymi z najczęściej stosowanych wypełniaczy są silne włókna takie jak włókno szklane, kwarc, azbest, kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odporność na rozciąganie. • Do najczęściej stosowanych osnów zaliczają się żywice syntetyczne oparte na poliestrach, polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych. https://pl.wikipedia.org/wiki/Materia%C5%82_kompozytowy Porównanie włosa ludzkiego (jasny) i pojedynczej nici włókna węglowego

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 10 Współczesne materiały lotnicze – kompozyty • Często stosowane są tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym (carbon fiber reinforced plastic - CFRP) • Wysokowytrzymałe włókna węglowe osadzone w osnowie epoksydowej tworzą materiał hybrydowy o podwyższonych właściwościach strukturalnych • Wprowadzenie CFRP powoduje • obniżenie ciężaru samolotu, a więc obniżenie kosztów paliwa i zanieczyszczenia środowiska • redukcję kosztów produkcji i • redukcję kosztów obsługi (brak korozji i zmęczenia materiału), • skrócenie czasu wytwarzania, • Ostanie konstrukcje lotnicze składają się z: Airbus A350 XWB Boeing B787 Bombardier CS300 Kompozyty 52 50 46 Stopy Al 20 20 24 Stopy tytanu 14 15 8 Stale 7 10 1 inne 7 5 21 Elementy struktury A350 XWB wykonane z prepregu M21E wzmacnianego włóknem węglowym IMA R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 https://pl.wikipedia.org/wiki/Materiał_kompozytowy

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 11 Kompozyty w BOEING 747 i 787

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 12 Stopy tytanu – elementy płatowców Lockheed SR-71 Blackbird – 93% masy płatowca (gł. stop B120VCA – Ti-13V-11Cr- 3Al) P.Rokicki, Stopy tytany górne dźwigary skrzydeł – Boeing 787 podzespół podwozia samolotu Boeing 777 (element poziomy ze stopu Ti-10-2-3 –największy z wykonywanych dotychczas metodą kucia ze stopu typu β) Ti-10V-2Fe-3Al

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 13 Współczesne materiały na silniki lotnicze R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Od materiałów na silniki lotnicze oczekuje się: • niskiego ciężaru • odporności na wysokie temperatury, • wytrzymałości • Materiały na silniki lotnicze to Stopy tytanu, np.: superstopy na międzymetaliczne stopy T-64 Ti-6246 Ti-834 bazie niklu tytanu i glinu (TiAl) Temperatura pracy [°C] <230 <430 <730 730-1230 <730 T-64 : Ti-6Al-4V Ti-6246: T-6Al-2Sn-4Zn-6M; Ti-834 : Ti–6Al–4Sn–3Zr

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 14 Łopatki z włókien węglowych - trwałość GE90 doświadczenie praktyczne … Żadnych dyrektyw zdatności* lub specjalnych kontroli Nie potrzebują smarowania w czasie lotu Niezwykle trwałe … … prawie bezobsługowe Na ponad 180 kolizji z ptakami tylko raz łopatka została zniszczona SOURCE: GE90 in service record 16 Y E A R S i n s e r v i c e + 30 + M I L L I O N f l i g h t h o u r s D.Carlson, GE Aviation: Perspectives on Clean, Efficient Engines, 2013 * Dyrektywa zdatności (Airworthiness Directive, AD) oznacza dokument wydany przez Agencję, który nakłada obowiązek usunięcia wad elementu lotniczego

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 15 Superstopy na bazie niklu • Stopy na bazie niklu są najszerzej stosowane i obecnie stanowią ponad 50% masy zaawansowanych silników lotniczych. • Istniejący trend wskazuje na to, że w przyszłości ta wartość dla nowych silników będzie wzrastać. • Superstopami nazywamy stopy metali, które zachowują wytrzymałość w temperaturach sięgających 70% temperatury topnienia. • właściwość uzyskiwana dzięki wzmocnieniu roztworowemu. • najważniejszym mechanizmem wzmacniania jest wtórne wytrącanie się faz, przez które otrzymuje się fazy g' oraz węgliki • Najczęściej spotykane rodzaje to m.in.: • Inconel 718, Waspaloy, Udimet 720 – utwardzane wydzieleniowo • Inconel 625 – umacniany (nie utwardzalny) • Rene alloys, • Haynes alloys, • Incoloy, https://pl.wikipedia.org/wiki/Nadstopy General Electric GEnx - 1B engine for the Boeing 787 Dreamliner

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 16 Stopy tytanu • Stopy tytanu mogą być rozbite na cztery klasy, w zależności od struktury i obecnych pierwiastków stopowych. • Nieobrobiony, technicznie czysty tytan. • Stopy a - z dodatkami neutralnymi lub stabilizującymi fazę (Al, O oraz/lub N) • np. Ti-5Al-2,5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si • Stopy b (i pseudo- b),- z dodatkami Mb, Fe, V, Cr oraz/lub Mn. • np.: Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-13V-11Cr-3Al; • Mieszane stopy a + b, • np. Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Mo-2Cr, Ti-6Al-6Mo-4Zr-2Sn maksymalna temperatura stosowania: 600°C 450°C, P.Rokicki, Stopy tytany

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 17 Tytan i jego stopy • Tytan ma wysoki stosunek wytrzymałości do ciężaru, (przy 60% ciężaru właściwego stali) • Tytan ma bardzo wysoką odpornością na korozję: • na powierzchni tworzy się warstwa o grubości ok. 0,01 mm odpornego tlenku tytanu TiO 2 , • po uszkodzeniu warstwy tlenku i przedostaniu się tlenu następuje natychmiastowa odbudowa tlenku w tytanie. • Metaliczny tytan jest drogi ze względu na duże zużycie energii i surowców w procesie otrzymywania; • 6x droższy od aluminium • 10x droższy od stali odpornej na korozję • Stopy tytanu stosuje się do wymienników ciepła, sprzętu odsalającego, części silników odrzutowych, podwozi samolotowych, konstrukcyjnych części wręg lotniczych. • W sektorze lotniczym i kosmicznym, stosuje najczęściej stopy a + b (Ti-6Al-4V),. Zastosowanie w przemyśle lotniczym EUR USA silniki 37% 42% płatowce 33% 38%

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 18 Stopy tytanu na osnowie faz międzymetalicznych • Stopy g-TiAl – to międzymetaliczne stopy (intermetale) tytanu z glinem przeznaczone do pracy w podwyższonych temperaturach (500-800°C). • Charakteryzują się niewielką gęstością, są żaroodporne i żarowytrzymałe • W porównaniu z tradycyjnymi stopami Ti: zalety: • mniejsza gęstość, • większa wytrzymałość na pełzanie, • większa odporność na utlenianie w wysokiej temperaturze • mniejsza skłonność do zapłonu wady: • mniejsza ciągliwość w temperaturze pokojowej, • mniejsza odporność na pękanie, • problemy technologiczne D.M. Dimiduk : Materials Science and Engineering A263 (1999) 281–288 stiffness to weight ratio sztywność względna strength-to-weight ratio wytrzymałość względna wykorzystywane w ostatnich dwóch stopniach turbiny niskociśnieniowej w wylotowej części silnika

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 19 Stan warstwy wierzchniej przy obróbce stopów lotniczych R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Oddziaływanie cieplno-mechaniczne procesu skrawania na powierzchnię obrobioną powoduje zmiany warstwy wierzchniej, których dopuszczalność jest różna dla różnych elementów silnika i płatowca. • nawet w silniku nie wszystkie elementy mają te same wymagania jakościowe – dzieli się je na krytyczne i niekrytyczne dla bezpieczeństwa silnika (safety critical i non-critical parts) • Uszkodzenia warstwy wierzchniej wpływające na jakość przedmiotu mogą być: • nie geometryczne – powierzchnia zewnętrzna ma geometrię zadowalającą (chropowatość itd.), ale pod powierzchnią występują zmiany mikrostruktury i właściwości mechanicznych • odkształcenia • zanieczyszczenia • przetopienia • geometryczne – na powierzchni występują nieciągłości: • wyrwania • nałożenia • pęknięcia • zadrapania i nacięcia • ślady drgań samowzbudnych • Zwykle występują kombinacie ww. pojedynczych uszkodzeń

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 20 • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Obróbka kompozytów

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 21 Obróbka kompozytów – materiały narzędziowe R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Tworzywa wzmacnianych włóknami (Fibre-Reinforced Plastics - FRP) są • niehomogeniczne • anizotropowe W czasie obróbki występuje zmienne obciążenie mechaniczne i termiczne, zwłaszcza przy przerywanej obróbce z wysokimi prędkościami skrawania. Do ich obróbki potrzebne są narzędzia o odpowiedniej • wytrzymałości, • twardości, • odporności na szok termiczny Stosuje się tu dwa typy materiałów narzędziowych • materiały twarde (15–30 GPa) • węgliki spiekane niepokrywane • węgliki spiekane pokrywane • ceramika • materiały supertwarde (50–85 GPa): • regularny azotek boru (CBN) • diament CVD • diament polikrystaliczny (PCD) Wytwarzanie powłoki diamentowej metodą CVD

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 22 Obróbka kompozytów – materiały narzędziowe R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Węgliki spiekane mają najwyższą wytrzymałość na pękanie, stąd są używane do obróbki zgrubnej • Narzędzia diamentowe mają najwyższą twardość i przewodność cieplną – są stosowane do obróbki wykończeniowej • węgliki pokrywane diamentem oraz narzędzia z PCD są odpowiednie do toczenia i frezowania FRP z prędkościami v c =200–2000 m/min • węglikowe frezy palcowe z wlutowanymi ostrzami PCD są stosowane z prędkościami v c =780– 900 m/min • Narzędzia ceramiczne mają wysoką stabilność termiczną, ale przy obróbce FRP mają skłonność do wykruszania się • współcześnie dokonał się pewien postęp w poprawie ich wydajności dzięki zastosowaniu wzmocnienia włóknami SiC (ceramika zbrojona)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 23 Obróbka kompozytów – geometria ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Geometria ostrza odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu się wiórów przy obróbce FRP • delaminacja • skłębianie włókien • Dodatnie kąty natarcia obniżają siłę skrawania F c , a wzrost kąta przyłożenia zmniejsza siłę posuwową F f • Utrzymanie tych sił poniżej wartości granicznych umożliwia uniknięcie delaminacji przy wejściu i wyjściu ostrza z materiału • Wiercenie trepanacyjne pozwala na uzyskanie znacznie mniejszych sił posuwowych i momentu obrotowego oraz jakości otworu niż wiercenie konwencjonalne. • Modyfikacja geometrii ostrza przez zaokrąglenie lub sfazowanie krawędzi skrawającej znacznie podwyższa trwałość ostrza i jakość powierzchni obrobionej narzędziami z węglików U. Umer et al. Int J Adv Manuf Technol (2015) 78:1171–1179 N Kourra et al., Int J Adv Manuf Technol (2015) 78:2025–2035

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 24 Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza S. Rawat, H. Attia / Wear 267 (2009) 1022–1030 W trakcie wiercenia szybkościowego (113 i 283 m/min, f=0.1 mm/obr) CFRP jednolitym wiertłem węglikowym obserwowano: • intensywne zużycie ścierne spowodowane twardymi włóknami grafitowymi osadzonymi w miękkiej matrycy epoksydowej • wykruszanie ziaren WC. Na początku procesu wykruszanie występowało na wszystkich aktywnych powierzchniach wiertła Ścieranie obserwowano na powierzchni natarcia i przyłożenia jako wynik oddziaływania wykruszonych ziaren WC Zużycie ostrza przy wierceniu (v c =283 m/min, f = 0.1 mm/obr) CFRP: (a) zużycie ścina (b) zużycie ścierne głównej krawędzi skrawającej, (c) zaokrąglenie naroża (d) adhezja węgla na powierzchni przyłożenia tworzywo sztuczne wzmacnianego włóknem węglowym (carbon fibre reinforced plastic - CFRP)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 25 Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Dominującą formą zużycia narzędzi z polikrystalicznego regularnego azotku boru (PCBN) jest mikrowykruszanie, co czyni je nieprzydatnymi do obróbki materiałów niehomogenicznych i obróbki przerywanej. • Zużycie narzędzi z diamentu polikrystalicznego (PCD) to ścieranie, mikrowykruszenia i zaokrąglenie krawędzi skrawającej • gruboziarniste gatunki PCD zachowują się lepiej niż drobnoziarniste, uzyskując mniejsze zużycie powierzchni przyłożenia. • z drugiej strony drobnoziarniste PCD są bardziej podatne na mikrowykruszenia krawędzi • wykruszenia mogą być znacznie większe niż wymiar ziarna, powodując znaczne uszkodzenia krawędzi skrawającej. • słabe przyleganie diamentowego pokrycia CVD do węglikowego podłoża jest główną przyczyną stępienia ostrzy w stosowanych praktycznie warunkach skrawania

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 26 Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Szczególnym wymaganiem przy obróbce FRP jest ostra krawędź skrawająca i mały kąt naroża zapewniające dobrą jakość powierzchni obrobionej. • to osłabia ostrze i przyspiesza zużycie • stąd wydajność narzędzi pokrywanych diamentowo jest bardzo zależna od posuwu, przygotowania krawędzi skrawającej, typu podłoża i grubości pokrycia • Jeśli adhezja diamentowego pokrycia CVD do podłoża jest wystarczająca, dominują dwa kolejne mechanizmy zużycia ostrza: • ścieranie • delaminacja pokrycia diamentowego inicjowana przez jego wykruszenia • To drugie jest bardzo zależne od geometrii ostrza • duży promień naroża powoduje wysokie naprężenia ściskające prowadzące do delaminacji • mały promień powoduje naprężenia rozciągające w zewnętrznej warstwie pokrycia sprzyjając inicjacji pęknięć na powierzchni co powoduje wykruszanie pokrycia.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 27 Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Funkcjonalna jakość przedmiotów wykonanych z kompozytów jest zdeterminowana przez defekty wywołane obróbką: • delaminacja przy wejściu i wyjściu narzędzia w materiał, • uszkodzenia termiczne (przypalenie matrycy), • wyciąganie włókien • chropowatość powierzchni • błędy geometryczne i wymiarowe Uszkodzenia obserwowane przy wierceniu z wysokimi prędkościami (HSM) tworzywa sztucznego wzmacnianego włóknem węglowym (carbon fibre reinforced plastic - CFRP) (a) przypalenie matrycy (b) (c) wyciąganie włókien (d) delaminacja przy wejściu

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 28 Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej S. Rawat, H. Attia / CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 105–108 Wielkość delaminacji (przy wejściu i wyjściu) oceniana jest parametrami lub : = ℎ ; = −ℎ ℎ gdzie: Dmax – średnica okręgu opisanego na obszarze uszkodzonym, Dh – średnica wykonywanego otworu Wpływ prędkości skrawania i posuwu na parametry jakości obrobionych części opisuje mapa skrawalności Tu przykład zależności delaminacji wejścia i chropowatości otworu przy wierceniu CFRP wiertłem 6mm

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 29 Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Poza parametrami skrawania na jakość warstwy wierzchniej mają wpływ • orientacja kierunku włókien w stosunku do kierunku skrawania () • przy zmianie kata  od 0° do 90 ° formowanie wióra zmienia się od zależnego od typu żywicy do zależnego od typu włókna • towarzyszy temu wzrost elastycznych deformacji włókien poprzedzających ich pękanie, co powoduje chropowatą powierzchnię zewnętrzną. • kąt natarcia (g), • dla  = 0 °, dodatni kąt natarcia powoduje dobrą jakość warstwy wierzchniej z niewielkimi mikropęknięciami lub bez nich, oraz gładką powierzchnię zewnętrzną • ujemne kąty natarcia powodują mikropęknięcia i złą powierzchnię • mikrogeometria i stan krawędzi skrawającej

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 30 Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140. Porównanie konwencjonalnego i orbitalnego wiercenia tworzyw sztucznych wzmacniane włóknem węglowym Narzędzie A - wiercenie konwencjonalne Średnica 6.35 mm Węglik MG12 Kąt wierzchołkowy 100° Kąt pochylenia rowków 30° Pokrycie diamentowe 8+2mm Narzędzie B - wiercenie orbitalne Średnica 5 mm Węglik MG12 Kąt wierzchołkowy 184° Kąt pochylenia rowków 30° Pokrycie diamentowe 8+2mm

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 31 Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140. Jakość krawędzi wylotowej: Narzędzie A: liczba nieodciętych włókien wzrasta z numerem otworu Narzędzie B: wyniki lepsze niż dla A, a nawet jakość rośnie wraz z numerem otworu Obrazy mikroskopowe wykazują gorszą jakości otworu po wierceniu konwencjonalnym, w porównaniu z orbitalnym Zwłaszcza w otworach 400 i 1000 widoczne są wyłamania włókien aż do 40 mm pod powierzchnią. A B konw. orbit. A – konwenc. B – orbitalne Otwór 1 Otwór 400 Otwór 1000

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 32 Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140. Siła posuwowa (F f ) i moment dla narzędzia A Siła posuwowa osiowa (F f ) i posuwowa obwodowa (F o ) dla narzędzia B • Narzędzie A: siła posuwowa i moment wzrastają systematycznie wraz z silnym zużyciem ostrza • duże siły posuwowe powodują znaczne delaminacje i liczbę nieodciętych włókien (poprzedni slajd) • Narzędzie B: siła posuwowa i obwodowa pozostają na niskim poziomie (<66 N), • wynika to z uniknięcia skrawania z prędkością ok. 0 przy osi narzędzia • siła obwodowa jest niska, jednak wzrasta blisko trzykrotnie (od 9 do 25N) A konw. B orbit.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 33 Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140. Zmienność średnicy • Narzędzie A: zmienność średnicy 14.9 mm (IT7) w czasie wiercenia 1000 otworów • Narzędzie B: generuje większą zmienność - 39.1 mm (IT10) w czasie wiercenia 1000 otworów • jednakże po pierwszych 800 otworach zmienność (14.6 mm) jest tego samego rzędu co dla narzędzia A • wzrost błędu pojawia się po 800 otworach ze względu na uszkodzenie pokrycia diamentowego A B konw. orbit. narzędzie A narzędzie B Numer otworu Średnica (mm) ∆∅ = , ∆∅ = , Zadana średnica Wejście Wyjście Procedura pomiarowa Pomiary średnicy otworu - Średnia z 3, co 200 otworów • Okrągła końcówka ∅ =3mm • 3 poziomy pomiaru średnicy • 8 punktów pomiarowych na poziomie

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 34 Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140. W tym zastosowaniu wiercenie orbitalne zajmuje 8 sekund (=100%) podczas gdy konwencjonalne zajmuje 3.8 sekundy (47.5%). Porównanie czasu obróbki A B konw. orbit. Czas obróbki (główne składniki) Długość posuwu ~2mm 1 mm dobieg 8 mm CFRP 1 mm wybieg Całkowita długość 12 mm posuw roboczy Wycofanie Pozycjonowanie

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 35 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi • Jak się przekonaliśmy, orbitalne wiercenie otworów w materiałach kompozytowych jest skutecznym sposobem ograniczenia uszkodzeń powierzchni spowodowanych przez obróbkę • Atrakcyjną alternatywą dla stosowanych zwykle drogich frezów palcowych z ostrzami z diamentu polikrystalicznego (PCD) są ściernice diamentowe (SAD – superabrasive diamond), • duża trwałość, znacznie niższe koszty • Niestety uzyskiwane chropowatości powierzchni Ra są zwykle niezadowalające I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 36 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi • Ściernice SAD zastosowane do wiercenia orbitalnego kompozytów ze zbrojeniem z tkaniny z v s = 5m/s wykazały wyższe siły skrawania, temperaturę obróbki i chropowatość powierzchni R a niż uzyskane frezami palcowymi • Podwyższenie prędkości do v s > 15 m/s redukuje zapychanie się ściernicy i uszkodzenia powierzchni, jednak limitująca okazała się wysoka wartość R a . • Rozwiązanie znaleziono dzięki zastosowaniu wiercenia oscylacyjno – orbitalnego, które zapewniło redukcję R a bez podwyższania kosztu narzędzia i obniżania jego trwałości I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 http://3dwovens.com/products/

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 37 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 Wiercenia oscylacyjno – orbitalne wykonywane jest w dwóch krokach: Krok 1 – konwencjonalne wiercenie orbitalne – wykonanie otworu, Krok 2 – oscylacyjne wykończenie otworu Osiowe położenie narzędzia na początku i końcu każdego kroku zaznaczono jako A i B Krok 1 wiercenie orbitalne Krok 2 wykończenie oscylacyjne super twarda ściernica diamentowa

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 38 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 • Parametry obróbki w pierwszym kroku (wykonywanie otworu): • prędkość szlifowania vs (odpowiadająca prędkości obrotowej ns ), • prędkość posuwu orbitalnego vw (odpowiadająca prędkości ruchu orbitalnego nw ), • prędkość posuwu osiowego va . • Niewielka ilość materiału jest usuwana w kroku wykończeniowym z tą samą prędkością obrotową wrzeciona ns ale niskim posuwem orbitalnym vw • W kroku 2 narzędzie drga wzdłuż osi prędkość czyli występuje stosunkowo duży posuw osiowy va ns nw Krok 1 wiercenie orbitalne Krok 2 wykończenie oscylacyjne super twarda ściernica diamentowa ns nw

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 39 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 • Do badań wykorzystano cztery narzędzia o średnicy 9,525mm: • ściernice F60 o płaskim zakończeniu, ziarnistości 60 i wymiarze ziarna dg =252mm, • ściernice B60 o zakończeniu kulistym • ściernice F120 o płaskim zakończeniu, ziarnistości 120 i dg =126mm, • frez palcowy czteroostrzowy EM4 z węglików spiekanych. • W pierwszym kroku wykonywano otwór o średnicy 12mm, z parametrami: • prędkość skrawania vs =20m/s, • posuw osiowy 1mm/obr (va =193mm/min) • posuw orbitalny vw =1500m/min • W drugim kroku uzyskiwano średnicę 12,25mm z parametrami • prędkość skrawania vs =20m/s, • posuw orbitalny vw =200m/min • dwie częstości drgań 1,43 i 2,85 Hz i dwie amplitudy 10 i 20 mm. • Materiałem obrabianym był wielokierunkowy kompozyt epoksydowo-węglowy.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 40 Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144 • Frez EM4 generował powierzchnię o Ra mniejszym średnio o ok. 75% niż ściernice super twarde . • Redukcja wymiarów ziarna powinna poprawić chropowatość, jednakże powoduje wyższe temperatury i siły skrawania ze względu na zapychanie się ściernicy. • Stąd oscylacyjną obróbkę wykończeniową prowadzono jedynie ściernicą F60 • Wiercenie oscylacyjno – orbitalne pozwoliło na uzyskiwanie chropowatość Ra ok. 80% niższej niż w kroku 1 (konwencjonalne wiercenie orbitalne) Krok 2 tylko F60 Krok 1 chropowatość powierzchni Ra (mm)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 41 • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Obróbka stopów tytanu

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 42 Obróbka stopów tytanu S.Y. Hong et al. Int. J. Mach.Tools&Manuf. 41 (2001) 2245–2260 • Tytan i jego stopy są złymi przewodnikami • ciepło nie rozprasza się tylko koncentruje na powierzchni natarcia, • Zachowuje wytrzymałość w wysokich temperaturach • wysokie siły skrawania i temperatura w strefie skrawania • Długość kontaktu wióra z powierzchnią natarcia jest bardzo mała • wysoka temperatura i duże naprężenia skoncentrowane przy krawędzi skrawającej • Tytan silnie reaguje chemicznie z materiałami narzędziowymi • przypawanie, rozmazywanie, gwałtowne zużycie i KSO • W czasie obróbki przejawia niestabilność plastyczną • powstawanie wiórów o zlokalizowanych, wąskich strefach poślizgu • to powoduje dużą zmienność sił skrawania – zmęczeniowe uszkodzenia krawędzi S. Joshi et al. J. Eng. Mater. Technol 137(1),

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 43 Obróbka stopów tytanu – materiały narzędziowe R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Materiał narzędzia skrawającego powinien charakteryzować się odpowiednią twardością na gorąco, niską zawartością kobaltu i nie reagować z tytanem • Za wyjątkiem przeciągania, gdzie ciągle stosuje się stale szybkotnące podstawowym materiałem narzędziowym do obróbki stopów tytanu są niepokrywane węgliki spiekane wolframowe (WC, grupa ISO K). • dobór wymiaru ziarna i zawartości spoiwa zależy od rodzaju obróbki (zgrubna, wykończeniowa) • drobnoziarniste (0.8÷1.5 mm), 3-6% Co (K01÷K20) są stosowane do obróbki wykończeniowej, (v c =50÷120 m/min f=0.1÷0.2 mm/obr) • ultra drobnoziarniste (< 0.7 mm), 10% Co (K30÷K40) są stosowane do obróbki zgrubnej i przerywanej (v c =30÷40 m/min f=0.3÷0.4 mm/obr) • Niektórzy producenci zalecają węgliki pokrywane TiAlN metodą PVD do toczenia z wysokimi prędkościami skrawania • Narzędzia ceramiczne i węgliki spiekane grupy P nie nadają się do obróbki stopów tytanu. • Współcześnie pojawiły się próby wykorzystania narzędzie PCBN i PCD z v c >200m/min

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 44 Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Węgliki spiekane zużywają się: • na powierzchni przyłożenia głównie przez ścieranie, zwłaszcza przy niskich prędkościach skrawania • na powierzchni natarcia głównie dyfuzyjnie ze względu na wysoką temperaturę skrawania w strefie wtórnego ścinania • na obu powierzchniach występuje adhezja materiału obrabianego do ostrza, powodując okresowe odrywanie narostów i wyrywanie fragmentów ostrza. • wysokie naciski i temperatura prowadzą do odkształceń plastycznych przy toczeniu i frezowaniu • Zużycie ostrza przy wierceniu jest podobne jak przy toczeniu i frezowaniu, dominuje jednak adhezja, wykruszanie krawędzi skrawającej, dyfuzja lub wykruszenia naroża

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 45 Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Narzędzia CBN (ze spoiwem AlN i AlB 2 ) stosowane do toczenia ze stosunkowo niską prędkością skrawania (75m/min) wykazują stopniowy wzrost zużycia powierzchni przyłożenia i krateru na powierzchni natarcia prowadzący do znacznych wykruszeń. • Głównymi postaciami zużycia płytek o wysokiej (93%) koncentracji CBN ze spoiwem Co, przy obróbce Ti–6Al–4V z prędkością 120 m/min są wykruszenia wytrzymałościowe i zużycie skoncentrowane: • Wynika to z gwałtownej transformacji wytrzymałej struktury regularnego azotku boru (CBN) w słabszą strukturę heksagonalnego azotku boru (HBN) w wyniku oddziaływania wysokiej temperatury. Zużycie skoncentrowane (a), (b) i wykruszenia (c) przy toczeniu Ti–6A–l4V.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 46 Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Dominującą formy zużycia narzędzi PCD przy toczeniu stopów Ti na powierzchni natarcia i przyłożenia są • tarcie, • adhezja powodującej wyrywanie diamentowych ziaren (plucking) • dyfuzja • grafityzacja • Podczas gdy na powierzchni przyłożenia materiał przywarty adhezyjnie tworzy w miarę stabilną warstwę, w kraterze na powierzchni natarcia występują obszary odsłoniętego PCD, z nierówną powierzchnią powstałą w wyniku wyrywania ziaren diamentowych, zwłaszcza przy stosowaniu chłodziwa pod wysokim ciśnieniem. Powierzchnia przyłożenia i natarcia ostrza PCD po toczeniu Ti–6Al–4V v c =200 m/min, ciśnienie chłodziwa (a) 11 Mpa, (b) 20.3 MPa.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 47 Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy frezowaniu z użyciem PCD częstą postacią zużycia jest wykruszanie i zmęczeniowe wyłamywanie krawędzi. • Adhezja materiału obrabianego do ostrza, ścieranie, dyfuzja odgrywają główną rolę, zwłaszcza przy wysokich prędkościach skrawania. • W niektórych badaniach obserwowano brak wyraźnego zużycia przy obróbce wykończeniowej łopatek turbin z Ti–6Al–4V frezami palcowymi z PCD. • przypisuję się to powstawaniu stabilnej warstewki TiC chroniącej powierzchnię narzędzia przed dyfuzją PCD do materiału obrabianego • Podczas gdy przy frezowaniu węglikiem pokrytym PCD metodą PVD stopu Ti–6A– l4V uzyskano T=30min dla v c = 40 m/min, obróbka stopu Ti5553 spowodowała bardzo silną adhezję i KSO już po 2 min. • Po obniżeniu v c do 25 m/min uzyskano T=15min

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 48 Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Warstwa wierzchnia stopów tytanu ulega zwykle plastycznym deformacjom zgodnym z kierunkiem obróbki • mają one tendencję do powiększania się wraz ze zużyciem ostrza i parametrów skrawania (v c , f, a p ) Odkształcenia plastyczne po (a) toczeniu Ti–6Al–4V vc =45 m/min; (b) frezowaniu na sucho Ti-6246S vc =125 m/min (a) (b) • Obserwuje się także rozsmarowywanie materiału przy toczeniu Ti–6Al–4V oraz losowe występowanie wyrywania ziaren, nawet przy stosowaniu narzędzi PCD i chłodzenia pod wysokim ciśnieniem (200 bar) (a) Ziarna wyrywane przy toczeniu Ti–6Al–4V węglikiem, vc =60 m/min; (b) Nalepy i wyrwania powierzchni przy toczeniu Ti–6Al–4V narzędziem PCD vc =200 m/min (a) (b)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 49 Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Uzyskanie zadowalającej jakości warstwy wierzchniej przy obróbce stopów g-TiAl jest znacznie trudniejsze ze względu na niską ciągliwość <2% i odporność na pękanie w temperaturze pokojowej • Stopy g-TiAl frezowane lub toczone konwencjonalnie narzędziami z węglików zwykle mają powierzchniowe i podpowierzchniowe defekty jak rozmazywanie materiału, zaciągnięcia powierzchni, zniekształcenia ziaren, kruche wykruszenia i wyłamania ziaren borku tytanu TiB 2 . • Bardzo niebezpieczne jest powstawanie pęknięć rozchodzących się równolegle do kierunku posuwu przy toczeniu, nawet przy „łagodnych” parametrach skrawania (v c =10–40 m/min, f=0.05–0.35 mm/obr, a p =0.05–0.7 mm), • można ich uniknąć tocząc g-TiAl z v c ≤100m/min co zwiększa plastyczność materiału obrabianego kosztem T <1 min. Powierzchnie g-TiAl w których występują (a) pęknięcia równoległe do kierunku; (b) brak pęknięć, ale zdeformowane ziarna (a) (b)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 50 Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy stosowaniu właściwych parametrów skrawania, naprężenia resztkowe w warstwie wierzchniej stopów tytanu są zwykle ściskające. • po skrawaniu ortogonalnym na sucho, narzędziami PCD w szerokim zakresie prędkości skrawania (v c =20–660 m/min), naprężenia zmieniały się od ściskających dla niskich prędkości do rozciągających dla v c >100m/min, co wynikało z hartowania powierzchni przedmiotu rozgrzewanego do coraz wyższych temperatur • Przy frezowaniu stopu IMI-834 (Ti–5.8Al–4.5Sn–4Zr–0.7Nb–0.5Mo–0.4Si–0.006C) z v c =11–56 m/min, f z =0.056– 0.10 mm/ostrze i a p =0.25–2.00 mm naprężenia były zawsze ściskające (do 500MPa) • Zużycie ostrza ma znaczny wpływ na naprężenia resztkowe – stają się coraz bardziej ściskające przy toczniu Ti–6Al–4V z v c =120m/min J.D.P. Velásquez et al. / Materials Science and Engineering A 527 (2010) 2572–2578

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 51 • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Obróbka stopów niklu

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 52 • Stale szybkotnące (wytrzymałe, mało odporne na zużycie) stosowane są przy niskich prędkościach skrawania (v c <5m/min) do złożonych narzędzi jak przeciągacze (obróbka gniazd łopatek turbin), • narzędzia wykazują kombinację zużycia ściernego i adhezyjnego • zastosowanie węglików spiekanych do przeciągaczy umożliwia stosowanie wyższych prędkości (do 20m/min), z mniejszymi siłami skrawania Obróbka superstopów niklu - materiały narzędziowe R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 53 • Węgliki spiekane z różnymi pokryciami (np. PVD–TiAlN, CVD–TiCN/Al2O3/TiN) pracujące ze średnimi prędkościami skrawania (v c =10÷100 m/min, niższe dla wiercenia, wyższe dla toczenia i frezowania) z dodatnimi kątami natarcia są wykorzystywane w postaci płytek lub narzędzi jednolitych o szerokim zakresie geometrii i wymiarów, zarówno do obróbki zgrubnej jak wykończeniowej • przy obróbce ciągłej (toczenie) zużywają się głównie ściernie i adhezyjnie, z tendencją do powstawianie karbów (zużycie skoncentrowane) • przy obróbce przerywanej dodatkowo występuje wykruszanie krawędzi skrawającej • gdy odprowadzanie ciepła jest utrudnione (wiercenie, rozwiercanie) zużycie ścierne i adhezyjne jest jeszcze większe Obróbka superstopów niklu - materiały narzędziowe R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 54 • Ceramika czysta (v c >200 m/min) zużywa się ściernie, dyfuzyjnie i chemicznie ulegając także odkształceniom plastycznym (wysokie temperatury) • zużycie ceramiki zbrojonej („wiskers”, SiC) jest wyraźnie mniejsze Obróbka superstopów niklu - mechanizmy zużycia ostrza Ceramika SiAlON zużycie powierzchni przyłożenia zużycie skoncentrowane Małe zużycie ścierne ceramiki zbrojonej Narzędzia ceramiczne, (Al 2 O 3 , SiAlON, zwykle zbrojone SiC) stosowane z prędkościami v c >200 m/min, zwykle z ujemnymi kątami natarcia, powodują wysokie temperatury w strefie skrawania – zmiany warstwy wierzchniej, więc dopuszczalne tyko do obróbki zgrubnej R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 55 Obróbka superstopów niklu - mechanizmy zużycia ostrza Frezowanie zgrubne Inconel 718 (badania ZAOiS) Frez D=50mm, liczba ostrzy z=4, Sialon CC6060, d= 12 mm, vc =1000 m/min, ae =42mm ap =2mm, fz =0.1 mm/z, vf =2712mm/min ~ 50 mm ~ 20 mm ts ~4s 439 320 542 ts ~70s 1618 598 3169

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 56 • Regularny azotek boru (PCBN) stosowany z prędkościami v c =200÷500 m/min, stosowany do wykończeniowej obróbki ciągłej. • Zużywa się głównie przez adhezję i dyfuzję spowodowaną chemicznym powinowactwem między materiałem ostrza i obrabianym • przy obróbce Inconel 718 prowadzi to do przejścia od zużycia stopniowego do wykruszeń i katastroficznego stępienia ostrza Obróbka superstopów niklu – mechanizmy zużycia ostrza R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Przykłady zużycia narzędzi PCBN przy wykończeniowym toczeniu Inconel 718: (a) vc = 250 m/min, f = 0.2 mm/obr (b) vc = 450 m/min, f = 0.1 mm/obr

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 57 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej • Zaciągnięcia materiału i plastyczne deformacje ziaren wzdłuż kierunku obróbki są obserwowane gdy zużycie ostrza i/lub prędkość skrawania są na tyle duże, że wzrost temperatury w strefie kontaktu narzędzia z przedmiotem obrabianym nakłada się na naprężenia mechaniczne. • Dla obróbki ciągłej (toczenie, wiercenie, struganie) obserwuje się bardziej równomierne zaciągnięcia • Przy obróbce przerywanej (frezowanie) mogą wystąpić lokalne zagniecenia ziaren • Zaciągnięcia materiału mogą również wystąpić przy bardzo małych grubościach warstwy skrawanej, stąd należy ich unikać Przykłady zaciągnięcia materiału przy frezowaniu z vc =15 min/min RR1000 (a) i Inconel 718 z vc =83 m/min (b). kierunek obwodowy R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 58 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej Uszkodzenia warstwy wierzchniej po wierceniu są funkcją wydajności objętościowej i zużycia ostrza J. Kwonga, et al.,J.Mat.Proc.Tech. 209 (2009) 3968–3977 Strefa pomijalnych uszkodzeń Strefa niedopuszczalnych uszkodzeń Strefa wolna od uszkodzeń Linia graniczna Wydajność mm3/min Zużycie ostrza VBB (mm) SP • strefa podstawowa (SP) – zakres bezpiecznych warunków • strefa dużego zużycia - niedopuszczalnych uszkodzeń (DZ-NU) • zużycie jest trzykrotnie wyższe niż w SP, przy tej samej wydajności • strefa dużych prędkości – niedopuszczalnych uszkodzeń (DP-NU): • prędkość skrawania jest dwukrotnie wyższa niż s SP, ale zużycie ostrza to samo • strefa bez chłodziwa – niedopuszczalnych uszkodzeń (BC-NU), • wydajność i zużycie są w strefie wolnej od uszkodzeń lub pomijalnych uszkodzeń, ale ze względu na nieobecność chłodziwa wyniki mogą tyć takie jak przy dużym zużyciu i dużej wydajności Krótkotrwały zanik chłodzenia może zdarzyć się niespodziewanie i niezauważenie, a jego konsekwencje mogą być bardzo istotne BC-NU DZ-NU BC-NU DP-NU

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 59 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej Jakość warstwy wierzchniej po wierceniu jest funkcją wydajności objętościowej i zużycia ostrza J. Kwonga, et al.,J.Mat.Proc.Tech. 209 (2009) 3968–3977 wiercenie:(a) strefa podstawowa, (b) duże zużycia - niedopuszczalne uszkodzenia, (c) duże prędkości – niedopuszczalne uszkodzenia (d) bez chłodziwa – niedopuszczalne uszkodzenia Wiercenie i frezowanie wgłębne (e) strefa podstawowa, f) bez chłodziwa wygląd powierzchni zgłady obwodowe zgłady osiowe a) a) a) b) c) d) e) f) b) c) d) e) f) b) c) d) e) f)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 60 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Poważne odkształcenia plastyczne, tzw. „biała warstwa” pojawia się w wyniku wysokich obciążeń mechanicznych i termicznych przy obróbce bez odpowiedniego chłodzenia Na zwykłych zdjęciach SEM można wyróżnić trzy rejony – bezpostaciowa „biała warstwa”, strefa deformacji plastycznych i materiał rdzenia: W rzeczywistości „biała warstwa” ma strukturę nanokrystaliczną i może się pojawiać na powierzchni obrobionej jako ciągła lub nie Nanostruktura białej warstwy RR1000 po intensywnym wierceniu na zdjęciu z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) bezpostaciowa biała warstwa strefa deformacji plastycznych materiał rdzenia 20 mm A.Thakur et al. / Procedia CIRP 14 ( 2014 ) 541 – 545

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 61 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Wysokie obciążenia termiczne i mechaniczne w czasie obróbki powodują pęknięcia powierzchni przedmiotu obrobionego • Wynikają z wysokich naprężeń rozciągających występujących w „białej warstwie • Pęknięcia powstające w sąsiedztwie nieciągłości metalurgicznych mają skłonność do rozchodzenia się prostopadle do powierzchni obrobionej • Pęknięcia powstające w zaciągniętym materiale układają się wzdłuż linii naprężeń Pęknięcia powierzchni w sąsiedztwie ziaren NbC/TiC po toczeniu Inconel 718 (vc = 300 m/min) płytkami PCBN Pęknięcia powierzchni w zaciągniętym materiale po wierceniu RR1000 (vc>30 m/min).

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 62 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Powstawanie kołnierzy, zawinięć materiału może być spowodowane przez: • uderzanie wiórów w powierzchnie, • lokalne uszkodzenia krawędzi skrawającej (np. wykruszenia) • narost rysujący powierzchnię Kołnierze po przeciąganiu spowodowane wykruszeniami krawędzi skrawającej Zawinięcia materiału spowodowane przez wycofywanie wiertła z narostem

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 63 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Pomiary rozkładu mikrotwardości pod powierzchnią obrobioną są rutynowo stosowane do określenie warstwy utwardzonej przez obróbkę spowodowanego przez zaciąganie materiału w niekorzystnych warunkach: • nadmierne zużycie ostrza, • zbyt wysoka prędkość skrawania • przemiany cieplne warstwy wierzchniej (<~15mm) Profil nanotwardości pod powierzchnią powstałą po agresywnym wierceniu różnych stopów Ni • Na rysunku widoczny jest znacznie większy wzrost nanotwardości pod powierzchnią przy obróbce RR1000 oraz 720 niż Inconel 718 i Waspaloy • Było to wyraźnie skorelowane z powstawaniem grubszych nanostrukturalnych warstw bardzo silnie odkształconych plastycznie

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 64 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Naprężenia resztkowe w warstwie wierzchniej mają szczególne znaczenie • naprężenia ściskające są korzystne dla wytrzymałości zmęczeniowej • naprężenia rozciągające są szkodliwe – obniżają wytrzymałość zmęczeniową • Wytwórcy silników lotniczych określają pożądany poziom naprężeń ściskających, dla części krytycznych ze względu na bezpieczeństwo • jest on trudny do osiągnięcia na głębokości do 1 mm przez skrawanie, stąd powszechną praktyką jest poddawanie takich powierzchni obróbce strumieniowo- ściernej, kulowaniu (shot peening) • Dla części, które nie są krytyczne również korzystne jest otrzymanie ściskających naprężeń resztkowych na głębokościach sięgających setek mikrometrów przy minimalnych zniekształceniach warstwy wierzchniej. • Z tego względu jest kluczowe, by wykończeniowa obróbka usuwała wszelkie wady, defekty powierzchni i warstwy wierzchniej (np. naprężenia rozciągające, białe warstwy itd.) i pozostawiała korzystne zmiany tej warstwy – naprężenia ściskające

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 65 Obróbka superstopów niklu – stan warstwy wierzchniej R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Obróbka na sucho stopów niklu z reguły prowadzi do wysokich naprężeń rozciągających w warstwie wierzchniej. • podobnie się dzieje przy zbyt małej ilości chłodziwa • Zastosowanie pokrywanych ostrzy przy toczeniu powoduje powiększenie naprężeń rozciągających przy obróbce Inconel 718, prawdopodobnie ze względu na mniejsze przenikanie ciepła przez materiał ostrza. • Naprężenia resztkowe powierzchni obrobionej zmieniają się wraz ze zużyciem ostrza! • wynika to ze wzrostu utwardzenia mikrostruktury warstwy wierzchniej spowodowanego przez zużyte ostrze Rozkład naprężeń w warstwie wierzchniej po toczeniu Inconel 718 nowym i stępionym ostrzem z węglika (vc =120 m/min, f=0.15 mm/obr)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 66 • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 67 Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • W przeszłości obróbka na sucho i MQL stosowane były głównie w przemyśle motoryzacyjnym. • W przemyśle lotniczym ich stosowanie ograniczone było przez złą obrabialność żarowytrzymałych stopów tytanu i opartych na niklu. • Stosując MQL nie da się odebrać dużych ilości ciepła generowanych przy ich obróbce. • Stąd zwykle obrabia się je stosując konwencjonalne chłodzenie zalewowe emulsją lub olejem • Jednakże współcześnie obserwuje się rosnące zainteresowanie zastosowaniem obróbki na sucho i MQL także w przemyśle lotniczym. • Niezbędne jest opracowanie • przystosowanych geometrii ostrza, • odpowiednich materiałów narzędziowych i ich pokryć zachowujących: • twardość w wysokiej temperaturze, • niską skłonność do adhezji • niski współczynnik tarcia

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 68 Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem • Obiecujące wyniki w zastosowaniu obróbki na sucho i MQL stopów opartych na niklu z wysokimi wydajnościami można uzyskać stosując narzędzia ceramiczne. • W porównaniu z obróbką konwencjonalną Inconel 718 prowadzoną na mokro węglikami z prędkościami v c =20-100 m/min • płytki okrągłe z ceramiki wzmacnianej włóknami SiC (wiskers) umożliwiają wydajną obróbkę na sucho Inconel 718 z prędkościami vc =100–300 m/min • frezy palcowe zrobione z SiAlON umożliwiają obróbkę z prędkościami vc =500–1000 m/min • Dzięki optymalizacji geometrii ostrza – wykonanie mikro rowków na powierzchni natarcia narzędzia z węglików - uzyskano obniżenie temperatury ostrza przy obróbce na sucho stopu tytanu Ti6Al4V Xie J, et al.(2013) Int. J.Mach.Tools&Manuf.73:25–36.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 69 Obróbka na sucho i z minimalnym smarowaniem R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • W przeciwieństwie do stopów niklu i tytanu, obróbka stopów Al na sucho, a szczególnie z MQL jest stosowana szeroko w przemyśle lotniczym. • głównym wyzwaniem jest przeciwdziałanie skłonności do adhezji przez dostosowanie geometrii ostrza, materiału ostrza i pokrycia • Obróbka na sucho kompozytów ma ujemny wpływ na trwałość ostrza i jakość wyrobu, jednakże obróbka na mokro jest również niepożądana w wielu zastosowaniach ze względu na szkodliwe oddziaływanie wilgoci na wytrzymałość tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym (CFRP) • MQL jest więc atrakcyjnym rozwiązaniem poza oczywistymi korzyściami ekonomicznymi i środowiskowymi.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 70 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • W licznych przypadkach uzyskano korzystne wyniki chłodzenia pod wysokim ciśnieniem przy obróbce materiałów lotniczych, głównie stopów tytanu i niklu. • Ze względu na wysokie naprężenia termiczne w narzędziu, stopy tytanu są zwykle obrabiane z chłodzeniem. • ze względu na długi czas kontaktu narzędzia z materiałem obrabianym, konieczne jest intensywne chłodzenie zwłaszcza przy toczeniu. • Bardzo efektywne może tu podawanie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem (p>80bar) F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 71 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Zastosowanie chłodzenia pod wysokim ciśnieniem od strony powierzchni przyłożenia przy nacinaniu rowków w Ti6Al4V, zwiększyło trwałość ostrza o 50-100% w porównaniu z chłodzeniem zalewowym. • Przy podawaniu chłodziwa na powierzchnię natarcia efekty były znacznie lepsze, a dodatkowe chłodzenie od strony powierzchni przyłożenia niewiele już wniosło K Sørby, K Tønnessen,J. Engineering Manufacture, 2006 220/10. 1621-1627

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 72 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • Badanie wpływu ciśnienia chłodziwa przy toczeniu Inconel 718 na zużycie ostrza po 6 minutach skrawania wykazały • w przeciwieństwie do obróbki TI6Al4V zużycie skoncentrowane wzrastało znacznie wraz z ciśnieniem i wydatkiem chłodziwa, • spowodowane przez koncentrację sił skrawania na krawędzi skrawającej • Inconel 718 ma dużą ilość twardych cząsteczek w matrycy, przez co ma znacznie wyższe właściwości ścierne niż TI6Al4V • zużycie równomierne VB zmniejszyło się o 50% dzięki obniżeniu temperatury. • Obniżenie temperatury prowadziło do zmniejszenia zużycia o ok 50% przy ciśnieniu 150 i 300 bar Zależność zużycia ostrza i postaci wiórów od ciśnienia chłodziwa przy toczeniu Inconel 718 Klocke F, et al. Procedia CIRP (2012) 1:312–317.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 73 Chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • dla niskich prędkości (v c = 200 m/min) chłodzenie pod wysokim ciśnieniem miało znikomy wpływ, ponieważ zużycie termiczne było niewielkie nawet przy chłodzeniu konwencjonalnym, o zużyciu decydowała szkodliwa koncentracja naprężeń blisko krawędzi skrawającej • większy przy wysokich prędkościach (v c = 500 m/min) wpływ był znacznie większy ze względu na wysoką temperaturę zmiękczającą materiał obrabiany i zwiększającą zużycie ostrza inne niż wytrzymałościowe Klocke F, et al. Procedia CIRP (2012) 1:312–317. Zależność zużycia ostrza od prędkości skrawania i ciśnienia chłodziwa przy toczeniu Inconel 718 ceramiką tlenkową wzmacnianą włóknami SiC (whisker) po przejściu drogi skrawania lc = 400 m Przy toczeniu Inconel 718 ceramiką tlenkową wzmacnianą włóknami SiC (whisker):

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 74 Chłodzenie kriogeniczne R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy obróbce materiałów on niskiej przewodności cieplnej jak stopy tytanu występują wysokie temperatury w strefie skrawania, a zużycie termiczne (np. dyfuzja) przeważa nad mechanicznym (np. ścieranie) • Atrakcyjnym sposobem usuwania ciepła jest wtedy chłodzenie kriogeniczne. • Ma ono ogromny potencjał znacznego obniżenia temperatury w porównaniu do chłodzenia zalewowego czy pod wysokim ciśnieniem. • najczęściej stosowanym medium jest azot (N 2 ) i dwutlenek węgla (CO 2 ) ze względu na ich łatwą dostępność i bezpieczne stosowanie

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 75 Chłodzenie kriogeniczne Intensywne badania nad zastosowaniem chłodzenia kriogenicznego prowadzone są zarówno dla toczenia… jak frezowania: Przy frezowaniu Ti6Al4V zastosowanie CO 2 , a jeszcze bardziej LN 2 dało bardzo pozytywne efekty: Klocke F, et al. Procedia CIRP (2012) 1:312–317.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 76 Wpływ chłodzenia kriogenicznego na warstwę wierzchnią Przy toczenia stopów tytanu z glinem g-TiAl z zastosowaniem chłodzenia kriogenicznego ciekłym azotem stwierdzono znaczną redukcję chropowatości powierzchni w porównaniu z obróbką na sucho oraz z chłodzeniem minimalnym MQL zarówno dla narzędzia z ostrą jak sfazowaną krawędzią skrawającą Znaczny wzrost sił skrawania, pogarszanie chropowatości oraz pęknięć powierzchni występowało wraz ze zużywaniem się ostrza przy skrawaniu na sucho, czego nie obserwowano przy chłodzeniu ciekłym azotem, kiedy to zużycie ostrza było znacznie mniejsze Warunki skrawania: vc = 100 m/min, f = 0,1mm/obr, ap = 0,4mm ostrze CNMA 120408 Krawędź ostra Na sucho MQL LN2 Na sucho LN2 Na sucho LN2 Chropowatość powierzchni przy obróbce stopu Ti-45Al-8Nb-0.2C-0.2B, gn , bgn , - wymiary sfazowania krawędzi skrawającej

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 77 I.S. Jawahir, et al. CIRP Annals, 65 (2016): pp. 713-736 Wpływ chłodzenia kriogenicznego na warstwę wierzchnią • Podwyższenie twardości warstwy wierzchniej po skrawaniu z chłodzeniem kriogenicznym LN 2 wynika zarówno z rekrystalizacji jak utwardzenia zgniotem w czasie obróbki. • Zaobserwowano je dla szerokiego zakresu materiałów, w tym Inconel 718 oraz stop g-TiAl, przy których zmieniona warstwa była twardsza, ale cieńsza niż po obróbce na sucho czy z minimalnym smarowaniem. Twardość HV0,05 Na sucho MQL Kriogeniczne W stanie dostawy Głębokość pod obrobioną powierzchnią [mm] Profiie twardości warstwy wierzchniej po obróbce Ti6Al4V na sucho, ze smarowaniem minimalnym (MQL) i chłodzeniem kriogenicznym LN2 ; vc =150

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 78 Na sucho MQL Kriogeniczne Krio+MQL Głębokość pod obrobioną powierzchnią [mm] Naprężenia resztkowe I.S. Jawahir, et al. CIRP Annals, 65 (2016): pp. 713-736 Wpływ chłodzenia kriogenicznego na warstwę wierzchnią Badania naprężeń resztkowych uzyskanych po obróbce Inconel 718 z różnymi sposobami chłodzenia wykazały, że chłodzenie kriogeniczne znacznie zwiększa naprężenia ściskające Rozkład naprężeń resztkowych prostopadłych do kierunku obróbki Inconel 718 (f=0,05mm/obr, ap =0,63mm, vc =60 m/min) z różnymi sposobami chłodzenia

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 79 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym • Współczesne materiały lotnicze • Obróbka kompozytów • Obróbka stopów tytanu • Obróbka stopów niklu • Zaawansowane techniki chłodzenia przy obróbce materiałów lotniczych • na sucho i z minimalnym smarowaniem (MQL) • chłodzenie pod wysokim ciśnieniem • chłodzenie kriogeniczne • Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych • wspomagana laserem • wspomagana drganiami Obróbka hybrydowa materiałów lotniczych

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 80 Obróbka hybrydowa Lauwers B, et al. CIRP Annals, (2014)63:561–583. Obróbka hybrydowa polega na jednoczesnym, kontrolowanym współdziałaniem różnych mechanizmów i/lub form energii/narzędzi mających istotny wpływ na przebieg procesu Warianty toczenia wspomaganego drganiami (VAM – vibration assisted machining) Zasada toczenia wspomaganego laserowo (Laser Asisted Machining – LAM)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 81 Wpływ LAM na temperaturę materiału obrabianego Zasada obróbki wspomaganej laserowo i zależność wytrzymałości materiałów trudnoobrabialnych i Si 3 N 4 od temperatury Ceramika azotkowa pozostaje twarda, gdy te materiały miękną, co czyni ją szczególnie przydatną do takiego zastosowania

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 82 Obróbka hybrydowa – wspomagana laserem V.García et. al. Int. J.MachineTools&Manuf. 74(2013)19–28 • Występują trzy mechanizmy mięknięcia materiału obrabianego odpowiedzialne za poprawę skrawalności Inconel 718 dzięki Laser Assisted Machining (LAM) • temperatura z w strefie ścinania może osiągać 600-650C co powoduje znaczny spadek wytrzymałości • nagrzewanie laserem znacznie redukuje utwardzanie powierzchni przez poprzednie przejścia • w przypadku Inconel 718 utwardzanego dyspersyjnie, nagrzewanie laserem redukuje także twardość materiału podstawowego przez jego wyżarzanie • Poprawa skrawalności Inconel 718 dzięki LAM jest tym większa, im wyższa jest twardość materiału. • Redukcja sił skrawania jest tym większa, im mniejsza jest odległość punktu grzania od strefy skrawania, • jednak jest pewne minimum, którego nie wolno przekraczać, ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania narzędzia; tu było to 45mm. • Redukcja sił jest tym większa im wyższa jest prędkość skrawania, ponieważ jest mniej czasu na ostygnięcie nagrzanej warstewki materiału. Uszkodzenie narzędzia gdy promień był w odległości 25 mm

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 83 Obróbka hybrydowa – wspomagana laserem V.García et. al. Int. J.MachineTools&Manuf. 74(2013)19–28 • Efektywność zastosowania LAM do obróbki Inconel 718 bardzo zależy od materiału ostrza. • Trwałość narzędzi węglikowych jest z LAM znacznie niższa niż przy obróbce konwencjonalnej, ze względu na zbyt wysokie temperatury. • Tym niemniej zużycie wrębowe i wykruszania takich ostrzy jest mniejsze dzięki LAM i przewagę uzyskuje zużycie powierzchni przyłożenia VBB, które jest bardziej przewidywalne. • Powoduje to także obniżenie chropowatość powierzchni obrobionej, a także redukcję naprężeń resztkowych w warstwie wierzchniej. konwencjonalna LAM

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 84 Obróbka hybrydowa – wspomagana laserem Lauwers B, et al. CIRP Annals, (2014)63:561–583. Przy obróbce Inconel 718 wspomaganej laserem uzyskano znaczną poprawę jakości warstwy wierzchniej. W porównaniu z obróbką konwencjonalną: • warstwa odkształcona plastycznie była głębsza i bardziej jednolita • występowały korzystne naprężenia ściskające • nie występowało rozmazywanie materiału Poprawa jakości warstwy wierzchniej (np. uniknięcie rozmazywania) przy toczeniu Inconel718 ze wspomaganiem laserowym i na sucho

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 85 Obróbka hybrydowa – wspomagana laserem • W czasie obróbki Inconeli z wysokimi prędkościami skrawania z zastosowaniem LAM uzyskano redukcję sił skrawania 40–60% oraz poprawę trwałości ostrza • Podobne efekty obniżenia sił o 21% i zwiększenia wydajności o 34% uzyskano przy frezowaniu stopów tytanu ze wspomaganiem laserowym • Prowadzono także próby poprawy skrawalności stopu tytanu (Ti6Al4V) przez połączenie LAM i chłodzenia kriogenicznego LN 2 • dzięki LAM poprawiono prędkości skrawania od niskiej (60 m/min) do średniej (107 m/min) • dodanie LN 2 pozwoliło na zwiększenie tej prędkości do 150–200 m/min. • Profile mikrostruktury i twardości nie wykazały zmian w stosunku do stanu przed obróbką. • Uzyskano 2-3 krotne podwyższenie trwałości dla węglików pokrywanych TiAlN co dało 40% obniżkę kosztu wytwarzania w porównaniu do obróbki konwencjonalnej. Lauwers B, et al. CIRP Annals, (2014)63:561–583.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 86 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Obróbkę wspomaganą drganiami (Vibration-assisted machining - VAM) można podzielić na: • wspomaganie ultradźwiękowe (ultrasonic assisted machining UAM), w którym przemieszczenia narzędzia o małej amplitudzie i wysokiej częstotliwości są nakładane na ruch roboczy, • wspomaganie modulacją (modulation assisted machining MAM), w którym stosuje się wysokie amplitudy i niskie częstotliwości • Narzędzie może być pobudzane: • jednowymiarowo - ruch posuwisto zwrotny (1D VAM) • dwuwymiarowo - ruch eliptyczny (2D VAM). • w obydwu przypadkach narzędzie okresowo odrywa się od wióra • Jedną z głównych korzyści z VAM jest redukcja sił skrawania wynikająca z okresowego zmniejszania grubości warstwy skrawanej w każdym cyklu drgań • Dalsza redukcja sił wynika z odwracania kierunku siły tarcia na powierzchni natarcia gdy narzędzie przemieszcza się w głąb materiału • to pomaga także w usuwaniu wióra

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 87 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Dodatkowo zredukowane pole kontaktu złamanego wióra z powierzchnią natarcia powoduje redukcję tarcia na tej powierzchni • siła tarcia jest dodatkowo redukowana przez przerywany kontakt między powierzchnią przyłożenia a przedmiotem Głównym polem zastosowań VAM jest obróbka materiałów twardych i kruchych przy pomocy narzędzi diamentowych • Tym niemniej technologia ta jest szeroko stosowana także do wysokoproduktywnej obróbki różnych trudnoskrawalnych materiałów lotniczych takich jak stopy tytanu i niklu. • Głównym celem jest wzrost trwałości przy jednoczesnym obniżeniu sił skrawania i poprawa jakości obrobionej powierzchni

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 88 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy toczeniu Inconel 718 oraz Ti15-3-3-3 zastosowana wspomagania drganiami spowodowało obniżenie chropowatości powierzchni Ra o 30 - 50% • Przy toczeniu Ti6Al4V uzyskano redukcję sił o 30–50% przy toczeniu Ti6Al4V • Zastosowanie drgań do głębokiego wiercenia Inconel 738LC spowodowało: • niższe siły skrawania, • niższą chropowatość powierzchni, • lepsze łamanie wiórów. • Podobne korzyści uzyskano przy wierceniu wspomaganym drganiami: • kompozytów o osnowie metalicznej (metal matrix composites – MMC) • tworzyw sztucznych wzmacnianego włóknem węglowym (carbon fiber-reinforced polymer - CFRP) • Ti6Al4V (przy drganiach przedmiotu)

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 89 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami Przy wierceniu Ti6Al4V wspomaganego drganiami ultradźwiękowymi : • F f obniżyła się średnio o 10–20% • tym bardziej im wyższa była amplituda drgań • temperatura wierzchołka wiertła rosła wraz z amplitudą drgań J. Pujana et al. / International Journal of Machine Tools & Manufacture 49 (2009) 500–508

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 90 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Modulacja niskoczęstotliwościowa (Modulation Assisted Machining - MAM), była stosowana z sukcesem do obróbki materiałów trudnoskrawalnych. Metoda polega na precyzyjnym doborze parametrów sinusoidalnych drgań, które nakładają się na ruch narzędzia w czasie obróbki powodując powstawanie niewielkich przerw w kontakcie narzędzia z wiórem i przedmiotem obrabianym. • skrawanie jest chwilowo przerywane co powoduje segmentację wiórów Formowanie wiórów przy MAM umożliwia : • dokładne określenie ich wymiarów i kształtów, • redukcję naprężeń, • obniżenie temperatury, • obniżenie siły i mocy skrawania.

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 91 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Przykład poprawy łamania wiórów i jakości powierzchni obrobionej dzięki zastosowaniu modulacji niskoczęstotliwościowej MAM przy wierceniu wiertłem działowym Ti6Al4V Mikrofotografie pokazujące poprawę łamania wiórów i jakości powierzchni obrobionej przy głębokim wierceniu wiertłem działowym Ti6Al4V (a)konwencjonalne wiertło działowe (fm = 0 Hz) (b)wiertło działowe z kontrolowaną modulacją (fm = 151.5 Hz) Do frezowania wspomaganie drganiami jest mniej użyteczne niż przy toczeniu i wierceniu ze względu na złożoną kinematykę procesu nakładania drgań na ruch narzędzia zależną od geometrii przedmiotu

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 92 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przy obróbce kompozytów, wspomaganie drganiami jest używane głównie do wiercenia (vibration assisted drilling – VAD) tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym (carbon fiber reinforced plastic - CFRP) • Zastosowanie drgań o niskiej częstotliwości do wiercenia (low frequency vibration-assisted drilling LFVAD) CFRP spowodowało redukcję sił skrawania o 45 % i temperatury ostrza o 30% • temperatura ostrza zależy od dwóch przeciwstawnych czynników: wytwarzania ciepła (prędkość skrawania i posuw) i jego odprowadzania

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 93 Obróbka hybrydowa – wspomagana drganiami R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 Zdjęcia termograficzne stopu tytanu w czasie wiercenia wykazały, że temperatura w strefie skrawania może być zredukowana ponad 40% w porównaniu z wierceniem konwencjonalnym, co pociąga za sobą wzrost trwałości ostrza Ze względu na istotną różnicę skrawalności CFRP i metalu, wiercenie zestawu CFRP/Ti–6A–l4V [10/10 mm] stanowi nie lada wyzwanie. Wysoka temperatura i niedostateczne usuwanie wiórów może prowadzić do pogorszenia jakości warstwy wierzchniej szczególnie anizotropowego i niehomogenicznego CFRP Poważne uszkodzenia mechaniczne występujące przy wierceniu CFRP mogą być znacznie zredukowane dzięki poprawieniu usuwania małych tytanowych wiórów dzięki LFVAD Wyniki te wskazują, że wiercenie wspomagane drganiami o niskiej częstotliwości (low frequency vibration-assisted drilling LFVAD) jest bardzo obiecującą alternatywą dla wiercenia materiałów typu włókno – metal

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 94 Podsumowanie R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580 • Przedstawione tu aktualne postępy w rozwoju narzędzi i technik obróbki wysokowydajnej wyraźnie wskazują na możliwość bardziej efektywnej obróbki najczęściej stosowanych materiałów lotniczych jak Ti–6A–l4V, Inconel 718 i kompozyty CFRP • Wciąż jednak pojawiają się nowe, bardziej zaawansowane materiały lotnicze (żaroodporne stopy niklu, wysokowytrzymałe stopy tytanu, CFRP) • Konieczne jest więc ciągłe poszukiwanie adekwatnych narzędzi i technologii jak też pogłębione badania procesów ich obróbki

Skrawaniem Prof. dr hab. inż. Krzysztof Jemielniak 95 Jakieś pytania?

Obróbka Skrawaniem 12 Obróbka materiałów lotniczych

Obróbka Skrawaniem 12 Obróbka materiałów lotniczych

More Decks by K.Jemielniak

Other Decks in Education

Featured

Transcript