Obróbka Skrawaniem 12 Obróbka materiałów lotniczych

1. Obróbka Skrawaniem Część 12 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym

2. Plan wykładu Obróbka skrawaniem • Wstęp • Pojęcia podstawowe • Geometria ostrza • Materiały narzędziowe • Proces tworzenia wióra • Siły skrawania • Dynamika procesu skrawania • Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia • Zużycie i trwałość ostrza • Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Skrawalność • Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym strony 353-383 Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym

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

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

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

6. Współczesne materiały lotnicze – stopy Al i Ti • 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 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

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.Al2O3,SiO2, SiC, TiO2) • Zadaniem osnowy jest zapewnienie: • spójności materiału i utrzymywanie żądanego kształtu • elastyczności, zatrzymywania rozprzestrzeniania się pęknięć • odporności na ściskanie, przenoszenia naprężeń zewnętrznych

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 nieciągłe włókna, pręty cząsteczki tkaniny ciągłe włókna http://materials-engineeringscience.blogspot.com/2011/06/classes-and-characteristics-of.html https://pl.wikipedia.org/wiki/Materia%C5%82_kompozytowy

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. Porównanie włosa ludzkiego (jasny) i pojedynczej nici włókna węglowego https://pl.wikipedia.org/wiki/Materia%C5%82_kompozytowy

10. Współczesne materiały lotnicze – kompozyty • Często stosowane są tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym (carbon fiber reinforced plastic - CFRP) • Wysokowytrzymałe włókna węglowe osadzone w osnowieepoksydowej 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: Elementy struktury A350 XWB wykonane z prepreguM21E wzmacnianego włóknem węglowym IMA https://pl.wikipedia.org/wiki/Materiał_kompozytowy R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

11. Kompozyty w BOEING 747 i 787

12. Stopy tytanu – elementy płatowców Lockheed SR-71 Blackbird – 93% masypłatowca (gł. stop B120VCA – Ti-13V-11Cr-3Al) 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 P.Rokicki, Stopy tytany

13. Współczesne materiały na silniki lotnicze • 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 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

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 1 6 + Y E A R S in service 3 0 + SOURCE: GE90 in service record MILLIONflight hours * Dyrektywa zdatności (Airworthiness Directive, AD) oznacza dokument wydany przez Agencję, który nakłada obowiązek usunięcia wad elementu lotniczego D.Carlson, GE Aviation: Perspectives on Clean, EfficientEngines, 2013

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, General Electric GEnx - 1B engine for the Boeing 787 Dreamliner https://pl.wikipedia.org/wiki/Nadstopy

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

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 TiO2, • 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%

18. Stopy tytanu na osnowie faz międzymetalicznych stiffness to weight ratio sztywność względna • 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 strength-to-weight ratio wytrzymałość względna • wady: • mniejsza ciągliwość w temperaturze pokojowej, • mniejsza odporność na pękanie, • problemy technologiczne wykorzystywane w ostatnich dwóch stopniach turbiny niskociśnieniowej w wylotowej części silnika D.M. Dimiduk: Materials Science and Engineering A263 (1999) 281–288

19. Stan warstwy wierzchniej przy obróbce stopów lotniczych • 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 criticalinon-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 R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

20. 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 kompozytów

21. Obróbka kompozytów – materiały narzędziowe • 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 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

22. Obróbka kompozytów – materiały narzędziowe • 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 prędkościamivc=200–2000 m/min • węglikowe frezy palcowe z wlutowanymi ostrzami PCD są stosowane z prędkościami vc=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) R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

23. Obróbka kompozytów – geometria ostrza • Geometria ostrza odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu się wiórów przy obróbce FRP • delaminacja • skłębianie włókien • Dodatnie kąty natarcia obniżają siłę skrawania Fc, a wzrost kąta przyłożenia zmniejsza siłę posuwową Ff • 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 AdvManufTechnol (2015) 78:2025–2035 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

24. Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza • W trakcie wiercenia szybkościowego (113 i 283 m/min, f=0.1 mm/obr)CFRPjednolitym 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 tworzywo sztuczne wzmacnianego włóknem węglowym (carbon fibre reinforced plastic - CFRP) • Zużycie ostrza przy wierceniu (vc=283 m/min, f = 0.1 mm/obr) CFRP: • zużycie ścina • zużycie ścierne głównej krawędzi skrawającej, • zaokrąglenie naroża • adhezja węgla na powierzchni przyłożenia S. Rawat, H. Attia / Wear 267 (2009) 1022–1030

25. Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza • 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 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

26. Obróbka kompozytów - mechanizmy zużycia ostrza • 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. R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

27. Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej • 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) • przypalenie matrycy • (c) wyciąganie włókien • (d) delaminacja przy wejściu R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

28. Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej Wielkość delaminacji (przy wejściu i wyjściu) oceniana jest parametramilub: ; 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 S. Rawat, H. Attia / CIRP Annals - Manufacturing Technology 58 (2009) 105–108

29. Obróbka kompozytów - stan warstwy wierzchniej • 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 R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

30. Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP 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 R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140.

31. Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP 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 A B konw. orbit. Otwór 400 Otwór 1000 Otwór 1 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 – konwenc. B – orbitalne R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140.

32. Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP Siła posuwowa (Ff) i moment dla narzędzia A Siła posuwowa osiowa (Ff) i posuwowa obwodowa (Fo) dla narzędzia B A konw. Borbit. • 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) R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140.

33. Konwencjonalne i orbitalne wiercenie CFRP Zmienność średnicy A B konw. orbit. Pomiary średnicy otworu - Średnia z 3, co 200 otworów Procedura pomiarowa Wejście Średnica (mm) Zadana średnica narzędzie A narzędzie B Wyjście • Okrągła końcówka=3mm • 3 poziomy pomiaru średnicy • 8 punktów pomiarowych na poziomie Numer otworu • 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 R. Voss et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 137-140.

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

35. Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi 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

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

37. Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi super twarda ściernica diamentowa Krok 1 wiercenie orbitalne Krok 2 wykończenie oscylacyjne 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 I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144

38. Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi • nw super twarda ściernica diamentowa • ns ns nw • 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 występujestosunkowo duży posuw osiowy va Krok 1 wiercenie orbitalne Krok 2 wykończenie oscylacyjne I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144

39. Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi • Do badań wykorzystano cztery narzędzia o średnicy 9,525mm: • ściernice F60 o płaskim zakończeniu, ziarnistości 60 i wymiarze ziarna dg=252m, • ściernice B60 o zakończeniu kulistym • ściernice F120 o płaskim zakończeniu, ziarnistości 120 i dg=126m, • 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. I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144

40. Oscylacyjno-orbitalne wiercenie kompozytów super twardymi ściernicami diamentowymi chropowatość powierzchni Ra (mm) Krok 1 Krok 2 tylko F60 • Frez EM4 generował powierzchnię o Ramniejszym 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) I. Sultana et al., CIRP Annals - Manufacturing Technology, 65 (2016), 141-144

41. 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 stopów tytanu

42. Obróbka stopów tytanu • 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), S.Y. Hong et al. Int. J. Mach.Tools&Manuf. 41 (2001) 2245–2260

43. Obróbka stopów tytanu – materiały narzędziowe • 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, (vc=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 (vc=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 vc>200m/min R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

44. Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza • 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 R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

45. Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza • Narzędzia CBN (ze spoiwem AlN i AlB2) 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 toczeniuTi–6A–l4V. R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

46. Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza • 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 vc=200 m/min, ciśnienie chłodziwa (a) 11 Mpa, (b) 20.3 MPa. R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

47. Obróbka stopów tytanu – mechanizmy zużycia ostrza • 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 vc = 40 m/min, obróbka stopu Ti5553 spowodowała bardzo silną adhezję i KSO już po 2 min. • Po obniżeniu vcdo 25 m/min uzyskano T=15min R. M’Saoubi (1) et al. / CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

48. Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej • 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 (vc, f, ap) (b) (a) Odkształcenia plastyczne po(a) toczeniu Ti–6Al–4V vc=45 m/min; (b) frezowaniu na sucho Ti-6246S vc=125 m/min • 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) (b) • Ziarna wyrywane przy toczeniu Ti–6Al–4V węglikiem, vc=60 m/min; • Nalepy i wyrwania powierzchni przy toczeniu Ti–6Al–4V narzędziem PCD vc=200 m/min R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

49. Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej • 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 TiB2. • Bardzo niebezpieczne jest powstawanie pęknięć rozchodzących się równolegle do kierunku posuwu przy toczeniu, nawet przy „łagodnych” parametrach skrawania (vc=10–40 m/min, f=0.05–0.35 mm/obr, ap=0.05–0.7 mm), • można ich uniknąć tocząc g-TiAl z vc100m/min co zwiększa plastyczność materiału obrabianego kosztem T <1 min. (b) (a) Powierzchnie g-TiAlw których występują (a) pęknięcia równoległe do kierunku; (b) brak pęknięć, ale zdeformowane ziarna R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580

50. Obróbka superstopów tytanu – stan warstwy wierzchniej • 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 (vc=20–660 m/min), naprężenia zmieniały się od ściskających dla niskich prędkości do rozciągających dla vc>100m/min, co wynikało z hartowaniapowierzchni przedmiotu rozgrzewanego do coraz wyższychtemperatur • Przy frezowaniu stopu IMI-834 (Ti–5.8Al–4.5Sn–4Zr–0.7Nb–0.5Mo–0.4Si–0.006C) z vc=11–56 m/min, fz=0.056– 0.10 mm/ostrze i ap=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 vc=120m/min J.D.P. Velásquez et al. / Materials Science and Engineering A 527 (2010) 2572–2578 R. M’Saoubi et al. , CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 557–580