Możliwości kształtowania toczeniem metalowych materiałów kompozytowych o zwiekszonej zawartości wzmocnienia.pdf

Paweł KAROLCZAK, Maciej KOWALSKI

Politechnika Wrocławska

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

E-mail: pawel.karolczak@pwr.wroc.pl

MOśLIWOŚCI KSZTAŁTOWANIA TOCZENIEM METALOWYCH

MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH O ZWIĘKSZONEJ

ZAWARTOŚCI WZMOCNIENIA

Streszczenie. W pracy przedstawiono, na przykładzie toczenia, zagadnienia dotyczące

obróbki ubytkowej aluminiowych materiałów kompozytowych wzmacnianych

ceramicznie. Materiałem badanym był kompozyt o objętościowej zawartości

wzmocnienia 20% oraz porównawczo sama osnowa i kompozyt o zawartości

wzmocnienia 10%. W artykule zaprezentowano wpływ parametrów skrawania

oraz rodzaju narzędzi skrawających na chropowatość powierzchni po toczeniu

badanego materiału. Oceniono wpływ objętościowej zawartości wzmocnienia na efekty

technologiczne po toczeniu badanych kompozytów.

THE POSSIBILITY OF TURNING METAL MATRIX COMPOSITES

WITH INCREASED CONTENT OF REINFORCEMENT

Summary It were described in this work, on example of turning, questions relating

cutting aluminum matrix composites reinforced with ceramic. Tested material was

composite about volumetric content reinforcement 20% as well as comparatively matrix

and composite about volumetric content reinforcement 10%. The influence of cutting

parameters and kind of tools on surface roughness after turning of studied material was

presented in this article. The influence of volumetric content of reinforcement on

technological effects after turning of tested composites was also estimated.

MoŜliwości kształtowania toczeniem ...

151

1.WSTĘP

Rozwój techniki uwarunkowany jest, w duŜej mierze, zaawansowaniem inŜynierii

materiałowej. Ponadto, wiele dziedzin przemysłu wywiera nacisk na inŜynierię materiałową,

domagając się coraz to nowszych materiałów konstrukcyjnych. Jedną z najintensywniej

rozwijanych grup wśród nich, są kompozyty. Kompozyt składa się z dwóch lub więcej

materiałów. Ma on właściwości, które nie mogłyby zostać otrzymane oddzielnie w kaŜdym

z materiałów, z których jest on zbudowany. Łączy więc w sobie odmienne właściwości

osnowy i wzmocnienia. Dzięki temu charakteryzuje się zazwyczaj dobrymi właściwościami

wytrzymałościowymi, przy jednoczesnym niewielkim cięŜarze właściwym. Innymi

właściwościami kompozytów mogą być: duŜa twardość i sztywność, odporność na ścieranie,

korozję. Stosowane są one głównie w przemysłach: lotniczym, kosmicznym,

samochodowym, w medycynie oraz w produkcji sprzętu sportowego i rekreacyjnego [1,5,6].

Pierwszymi kompozytami zastosowanymi w warunkach przemysłowych były te na bazie

stopów aluminium. Są one wciąŜ chętnie wykorzystywane w przemyśle. Prowadzone są takŜe

badania nad ich nowymi coraz lepszymi rodzajami.

2.SKRAWALNOŚĆ ALUMINIOWYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

Opracowanie technologii wytwarzania materiału kompozytowego jest dopiero pierwszym

etapem jego wdroŜenia w warunkach przemysłowych. Kolejnym jest opracowanie technologii

kształtowania z niego elementów o określonych kształtach i wymiarach. [4]. W Instytucie

Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej w ostatnich latach

przeprowadzono próby skrawalności aluminiowych materiałów kompozytowych

o objętościowej zawartości wzmocnienia wynoszącej 10%. Z wykonanych badań wynika,

Ŝe kompozyty te charakteryzują się lepszą skrawalnością, opisywaną przez jakość

powierzchni po obróbce i postacią wióra, w porównaniu z materiałem będącym osnową.

Dotyczy to szczególnie zakresu małych prędkości skrawania [2]. Jest to efektem róŜnicy

w plastyczności obydwu materiałów, co z kolei wpływa na intensywność tworzenia

się narostu oraz w efekcie na chropowatość powierzchni. Nie zauwaŜono wpływu prędkości

skrawania na chropowatość powierzchni. Wpływ posuwu natomiast był zgodny z teorią.

RóŜnice, w otrzymanych efektach technologicznych, po toczeniu róŜnymi materiałami

narzędziowymi były natomiast nieznaczne [3]. Wytwarzanie elementów maszyn obróbkami

wykończeniowymi jest utrudnione. Związane jest to ze złą obrabialnością tymi sposobami

obróbki samych stopów aluminium. Obrabialność ta ulega pogorszeniu, jeśli znajdują

się w osnowie

kompozytu

włókna

saffilowe.

Związane

jest

wykruszaniem

152

P. Karolczak, M. Kowalski

się ich z obrabianej powierzchni. PoniewaŜ wymiary włókien są większe niŜ ziaren ściernych

stosowanych w narzędziach ściernych - następuje rysowanie powierzchni [4]. DuŜa losowość,

w obróbce ściernej kompozytów aluminiowych wzmacnianych ceramicznie, powoduje

konieczność skoncentrowania się na opracowaniu technologii kształtowania tych materiałów

obróbką skrawaniem.

3.CEL ORAZ METODYKA BADAŃ

Celem przeprowadzonych badań było określenie moŜliwości skrawania aluminiowych

materiałów kompozytowych o zwiększonej zawartości wzmocnienia oraz określenie wpływu

objętościowej zawartości wzmocnienia na uzyskiwane chropowatości powierzchni

po obróbce ubytkowej tych materiałów. Podstawowym materiałem badanym był kompozyt

na osnowie odlewniczego stopu aluminium AlSi9Mg wzmocniony włóknem ceramicznym

typu saffil. W skład wzmacniających włókien wchodziły tlenek glinu Al 2 O 3 (96-97%) oraz

tlenek krzemu SiO 2 (3-4%). Objętościowa zawartość wzmocnienia wynosiła 20%.

W badaniach porównawczych wykorzystano równieŜ kompozyt o tym samym składzie,

lecz o zawartości wzmocnienia 10% oraz stop aluminium będący osnową. Dodatek

wzmocnienia zmieniał właściwości materiału w porównaniu z osnową. Przeprowadzone

pomiary twardości badanych materiałów metodą Brinella przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1

Wyniki pomiarów twardości badanych materiałów

Badany materiał

Średnia twardość Brinella

Stop aluminium (osnowa)

75 HB

Kompozyt o zawartości

wzmocnienia 10%

91 HB

Kompozyt o zawartości

wzmocnienia 20%

107 HB

Badane materiały obrabiano toczeniem na tokarce numerycznej TUR 560MN.

Zastosowano nóŜ tokarski STGCR 2020K-16 oraz płytki skrawające: z węglika

TCGX16T304 – Al H10, węglika powlekanego warstwą diamentu: TCGX16T304 – Al 1810,

z polikrystalicznym diamentem: TCMW 16T3 04F – CD10 firmy Sandvik Coromant.

Wybrano tego typu narzędzia, poniewaŜ są one zalecane do obróbki stopów aluminium.

Zastosowano parametry skrawania, zarówno charakterystyczne dla obróbki zgrubnej jak

i wykończeniowej tj. v c = 150; 450 i 900 m/min; f = 0,08; 0,13; 0,27 mm/obr. Głębokość

skrawania wynosiła a p = 0,5 mm. Pomiary chropowatości przeprowadzono

profilografometrem FORM TALYSURF 120L firmy TAYLOR HOBSON. Wykonano

MoŜliwości kształtowania toczeniem ...

153

je w trzech miejscach, rozmieszczonych co 120 , na obwodzie toczonej powierzchni. Długość

odcinka pomiarowego wynosiła 30 mm. Do analiz chropowatości powierzchni przyjęto trzy

parametry: Ra , Rt i Rz(JIS) .

4.WYNIKI BADAŃ

W artykule przedstawiono wybrane, najciekawsze wyniki badań. Na rysunku 1 pokazano

wpływ dwóch parametrów skrawania (prędkości skrawania i posuwu) na chropowatość

powierzchni po toczeniu kompozytu o zawartości wzmocnienia 20% płytką z węglika

spiekanego. Analizując otrzymane wykresy moŜna zauwaŜyć, Ŝe wpływ prędkości skrawania

jest niewielki (rys. 1a), co potwierdza wyniki uzyskane we wcześniejszych badaniach

dotyczących skrawania kompozytów o mniejszej zawartości wzmocnienia [3].

Przy zastosowaniu mniejszych wartości posuwu zauwaŜono nieznacznie większe wartości

parametru Ra dla najmniejszej wartości prędkości skrawania ( v c = 150m/min). MoŜe to być

spowodowane wpływem tworzącego się narostu. MoŜna załoŜyć, Ŝe przy prędkościach

skrawania v c <150 m/min chropowatość będzie znacznie większa, co wynika

z intensywniejszego tworzenia się narostu i bocznego płynięcia materiału. Zaobserwowany

wpływ wartości posuwu na chropowatość powierzchni po toczeniu badanego materiału

jest zgodny z teorią tzn. wraz ze wzrostem posuwu rośnie równieŜ chropowatość otrzymanej

powierzchni (rys. 1b).

Rys.1. Wpływ parametrów skrawania na chropowatość powierzchni po toczeniu kompozytu

o zawartości wzmocnienia 20% płytką węglikową; a) wpływ prędkości skrawania, b) wpływ

posuwu

Fig.1. The influence of cutting parameters on surface roughness after turning with cemented carbide

insert composite with 20% content of reinforcement ; a) the influence of cutting speed, b) the

influence of feed rate

Na rysunku 2 przedstawiono wpływ parametrów skrawania na chropowatość powierzchni

po toczeniu kompozytu o zawartości wzmocnienia 20% płytką węglikową z powłoką

diamentową. Wpływ posuwu jest zgodny z relacjami teoretycznymi, natomiast wpływ

154

P. Karolczak, M. Kowalski

prędkości skrawania jest niezauwaŜalny. Niewielkie zwiększenie wartości parametru Ra ,

przy największej zastosowanej prędkości skrawania v c =900 m/min, mogło być spowodowane

zmniejszeniem stabilności pracy obrabiarki przy duŜych obrotach wrzeciona i powstawaniem

drgań. Brak zmian w chropowatości powierzchni, przy mniejszych prędkościach skrawania,

jest niewątpliwie pozytywnym wpływem powłoki diamentowej na ostrzu na mechanizm

oddzielania materiału obrabianego. Zastosowanie powłoki na płytce skrawającej ogranicza

powstawanie

narostu

wpływając

korzystnie

jakość

powierzchni

otrzymywanej

po skrawaniu.

Rys.2. Wpływ parametrów skrawania na chropowatość powierzchni po toczeniu kompozytu

o zawartości wzmocnienia 20% płytką powlekaną diamentem; a) wpływ prędkości

skrawania, b) wpływ posuwu

Fig. 2. The influence of cutting parameters on surface roughness after turning with diamond coated

insert composite with 20% content of reinforcement; a) the influence of cutting speed,

b) the influence of feed rate

Bardzo ciekawe wyniki otrzymano porównując jakość powierzchni po toczeniu

kompozytu o objętościowej zawartości wzmocnienia 20% róŜnymi narzędziami skrawającymi

(rys. 3). Analizując wyniki badań moŜna zauwaŜyć, Ŝe zastosowanie powłoki diamentowej na

podłoŜu węglikowym (ostrze 1810) powoduje poprawienie chropowatości powierzchni

w porównaniu z ostrzem bez powłoki (ostrze H10), praktycznie w całym zakresie przyjętych

parametrów skrawania. Szczególnie wyraźne róŜnice zaobserwowano przy duŜych

prędkościach, co moŜe być spowodowane przeciwzuŜyciowym działaniem powłoki. Warto

zauwaŜyć, Ŝe wyniki te są zdecydowanie odmienne od tych uzyskanych podczas toczenia

kompozytu o zawartości wzmocnienia 10% [3]. Wydaje się, Ŝe jest to efektem zwiększenia

twardości materiału obrabianego. Ponadto kompozyt o dwudziestoprocentowej zawartości

włókien saffilowych działa duŜo bardziej ściernie na ostrze niŜ materiały o ich mniejszej

zawartości. Dlatego teŜ moŜna stwierdzić, Ŝe podczas toczenia kompozytów o zwiększonej

zawartości wzmocnienia nie mają zastosowania zalecenia dotyczące obróbki materiałów

aluminiowych tzw. ostrą geometrią narzędzi. DuŜo większy wpływ ma, w tym przypadku,

ścierne działanie włókien wzmacniających kompozyt niŜ plastyczność materiału powodująca

boczne płynięcie i tworzenie się narostu. Dlatego do obróbki kompozytu o zawartości

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: