Kompozyty włókniste właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Wielkość: px
Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Kompozyty włókniste właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa"

Transkrypt

1 MIESIĘCZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY ORGAN STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW MECHANIKÓW POLSKICH ROK LXXXI Kompozyty włókniste właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa KAZIMIERZ E. OCZOŚ * Budowa kompozytów włóknistych. Kompozyty z osnową polimerową, metalową i ceramiczną. Zastosowanie kompozytów włóknistych w przemyśle lotniczym i samochodowym. Problemy obróbkowe kompozytów włóknistych i sposoby ich przezwyciężania. Narzędzia do skrawania kompozytów włóknistych. Materiał kompozytowy (lub krócej kompozyt) jest to tworzywo złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Jednym ze składników jest osnowa (matrix) spajająca w całość kompozyt i nadająca mu twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, drugim zaś materiał konstrukcyjny (wzmacniający) odpowiedzialny za wzmocnienie kompozytu poprzez ukształtowanie pozostałych jego właściwości. Właściwości kompozytu nigdy nie prezentują sumy czy średniej wartości poszczególnych właściwości jego składników. Generalnie rola osnowy polega na ochronie materiału wzmacniającego, przenoszeniu na niego naprężeń zewnętrznych i nadawaniu żądanego kształtu wytworzonej części kompozytowej, natomiast funkcja materiału wzmacniającego sprowadza się do zapewnienia kompozytowi wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienia osnowy w selektywnych kierunkach [1]. Materiały kompozytowe są obecnie stosowane coraz powszechniej ze względu na ich korzystne w porównaniu z metalami właściwości, takie jak wytrzymałość i sztywność przy małej masie właściwej. Oferują one interesujące możliwości aplikacyjne dla nowych, lekkich konstrukcji wyrobów. Właściwości kompozytu zależą od właściwości fizycznych osnowy i materiału wzmacniającego, postaci wzmocnienia (włókna, cząstki) oraz względnej zawartości osnowy (V o ) i wzmocnienia (V w ) ujmowanych jako frakcje objętościowe (V 0 +V w = 100%). W kompozytach włóknistych znajdują zastosowanie osnowy polimerowe, metalowe i ceramiczne (rys. 1). Z kolei jako materiał wzmacniający wykorzystuje się przede wszystkim włókna węglowe, szklane i aramidowe oraz, w mniejszym stopniu, ceramiczne, borowe, grafitowe i inne, przy czym mogą być one długie (ciągłe) lub krótkie (nieciągłe), jak też uporządkowane lub przypadkowe. Głównymi zaletami kompozytów z osnową polimerową i włóknami długimi w porównaniu z włóknami krótkimi są [2]: lepsze właściwości mechaniczne, wyższa udarność z karbem, mniejsza skłonność do pełzania, bardzo dobra trwałość w podwyższonej temperaturze w wilgotno-gorącym klimacie. Właściwości kompozytu z długimi i uporządkowanymi włóknami są zdecydowanie anizotropowe. Włókna długie mogą być jednokierunkowe (wszystkie włókna równoległe do siebie) lub splecione w formie tkaninowej (technika preform ). Jednokierunkowe usytuowanie włókien zapewnia kompozytowi najwyższe właściwości mechaniczne. Kompozyty z osnową polimerową (PMC) Kompozyty z osnową polimerową PMC (Polimer Matrix Composites) mogą być wzmacniane grubymi i mocnymi włóknami wkomponowanymi w miękką i ciągliwą osnowę. Osnowę mogą stanowić polimery termoutwardzalne (poliepoksydy i poliestry) oraz polimery termoplastyczne (poliamidy). Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami wzmocnienia stosowanymi w kompozytach PMC są włókna szklane G(Glass), węglowe C (Carbon) i aramidowe A (Aramid). Stąd też kompozyty PMC wzmacniane włóknami szklanymi są określone akronimem GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics) i analogicznie wzmacniane włóknami węglowymi jako CFRP czy aramidowymi jako AFRP. Kompozyty GFRP były przez długi czas najczęściej stosowane ze względu na ich właściwości mechaniczne, * Prof. zw. dr inż. Kazimierz E. Oczoś jest pracownikiem naukowym Katedry Technik Wytwarzania i Automatyzacji Politechniki Rzeszowskiej i redaktorem naczelnym Mechanika. Rys. 1. Podział kompozytów wzmacnianych włóknami (kompozytów włóknistych)

2 580 MECHANIK NR 7/2008 jak też relatywnie niską cenę. Z kolei kompozyty CFRP i AFRP zapewniają wyższą wytrzymałość (tabl. I), większą sztywność i wykazują mniejszą masę właściwą (gęstość), jednakże są droższe i z tego powodu wykorzystywane przede wszystkim w konstrukcjach, których wyznacznikiem nie jest koszt, lecz prezentowane właściwości. CFRP znajdują zastosowanie w konstrukcjach wymagających dużej sztywności i odporności na podwyższone temperatury, natomiast AFRP są preferowane wówczas, gdy najbardziej istotna jest wytrzymałość, wiązkość i lekkość. Kompozyty MMC generalnie wykazują większą wytrzymałość i wyższy moduł sprężystości od konwencjonalnej stali oraz stopów Al, Mg i Ti, jak też od kompozytów PMC. Nieciągłe (krótkie) włókna i cząstki wzmacniające MMC wpływają na ich niższy koszt oraz umożliwiają wyższą wytrzymałość i sztywność, jak również lepszą stabilność wymiarową niż odpowiednie materiały niewzmacniane. Nawet niewielki dodatek materiału wzmacniającego (w granicach 20%) powoduje znaczny wzrost wytrzymałości i sztywności MMC. Kompozyty z osnową ceramiczną (CMC) Kompozyty z osnową ceramiczną CMC (Ceramic Matrix Composites) są opracowywane i rozwijane w celu zwiększenia odporności na kruche pękanie niewzmacnianych materiałów ceramicznych, wykazujących wyższy moduł sprężystości i wyższe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach niż odpowiednie materiały metalowe. Włókna długie i krótkie (wiskersy) lub cząstki są wykorzystywane jako komponenty wzmacniające CMC. Do zazwyczaj spotykanych wzmocnień CMC należy zaliczyć Al 2 O 3, SiC i C, natomiast jako osnowa znajdują zastosowanie Al 2 O 3, SiC i Si 3 N 4. Zastosowanie kompozytów włóknistych Spośród polimerów termoutwardzalnych na plan pierwszy wysuwają się żywice epoksydowe (epoxy resins), żywice poliestrowe (polyester resins) zaś, chociaż tańsze, wykazują jednak gorszą wytrzymałość i większy skurcz po termoutwardzeniu, a tym samym nie zapewniają dokładności geometrycznej wyrobów z osnową z żywicy epoksydowej. Polimery termoplastyczne cechuje mniejsza wytrzymałość i niższy moduł sprężystości podłużnej, ale za to zupełnie dobra plastyczność. Maksymalna temperatura pracy dla kompozytów włóknistych jest relatywnie niezbyt wysoka, gdyż osnowa wykazuje skłonność do zmiękczania się oraz chemicznego rozkładu lub degradacji w podwyższonej temperaturze. Kompozyty z osnową metalową (MMC) Kompozyty z osnową metalową MMC (Metal Matrix Composites) znajdują zastosowanie w konstrukcjach pracujących w relatywnie wyższych temperaturach niż dopuszczalne w odniesieniu do PMC. Włókna długie (ciągłe) zapewniają największą sztywność i właściwości wytrzymałościowe materiałom MMC. Budowa najwcześniej wprowadzonych kompozytów borowo-aluminiowych polega na tym, że warstwy włókien borowych, umieszczone między cienkimi foliami aluminiowymi, są spajane na gorąco folią, która ulega deformacji wokół włókien pod wpływem siły ściskającej. Przez wzmacnianie włóknami borowymi wytrzymałość na rozciąganie MMC może wzrosnąć 3 5-krotnie. Innymi materiałami wzmacniającymi MMC są: węglik krzemu (SiC), tlenek glinu (Al 2 O 3 ), grafit i wolfram w postaci cząstek, włókien długich i krótkich. Z kolei do najczęściej wykorzystywanych w MMC osnów zalicza się stopy aluminium, magnezu lub tytanu (rys. 1). Kompozyty włókniste znajdują zastosowanie szczególnie w takich branżach, jak przemysł lotniczy i kosmiczny oraz motoryzacyjny, a ponadto w przedsiębiorstwach budowy statków, jachtów i łodzi, zbiorników i naczyń ciśnieniowych, energetycznych urządzeń wiatrowych, anten satelitarnych, sprzętu sportowego, sprzętu medycznego, elementów budowlanych itp. Najbardziej spektakularne zastosowania kompozytów włóknistych dotyczą przemysłu lotniczego i kosmicznego. Coraz większa złożoność samolotów zarówno wojskowych, jak i cywilnych zmusza ich wytwórców do poszukiwania nowatorskich materiałów, które zmniejszają masę, maksymalizują efektywne zużycie paliwa i utrzymują równowagę aerodynamiczną. Kompozyty i zestawy (pakiety) złożone z lekkich materiałów konstrukcyjnych są dobrym rozwiązaniem, szczególnie na wytrzymalsze materiały przydatne w budowie samolotów, ponieważ są lżejsze od dotychczas stosowanych, relatywnie łatwo się formują i są odporne na podwyższone temperatury, chociaż wymagają rozwiązania jeszcze wielu problemów z ich kształtowaniem. Przykładem znaczącego zmniejszenia masy obciążającej podwozie samolotu jest wprowadzenie przez firmę Airbus dużej liczby elementów z kompozytów do samolotu A380 (rys. 2). Około 22% struktury podstawowej samolotu (w stosunku wagowym) wykonano z różnych kompozytów włóknistych z osnową z żywicy epoksydowej, przeważnie CFRP. Powodem ich zastosowania była wysoka sztywność wzmacniających włókien węglowych z wartościami aż do 935 GPa w porównaniu z 70 GPa przy aluminium. Gęstość CFRP wynosi tylko 60% w stosunku do gęstości Al, co pozwala osiągnąć oszczędność masy nawet o 40% w porównaniu z konstrukcjami aluminiowymi [3]. Firma m.in. stosuje również w nieznacznych ilościach kompozyty GFRP do produkcji usterzenia pionowego, jak też FRP wzmacniane kwarcem do produkcji stożka dziobowego. 3% struktury podstawowej samolotu stanowi skorupa kadłuba kompozytu GLARE (Glass Fibre Reinforced Aluminium Laminates) firmy Alcoa. Jest to rozwiązanie hybrydowe złożone z 2 6 warstw aluminiowych o grubości 0,2 0,5 mm. Pomiędzy skrajnymi warstwami aluminium są usytuowane na przemian warstwy

3 582 MECHANIK NR 7/2008 Rys. 2. Przykłady różnych zastosowań w ramach 22% udziału CFRP w budowie samolotu Airbus A380 włókien i metalu. Warstwy ukierunkowanych włókien szklanych, tzw. prepegi, o grubości 0,125 0,5 mm są spojone osnową z żywicy epoksydowej i połączone z aluminium. Zorientowanie włókien zależy od zastosowania wyrobu. Materiał GLARE jest droższy od Al i innych kompozytów, jednakże ze względu na wykonanie zewnętrznych warstw z Al może łączony jak metalowy, zachowując przy tym niską gęstość. Jednocześnie powinien przy porównywalnej wytrzymałości być lżejszy i odporniejszy na korozję niż Al oraz mniej podatny na powstawanie pęknięć [4 7]. Aktualnie prowadzone są także prace badawcze nad zastosowaniem nanorurek węglowych w celu wzmocnienia i usztywnienia kompozytów. Mogą one znaleźć zastosowanie do 2020 r. zarówno w samolotach A380, jak i Boeing 747. O ile w samolocie Airbus A380 udział kompozytów włóknistych wynosi ok. 25%, to już we wprowadzanym do eksploatacji w 2008 r. samolocie Boeing 787 Dreamliner (rys. 3) udział ten sięga 50%. Przewiduje się, że w projektowanym samolocie Airbus A350 szerokokadłubowym liniowcu średniej wielkości planowanym do wprowadzenia w 2013 r. łączny udział lekkich materiałów konstrukcyjnych tj. tytanu, aluminium i kompozytów wyniesie 86% (rys. 4) [5, 8]. Na przykładzie samolotu Airbus A350, a zwłaszcza samolotów serii C firmy Bombardier Aerospace Corporation, daje się zauważyć rosnące zastosowanie stopów aluminiowo-litowych (Al-Li), cechujących się nie tylko możliwością obniżenia masy samolotu o 5% w stosunku do samego Al, ale również takimi zaletami, Rys. 4. Udział lekkich materiałów konstrukcyjnych w budowie samolotu pasażerskiego Airbus A350 jak: całkowita odporność na korozję, duża odporność na zmęczeniowe pękanie materiału oraz dobre połączenie wytrzymałości i wiązkości [4, 5]. W samolotach innych wytwórców zastosowanie kompozytów włóknistych również wzrasta. Przykładowo, w 8-miejscowym odrzutowcu Premier 1 firmy Raytheon kadłub części dziobowej został wykonany z kompozytu CFRP (rys. 5). Z kolei w samolocie myśliwsko-bombo- Rys. 3. Samolot Boeing 787 Dreamliner zbudowany w 50% z kompozytów włóknistych Rys. 5. Kadłub części dziobowej samolotu odrzutowego Premier 1 firmy Raytheon wykonany z CFRP

4 584 MECHANIK NR 7/2008 wym F-35 Joint Strike Fighter firmy Lockheed Martin Aeronautics (rys. 6) głównymi elementami z kompozytu wzmacnianego włóknami węglowymi są pokrycia skrzydeł. Elementy strukturalne, w tym nośne, samolotu, aby zapewnić słabą wykrywalność przez radary, muszą być kształtowane ze skrajnie wąskimi tolerancjami (dokładność rzędu 0,2 mm), co stawia przed narzędziami skrawającymi i procesem obróbkowym wysokie wymagania [9]. Rys. 6. Samolot myśliwsko-bombowy F-35 Joint Strike Fighter firmy Lockhead Martin Aeronautics Jeśli chodzi o wykorzystywanie kompozytów włóknistych w przemyśle motoryzacyjnym, to od momentu gdy w latach siedemdziesiątych ceny ropy naftowej osiągnęły, na ówczesne czasy, wysoki poziom, nastąpił istotny wzrost zastosowania tworzyw sztucznych w transporcie, który sukcesywnie się zwiększa. Przykładowo w USA zastosowanie polimerów w transporcie wzrosło z 7,5% w 2000 r. do 8,3% w 2004 r., a w Europie udział ten osiągnął nawet poziom 10% w niektórych samochodach. Redukcja masy samochodu o 10% powoduje zmniejszenie zużycia paliwa o ok. 5 7% [6]. W samochodzie Porsche Carrera GT F (rys. 7) zastosowano np. kompozyt CFRP z osnową z żywicy epoksydowej do konstrukcji skorupowej podwozia. Po raz pierwszy w samochodzie seryjnym wykonano z kompozytu ramę zarówno silnika, jak i przekładni, która łącznie z przedziałem dla kierowcy i pasażera tworzy główny trzon konstrukcji pojazdu. Dzięki sztywności kompozytu poprawiono sztywność pojazdu, co polepszyło właściwości trakcyjne i poprawiło dynamikę jazdy, a jednocześnie obniżono masę ramy o ok. 40% w porównaniu z konstrukcją stalową. Aby jednak zrealizować to przedsięwzięcie konstrukcyjne, projektanci musieli uwzględnić, że rama wraz z osłoną silnika jest poddawana działaniu temperatury dochodzącej do 180 C, jak też oleju, kurzu, wilgoci i soli przeciętnie przez 20 lat. Musieli również Rys. 7. Samochód Porsche Carrera GT F z ramą podwozia wykonaną z CFRP z osnową z żywicy epoksydowej Rys. 8. Samochód Bugatti Veyron z dużym udziałem kompozytów CFRP (firma Corbo Tech Composites) wziąć pod uwagę niebezpieczeństwo rozwarstwiania się kompozytu w obszarach poddawanych działaniu szczególnie trudnych warunków, co wymagało dokonania optymalizacji umiejscowienia wszystkich punktów zaczepu i ustalenia kierunków włókien wzmacniających. Z innych przykładów zastosowań kompozytów włóknistych w przemyśle samochodowym można wymienić tzw. Kohlefaserauto (auto z włókien węglowych) w postaci samochodu Bugatti Veyron (rys. 8) czy wprowadzenie w samochodzie Audi A8 W12 ceramicznych tarcz hamulcowych z twardego SiC wzmacnianego włóknami węglowymi, co nie tylko zredukowało o 5 kg masę przypadającą na koło, ale także zwiększyło 4-krotnie ich trwałość w porównaniu z tarczami z żeliwa szarego, i podwyższyło moc hamowania [10]. Optymalizacja masy odgrywa również coraz większą rolę w budowie maszyn. Z zastosowaniem CFRP można m.in. podwyższyć dynamikę obrabiarek i urządzeń manipulujących poprzez zredukowanie masy poddawanych przyspieszeniu sań czy wrzecion. Przy tej okazji warto wspomnieć, że duże możliwości zmniejszenia masy i polepszenia właściwości tłumiących oferują pianki metalowe (np. na bazie aluminium), stosowane zwłaszcza w płytach typu sandwicz lub jako materiał do wypełniania korpusów. W Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) w Bremie opracowano struktury kompozytowe wytwarzane za pomocą platerowania przez nawalcowywanie, złożone z dwóch zewnętrznych blach metalowych (np. stalowych lub aluminiowych) i wewnętrznej warstwy spienianego aluminium (rys. 9), które mogą być doprowadzane do wymaganego kształtu np. przez formowanie wgłębne lub inny sposób przeróbki plastycznej. Intensywny rozwój zastosowań materiałów kompozytowych oraz problemy związane z ich wytwarzaniem i kształtowaniem ubytkowym skłoniły 54 amerykańskie przedsiębiorstwa, które wspierane przez fundusze rządowe zajmowały się maszynami i obróbką kompozytów i pakietów materiałowych, do połączenia wysiłków w celu badania zaawansowanych procesów wytwórczych. Tak powstało w 2002 r. National Center for Defense Manufacturing & Machining w Latrobe (PA, USA). Również w Europie utworzono w 2004 r. Stowarzyszenie CFK-Valley Stade e. V. (Stade, Niemcy), które obecnie zrzesza ponad 70 renomowanych przedsiębiorstw i jednostek badawczych związanych profilem wytwórczo- -badawczym z problematyką kompozytów wzmacnianych włóknami węglowymi CFK (CarbonFaserverstärkte Kunststoffe). Wprawdzie głównym odbiorcą innowacyj-

5 586 MECHANIK NR 7/2008 Rys. 9. Dużą lekkość i właściwości tłumiące oferują pianki aluminiowe w kształcie płyt (a) lub jako materiał wypełniający dla wydrążonych brył służących jako korpusy maszyn lub cylindry (b) nych rozwiązań z zakresu konstrukcji lekkich jest lotniczy koncern Airbus, to celem CFK-Valley jest opracowanie kompletnych łańcuchów procesowych, począwszy od koncepcji konstrukcji z CFK poprzez ich wytwarzanie i obróbkę ubytkową, aż do recyklingu. Od 2011 r. powinno działać w ramach CFK-Valley centrum recyklingu dla CFK z terenu całej Europy. Obróbka ubytkowa kompozytów włóknistych Rosnące zastosowanie materiałów kompozytowych w tym głównie kompozytów włóknistych i specyfika ich budowy powodują potrzebę opracowania racjonalnych sposobów ich kształtowania ubytkowego. Kompozyty charakteryzują się niejednorodną strukturą, anizotropią i wzmacnianiem materiałami o właściwościach ściernych, co powoduje, że ich obróbka ubytkowa jest związana z licznymi trudnościami. Przykładowo podczas obróbki (a zwłaszcza wiercenia) kompozytów z osnową polimerową występują takie problemy, jak: przerwanie włókna, pęknięcie osnowy, utrata spójności włókno/osnowa, wyciąganie włókna, pylenie, degradacja termiczna polimeru, wykruszanie się czy delaminacja (rozwarstwianie). Materiałami wzmacniającymi są m.in. szkło, grafit, bor, korund czy węglik krzemu, które odznaczają się wysoką twardością, a tym samym intensywnie oddziałują na zużycie ścierne narzędzi. Ponadto właściwości osnowy, wzajemne udziały objętościowe osnowy i włókien wzmacniających, a nade wszystko wielkość, splot, rozmieszczenie i orientacja włókien względem kierunku skrawania mają istotny wpływ na dobór geometrii narzędzia oraz przebieg i rezultaty procesu obróbkowego. Włókna węglowe i szklane pod wpływem naprężeń zginających ulegają kruchemu pękaniu, natomiast w przypadku włókien aramidowych, pod wpływem odkształcającego zginania, występuje pękanie ścinające i rozrywanie pod działaniem obciążeń rozciągających. O ile włókna szklane i węglowe powodują jak już wspomniano zużycie ścierne narzędzi, to włókna aramidowe mogą wywoływać zużycie adhezyjne, ze względu na niską przewodność cieplną i skłonność do osadzania się na powierzchni narzędzia narostu w postaci zwęglonej lub stopionej osnowy polimerowej. W pracy [1] przedstawiono stan wiedzy do 2002 r. dotyczący obróbki skrawaniem kompozytów włóknistych z osnową polimerową i metalową za pomocą toczenia, wiercenia i frezowania. W niniejszym artykule zostały ujęte niektóre spostrzeżenia wynikające z nowszych badań procesów wiercenia i frezowania kompozytów włóknistych z osnową polimerową, jak też zestawów (pakietów) złożonych z lekkich materiałów konstrukcyjnych, tj. aluminium, tytanu i CFRP. Delaminacja. Przed prezentacją wybranych wyników badań i zastosowanych w praktyce rozwiązań należy zwrócić uwagę na zjawisko delaminacji jako jeden z najpoważniejszych i najczęściej występujących defektów podczas skrawania kompozytów włóknistych. Objawia się ona głównie podczas wychodzenia narzędzia z materiału, powodując, że spodnie warstwy kompozytu mogą być oddzielone od kształtowanego materiału w obszarze otaczającym obrabiany otwór. W pewnym momencie procesu obróbkowego obciążenie pochodzące od narzędzia skrawającego przekracza wartość wiązania międzylaminarnego i dochodzi do delaminacji. Delaminacja może powodować zredukowanie nośności i negatywnie wpływać na trwałość kompozytu poprzez zmniejszanie integralności struktury, objawiające się długoterminowym pogarszaniem jego charakterystyki. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem wykonywania otworów w kompozytach włóknistych jest wiercenie wiertłami krętymi (rys. 10a), które powinny mieć małe ściny, w celu zmniejszenia występujących sił odporowych [11]. W przypadku stosowania wierteł krętych po regeneracji, ewentualna mimośrodowość e ich zaostrzenia (rys. 10a1) może pogarszać jakość operacji obróbkowych. Dla mimośrodowych wierteł krętych progowa wartość siły odporowej F ke, która powoduje pojawienie się delaminacji, maleje wraz ze wzrostem wskaźnika delaminacji (eccentric ratio) ξ = e/a. Z kolei stosunek progowych wartości sił odporowych F ke /F k diametralnie wzrasta wraz ze spadkiem wartości ξ. Negatywne oddziaływanie mimośrodowości wierteł krętych wyraża się więc w obniżeniu progowej wartości siły odporowej. Aby przeciwdziałać delaminacji, można zmniejszyć wartość posuwu osiowego, co jednak wpływa niekorzystnie na uzyskiwaną wydajność procesu obróbkowego. Doświadczenia przeprowadzone z wiertłami piłkowymi (rys. 10b) oraz wiertłami rdzeniowymi (rys. 10c) pozwoliły na stwierdzenie [12, 13], że powodują one mniejszą delaminację niż wiertła kręte, dzięki rozmieszczeniu sił odporowych blisko obrzeża otworu. Delaminacja może zostać efektywnie zminimalizowana lub wyeliminowana poprzez zredukowanie prędkości posuwu osiowego w pobliżu wyjścia otworu lub zastosowanie płyt podpierających (block-up plates), co przeciwdziała odkształcaniu warstwy kompozytu przy wyjściu narzędzia (rys. 10b1). Delaminacja o promieniu mniejszym od promienia wiertła (a < c) nie stanowi problemu, natomiast gdy sięga poza średnicę wiertła (a > c), to wiertło piłkowe stosowane z płytą podpierającą może być poddane większej sile odporowej niż wiertło pracujące bez płyty. Przy stosunku c/a 1 wartość stosunku progowych sił odporowych przy wierceniu z i bez podpory wzrasta w obu przypadkach.

6 588 MECHANIK NR 7/2008 Rys. 10. Oddziaływanie sił odporowych na delaminację kompozytu podczas wiercenia: a) wiertłem krętym, b) wiertłem piłkowym, c) wiertłem rdzeniowym; F k siła odporowa podczas wiercenia wiertłem krętym, X kierunek posuwu, e mimośrodowość ścina wiertła krętego, F ke siła odporowa przy mimośrodowości ścina, F pr siła reakcji podpory, c promień wiertła, a promień delaminacji, h nieskrawana grubość przedmiotu Jeśli wartość c/a 0, to stosunek progowych sił odporowych podczas wiercenia z podporą jest wysoki, w przeciwieństwie do wiercenia bez podpory, w którym wynosi on praktycznie zero, tzn. na pewno wystąpi zjawisko delaminacji. Obróbka kompozytów włóknistych z osnową polimerową. Do wykonywania otworów w CFRP i GFRP znajdują zastosowanie takie sposoby obróbki, jak: wiercenie, frezowanie cyrkularne i wiercenie orbitalne. Konwencjonalne wiercenie zapewnia relatywnie proste manipulowanie i szybkie prowadzenie procesu, ale jednocześnie towarzyszą mu wysokie temperatury czy uszkodzenia materiału w trakcie wychodzenia z niego narzędzia. Frezowanie cyrkularne, z obiegowym, a zarazem śrubowym ruchem posuwowym wprawionego w ruch obrotowy freza, cechują niewielkie temperatury skrawania, mniejsze obciążenie osiowe przedmiotu lub niezależne od narzędzia średnice otworu. Sposób ten wymaga jednak w odniesieniu do obrabiarki podwyższonego nakładu związanego z opracowaniem programu sterowania procesem, jak też wysokich prędkości obrotowych wrzeciona i posuwów obiegowych, aby sprostać ekonomiczności wytwarzania. Wprowadzone od niedawna wiercenie orbitalne [5, 9, 14] to alternatywny proces obróbkowy opatentowany przez firmę Novator, różniący się od frezowania cyrkularnego i wiercenia konwencjonalnego. Wiercenie orbitalne to usuwanie materiału obrabianego w kierunku osiowym i promieniowym podczas ruchu obrotowego wiertła dookoła własnej osi i osi otworu w trakcie zagłębiania się narzędzia w materiał. W porównaniu z wierceniem konwencjonalnym wykazuje ono wiele zalet: brak nieruchomego wierzchołka ostrza oraz zredukowanie siły osiowej i ryzyka delaminacji w kompozytach, mniejsza od średnicy otworu średnica wiertła umożliwiająca efektywniejsze odprowadzanie wiórów i ciepła, regulowane położenie mimośrodowe narzędzia względem otworu, nie występuje zjawisko zdryfowania narzędzia, np. pod wpływem niejednorodności materiału, a tym samym utraty dokładności kształtu otworu. Różnica między wierceniem orbitalnym a frezowaniem cyrkularnym polega na tym, że wiercenie orbitalne jest realizowane w sposób mechaniczny za pomocą wrzecion TwinSpin i nie wymaga sterowania wykorzystującego interpolację cyrkularną, co przyspiesza proces i zwiększa jego dokładność, nawet w przypadku bardzo małych otworów. Jest to szczególnie ważne w zastosowaniach lotniczych, wymagających wykonywania dużej liczby otworów (np. pod nity w kadłubie samolotu rys. 11), gdyż przenośne narzędzia mechaniczne do wiercenia orbitalnego są efektywniejsze i wygodniejsze w eksploatacji. Z kolei porównanie konwencjonalnego wiercenia i frezowania cyrkularnego kompozytu CFRP pozwoliło na stwierdzenie [15], że wykonywane wierceniem otwory wykazują nieco lepszą dokładność kształtu i wymiarów. Podczas frezowania cyrkularnego można jednak w celu zachowania wymiarów dokonywać korekcji toru spiralnego. Jakość obróbki obserwowana po stronie wylotowej otworu pozwala stwierdzić zalety frezowania cyrkularnego wynikające z mniejszej siły osiowej i korzystniejszych temperatur procesu. Dlatego w przypadku procesów o wysokich wymaganiach jakościowych po stronie wylotowej, przy często zmieniających się średnicach otworów i przedmiotów wrażliwych na wysokie temperatury, preferuje się frezowanie cyrkularne. Wszystkie inne wymagania lepiej spełnia wiercenie. Rys. 11. Wiercenie orbitalne otworów pod nity w kadłubie samolotu Airbus A380 wykonanego z kompozytu GLARE; u dołu narzędzie do wiercenia orbitalnego [5] Do skrawania głównie stosuje się zarówno wiertła, jak i frezy z polikrystalicznym diamentem (PKD) jako materiałem ostrzy lub cienką (względnie grubą) powłoką diamentową nanoszoną metodą CVD (Chemical Vapour Deposition) [15 21]. Podstawowa różnica tego rodzaju powłoki w stosunku do PKD leży w niemal czystej warstwie diamentu, wytworzonej bez fazy wiążącej z kobaltu. Opracowana przez firmę CemeCon metoda pozwala obecnie skutecznie nanosić CVD-powłoki diamentowe na węgliki spiekane, zawierające nawet do 12% kobaltu i z większym udziałem dodatkowych węglików. Przy zastosowaniu wierteł z naniesionym wariantem CVD-powłoki diamentowej w postaci CC-Dia Fiberspeed uzyskano podczas wiercenia CFRP kilkakrotnie lepsze rezul-

7 590 MECHANIK NR 7/2008 taty obróbkowe zarówno w odniesieniu do wierteł niepowlekanych, jak i z powłokami AlTiN (rys. 12), bez defektów narzędzia i powłoki [17]. Dotyczy to również wiercenia zestawów materiałowych CFRP Al. Efekt ten osiąga się w następstwie zoptymalizowania przyczepności powłoki do węglików spiekanych i tym samym znacznie zredukowanego zużycia obwodowego wiertła. Rys. 12. Porównanie trwałości narzędzi z powłoką konwencjonalną AlTiN i powłoką diamentową CC-Dia Fiberspeed firmy CemeCon w procesie wiercenia kompozytu CFRP [17] Przykładowo w budowie transportera wojskowego Airbus A400M otwory pod nity, służące połączeniu wykonanych z CFRP podłużnic i pokrycia skrzydła (rys. 13), są obrabiane wiertłami z naniesionymi wielowarstwowymi Rys. 13. Podczas wiercenia otworów pod nity łączące dwa komponenty z CFRP, tj. podłużnice z pokryciem skrzydła samolotu Airbus A400M uzyskano korzystne efekty obróbkowe wiertłami z wielowarstwową powłoką CC-Dia firmy CemeCon [17] Rys. 14. Frez trzpieniowy o średnicy 10 mm z powłoką diamentową do obróbki kompozytów CFRP i GFRP o strukturze plastra miodu (firma Prototyp Werke) powłokami typoszeregu CC-Dia firmy CemeCon. Ze względu na wyjątkową twardość tych powłok ( HV0,05) można nimi uzyskać dwukrotnie większą odporność na zużycie ścierne ostrzy, wywoływane właściwościami CFRP. Ponadto diament jest odporny na wpływy chemiczne, co zapobiega adhezji materiału obrabianego. Stosowanie wierteł niepowlekanych lub powlekanych metodą PVD nie zapewniało wymaganej dokładności otworów w klasie tolerancji H8. W wyniku postępu w zakresie powłok diamentowych zwiększyła się efektywność narzędzi do obróbki materiałów kompozytowych. Na rys. 14 pokazano przykładowo frez trzpieniowy firmy Prototyp Werke o średnicy 10 mm z powłoką diamentową do obróbki kompozytów CFRP i GFRP o strukturze plastra miodu, wykorzystywanych na elementy konstrukcji lotniczych [18]. Liczne firmy narzędziowe mają w swoich programach produkcyjnych narzędzia do obróbki kompozytów. Rys. 15. Pełnowęglikowe wiertła SPF firmy Kennametal z powłoką diamentową CVD do wykonywania otworów w materiałach kompozytowych [20] Sandvik Coromant, Kennametal, Mapal i wiele innych przedsiębiorstw podejmuje wysiłki, aby optymalizować materiał i geometrię narzędzi pod kątem efektywnego kształtowania kompozytów. Przykładowo, firma Mapal opracowała do obróbki półek dźwigarów do usterzenia pionowego samolotu PKD-frezy typoszeregu HP-FaceMill i HP-EndMill. Te monolitycznie skonstruowane narzędzia z trwałymi ostrzami z PKD umożliwiają, wskutek dużej liczby ostrzy, stosowanie wysokich wartości posuwów. Firma Kennametal zaproponowała jako alternatywę dla wierteł z PKD pełnowęglikowe wiertła SPF (rys. 15), przeznaczone do obróbki CFRP na obrabiarkach CNC. Gładka powłoka diamentowa tych wierteł nie zawiera w przeciwieństwie do PKD żadnych metalowych faz wiążących. Powoduje to podwyższenie odporności na zużycie i mniejszą skłonność do adhezji, jak też lepszy spływ wiórów. Dostosowane do obróbki kompozytów wykonanie części czołowej i ścina zapewnia zwiększoną zdolność do samocentrowania i redukcji siły osiowej, co zdaniem wytwórcy polepsza jakość otworu i zdecydowanie redukuje delaminację [20]. Opracowany przez firmę Onsrud Cutter LP (Libertyville, USA) frez Tuff-Core wytwarza według producenta bezgratowe krawędzie w materiałach kompozytowych, co jest szczególnie ważne przy zastosowaniach lotniczych. Osobliwą cechą tych narzędzi jest oprócz optymalnej konfiguracji ostrzy zastosowanie dwóch różnych materiałów podłożowych z węglików spiekanych (rys. 16). Wewnętrzny rdzeń narzędzia składa się z ciągliwego podłoża z większym udziałem kobaltu i powinien wytrzymywać występujące siły i naprężenia. Zewnętrzną

8 MECHANIK NR 7/ Rys. 16. Dwupodłożowy frez Tuff-Core firmy Onsrud Cutter LP do wykonywania bezgratowych krawędzi w materiałach kompozytowych [21] warstwę podłożową z odpowiednim udziałem węglików cechuje odporność na zużycie [21]. Ponieważ wiercenie kompozytów jest procesem stochastycznym z powodu ich anizotropii i niejednorodności, poszukuje się alternatywnych sposobów wykonywania otworów w tych materiałach. Należą do nich: obróbka laserowa, obróbka wysokociśnieniową strugą wodno- -ścierną, wiercenie wibracyjne itp. [19, 22, 23]. Wiercenie wibracyjne różni się od konwencjonalnego wiercenia ciągłego tym, że jest pulsacyjnie przerywanym procesem skrawania. Stwierdzono [22], że siła odporowa w przypadku wiercenia wibracyjnego włóknistych kompozytów polimerowych jest mniejsza niż podczas wiercenia konwencjonalnego, a ponadto występuje dobra korelacja między siłą a współczynnikiem delaminacji, rozumianym jako stosunek maksymalnej średnicy obszaru uszkodzonego wokół otworu do średnicy wiertła. Z tego względu, monitorując siłę odporową, można wpływać na ograniczenie defektów w procesie wiercenia kompozytów. Obróbka zestawów materiałów. W budowie samolotów znajdują coraz szersze zastosowanie zestawy (pakiety) złożone z lekkich i sztywnych materiałów konstrukcyjnych, jak przykładowo z CFRP, stopu aluminium i/lub stopu tytanu. Tego rodzaju elementy konstrukcyjne na ogół zawierają otwory o różnym przeznaczeniu, w tym montażowe pod nity lub śruby. Obróbka zestawu materiałów z całkowicie różnymi właściwościami sprawia znaczne trudności zwłaszcza wówczas, gdy przelotowe otwory są wąsko tolerowane (np. w klasie H8) i muszą odznaczać się wysoką jakością powierzchni. Przeprowadzane badania obróbki otworów w zestawie CFRP aluminium wykazały [24], że podczas wiercenia dochodzi, wskutek niekorzystnych warunków skrawania, do dużego obciążenia termicznego i mechanicznego ostrzy, a w konsekwencji podwyższonego zużycia narzędzia. Siły tarcia między wiórami transportowanymi rowkami wiertła i ścianką otworu prowadzą, wraz z rosnącą jego głębokością, do większych momentów i sił skrawania. Ponadto wióry twardszego materiału mogą powodować uszkodzenia powierzchni materiału miększego. Wykonanie otworu z jakością H8 wymaga zastosowania kilku wierteł o odpowiednio większych średnicach. Przez wprowadzenie frezowania cyrkularnego można tych trudności uniknąć; narzędzie wnika w materiał po torze spiralnym i wytwarza otwór w procesie przerywanym (rys. 17). Proces jest wyraźnie korzystniejszy niż wiercenie pod względem elastyczności i liczby wymaganych narzędzi. Kinematyka frezowania cyrkularnego zapewnia mniejsze obciążenie termiczne narzędzia i przedmiotu, lepsze odprowadzanie krótszych wiórów oraz bardzo pozytywnie wpływa na zużycie narzędzia. Właściwy dobór obrabiarki, narzędzia i procesu pozwala zatem na wytwarzanie w zestawach materiałów dokładnych otworów z wysoką jakością i przy zredukowanych kosztach. Inne badania wiercenia zestawu Al CFRP [25] pozwoliły na stwierdzenie, że zastosowanie wiertła stopniowego (o średnicy mniejszej i równej końcowej średnicy otworu) i powłoki TiB 2, a zwłaszcza minimalnego smarowania z użyciem alkoholu tłuszczowego (fetty alcohol), doprowadzanego poprzez wewnętrzne kanały narzędzia, umożliwiło uzyskanie jednakowej, wysokiej dokładności wzdłuż całego otworu. Minimalne smarowanie pozwoliło wyeliminować niemal całkowicie adhezję aluminium oraz powstawanie narostów na krawędziach skrawających i powierzchniach bocznych wiertła. Rys. 17. Najczęściej stosowane sposoby obróbki otworów w zestawach materiałów CFRP-stop Al: a) wiercenie, b) frezowanie cyrkularne Z kolei podczas wiercenia zestawu materiałów Al CFRP Ti wpływ transportu wiórów wzdłuż rowków wiórowych oraz skłonność tytanu do tworzenia wiązań adhezyjnych stwarzają wiele problemów. Wióry tytanu transportowane przez warstwę CFRP (rys.18) powodują wyżłobienia na powierzchni otworu, jak też delaminację kompozytu i przekładki (shim), znajdującej się między CFRP i Ti. Oprócz niekorzystnego oddziaływania wiórów, również różne właściwości materiałów, w tym moduł sprężystości, wpływają na tolerancję średnicy otworu. Dodatkowo styk cierny tytanu z powierzchnią natarcia i przyłożenia doprowadza do szkodliwych obciążeń termicznych Rys. 18. Problemy usuwania wiórów podczas wiercenia stopu TiAl6V4 w zestawie materiałów stop Al-CFRP-stop Ti [25]

9 592 MECHANIK NR 7/2008 i mechanicznych na krawędziach skrawających, a tym samym znacząco wpływa na zużycie narzędzia. Rozgrzane i ostre wióry tytanu pogarszają jakość powierzchni otworu i mogą prowadzić do komplikacji podczas montażu. Największy wpływ na zużycie narzędzi wykazują parametry skrawania i geometria wiertła [25]. Firma Sandvik Coromant zajmowała się procesem wykonywania otworów w zestawach materiałowych stosowanych na takie elementy konstrukcyjne samolotu, jak kadłuby, drzwi i dźwigary. Spełnienie warunku, by otwory nie wykazywały jakichkolwiek śladów delaminacji czy odciśniętych śladów gwintu w warstwie CFRP, zrealizowano poprzez wielostopniowe wykonywanie otworów [9]: wiercenie warstwy metalowej standardowym wiertłem, wiercenie rdzeniowe otworu o mniejszej średnicy w kompozycie w celu zminimalizowania delaminacji i gratów, rozwiercanie otworu w zestawie do końcowej średnicy z użyciem rozwiertaka z powłoką diamentową. Konieczność wykonania stożkowego sfazowania otworu wymaga zastosowania dodatkowego narzędzia. Firma Kennametal, wspólnie ze szwedzką firmą Novator AG (Spanga), opracowała następujący proces wykonywania otworów w zestawach materiałowych (rys. 19): wiercenie otworu o mniejszej średnicy, wiercenie orbitalne wiertłem z PKD w celu poszerzenia średnicy otworu bez delaminacji, ewentualne wykonanie stożkowego sfazowania otworu. a) b) Rys. 19. Narzędzia do wiercenia orbitalnego firmy Kennametal (a) i wykonane wierceniem orbitalnym firmy Novator otwory w zestawach kompozyt-metal bez delaminacji (b) Producenci samolotów zainteresowani redukcją sił skrawania i uzyskiwaniem lepiej wykończonych powierzchni mogą dzięki wierceniu orbitalnemu zaoszczędzić ok. 50% czasu przeznaczonego na montaż [9]. Jeśli w przyszłości koszty paliwa ulegną obniżeniu, ropa naftowa i tak nie przestanie być towarem deficytowym, jej zamienniki zaś (biopaliwa, olej węglowy czy syntetyczne paliwa wodorowe) staną się (bez subwencji) bardziej kosztowne. Jak wskazują długofalowe prognozy, koszty paliwa będą utrzymywać się nadal na wysokim poziomie, a nacisk ze strony organizacji ekologicznych i rządów na zmniejszenie emisji CO 2 przez transport będzie wzrastał. W tej sytuacji redukcja masy pojazdów będzie ciągle w centrum uwagi ich producentów, a kompozyty i inne lekkie materiały konstrukcyjne będą odgrywały coraz większą rolę [6, 26]. LITERATURA 1. R. TETI: Machining of composite materials. Ann. CIRP, 51(2002)2, A. LÜCK: Höchste Stabilität durch Langfaserverstärkung. Lange Fasern kurze Zeiten. Industrie-Anzeiger, 129(2007)17, O. STAUSS: Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Unschlagbar leicht und stabil. Industrie-Anzeiger, 128(2006)10, Nowe konstrukcje aluminiowe będą konkurować z kompozytowymi tworzywami sztucznymi. Design News Polska, nr 2, 2008, E. ABELE, M. KREIS, M. WEIGOLD: Trendbericht: Stand der Zerspanungstechnik im Leichtbau. Mit Leichtigkeit zu höherer Leistung. Werkstatt u. Betrieb, 140(2007)7/8, D. BIRKETT: Polymers on the move. Educ. Chem., 44(2007) B. KUTTKAT: Leichtgewichte sind gefragt. Maschinenmarkt, 113(2007)29, S102 S Pionierarbeit bei neuen Materialen. mav, Nr. 8, 2007, M. TOLIŃSKI: Composites challenge cutting tools. Manuf. Engineering, 138(2007)4, AT1 AT B. KUTTKAT: Lightweights are in demand. Maschinenmarkt, 113(2007) Special Issue EMO 2007, S70 S C. C.TSAO, H. HOCHENG: Effect of eccentricity of twist drill and candle stick drill on delamination in drilling composite materials. Int. J. of Mach. Tools a. Manuf., 45(2005) C. C.TSAO, H. HOCHENG: Effect of exit back-up on delamination in drilling composite materials using a saw drill and a core drill. Int. J. of Mach. Tools a. Manuf., 45(2005)11, H. HOCHENG, C. C.TSAO: Effect on special drill bits on drilling- -induced delamination of composite materials. Int. J. of Mach. Tools a. Manuf., 46(2006)12/13, P. WAURZYNIAK: Holemaking with precision. Manuf. Engineering, 129(2002)5, J. HEISE, S. ROGALLA: Bohren und Zirkularfräsen von CFK. VDI-Z Special Werkzeuge, März 2008, M. WEIGAND: Diamandbeschichtete Werkzeuge erhölen die Standzeit. Maschinenmarkt, 113(2007)41, J. GIESSLER: Hochleistungsfräsen von Aluminium-Knetlegierungen und Faserverbundwerkstoffen. Hoch hinaus mit Hochleistungsfräsern. Werkstatt u. Betrieb, 139(2006)10, M. TOLIŃSKI: Cleaner holes for composites, Manuf. Engineering, 140(2008)4, CT9 CT CFK bohren ohne Gratbildung. Industrie-Anzeiger, 129(2007)44, Tool erzeugt gratfreie Schnittkanten bei Composite-Materialen. Industrie-Anzeiger, 130(2008)14, S. ARUL et al.: The effect of vibratory drilling on hole quality in polymeric composites. Int. J. of Mach. Tools a. Manuf., 46(2006), K. T. VOISEY et al.: Fibre swelling during laser drilling of carbon fibre composites. Optics and Lasers in Engineering, 44(2006), M. GROPPE, B. URBAN: Zirkularfräsen bei der Bohrungsbearbeitung von CFK/Aluminium-Verbundmaterial. IDR, 36(2002)3, E. BRINKSMEIER, R. JANSSEN: Drilling of multi-layer composite materials consisting of carbon fiber reinforced plastics (CFRP), titanium and aluminium allloys. Ann. CIRP, 51(2002)1, B. MOREY: Automating composites fabrication. Manuf. Engineering. 140(2008)4, CT1 CT6.