Tytan i jego stopy są powszechnie

Transkrypt

1 Toczenie wykończeniowe stopu tytanu Ti-6Al-4V z zastosowaniem HPC Piotr Laskowski, WSK PZL-RZESZÓW S.A., Witold Habrat, KATEDRA TECHNIK WYTWARZANIA I AUTOMATYZACJI POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ, Krzysztof Krupa, Jan Sieniawski, LABORATORIUM BADAŃ MATERIAŁÓW DLA PRZEMYSŁU LOTNICZEGO POLITECHNIKI RZESZOWSKIEJ Ciecze obróbkowe pełnią funkcję chłodzącą i smarującą. Są stosowane przede wszystkim w celu odprowadzania ciepła powstającego w trakcie obróbki w strefie skrawania. Mała objętość dostarczanego chłodziwa prowadzi podczas obróbki materiałów trudno skrawalnych, w tym tytanu i jego stopów, do pogorszenia wskaźników skrawalności. Występuje przedwczesne zużycie narzędzia wskutek ścierania oraz zmęczenia cieplnego. Stwierdzono również intensywne wykruszanie krawędzi skrawającej ostrza narzędzia. Tytan i jego stopy są powszechnie stosowane w technice lotniczej ze względu na odpowiednie właściwości fizyczne i mechaniczne, do których można zaliczyć: małą gęstość, odporność na korozję, plastyczność, dobrą wytrzymałość zmęczeniową i dużą wytrzymałość na rozciąganie w podwyższonej temperaturze. Stopy tytanu rozwinięte zostały w celu spełnienia potrzeby powstania klasy wytrzymałych, lekkich materiałów do produkcji silnika lotniczego i struktur nośnych płatowców, ze względu na ich wyróżniające się współczynniki wytrzymałości do gęstości. Stopy tytanu mogą być również wykorzystywane jako materiał struktury nośnej płatowców, gdzie temperatura pracy przekracza 130 C, czyli konwencjonalną maksymalną temperaturę pracy stopów aluminium. W silnikach lotniczych stopy tytanu są szeroko wykorzystywane w kompresorach wysokiego i niskiego ciśnienia oraz jako materiał części poddawanych wysokim obciążeniom wynikającym z działania siły odśrodkowej, takich jak dyski i łopatki. W ostatnich latach nastąpił znaczący wzrost zastosowania tej grupy materiałów, przede wszystkim w lotnictwie, kosmonautyce, chemii, medycynie, budowie okrętów (9). Mimo zwiększonego zastosowania oraz produkcji tytanu i jego stopów koszt ich wytworzenia jest duży w porównaniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi. Wynika to ze zło- żonych procesów ekstrakcji oraz procesów metalurgicznych i technologicznych (11, 14). Skrawanie tytanu Skrawalność tytanu i jego stopów jest względnie niska, zwłaszcza z uwagi na szczególne właściwości fizyczne i chemiczne tej grupy materiałów. Tytan jest reaktywny chemicznie w temperaturze powyżej 470 o C. Jego niskie przewodnictwo cieplne podwyższa temperaturę w strefie kontaktowej narzędzie przedmiot obrabiany. Te nadmierne wartości temperatur mogą skutkować zacieraniem bądź przyspawaniem materiału obrabianego do płytki skrawającej. Znacząca część ciepła (ok. 80%) powstającego podczas obróbki stopu tytanu Ti-6Al-4V przewodzona jest w kierunku narzędzia, ponieważ nie może być odprowadzona przez szybko przepływający wiór bądź w kierunku materiału obrabianego, ze względu na niską przewodność cieplną stopów tytanu, która stanowi ok % przewodności stali. Czynniki te wpływają więc silnie na zmniejszenie trwałości narzędzi skrawających. Dodatkowo duży stopień umocnienia gniotem tych stopów oraz ich mały moduł sprężystości także negatywnie oddziałują na ich skrawalność (3, 11). Chłodzenie i smarowanie W procesach obróbki skrawaniem występuje obecnie tendencja do minimalizacji zużycia cieczy chłodząco-smarujących. Jednak wiele współczesnych materiałów, szczególnie o wysokich właściwościach wytrzymałościowych, nie można obrabiać w taki sposób, także mimo użycia nowoczesnych narzędzi z powłokami wielowarstwowymi (3). Podstawowym ograniczeniem jest wysoka temperatura w strefie skrawania. Dlatego stal austenityczna, nadstopy niklu oraz stopy tytanu wymagają zastosowania cieczy chłodząco-smarujących. Pomysł dostarczania chłodziwa pod wysokim ciśnieniem do strefy skrawania w celu podniesienia trwałości narzędzia podczas obróbki skrawaniem narodził się we wczesnych latach 50. XX wieku. W 1952 r. Pigott i Colwell po raz pierwszy wykorzystali chłodzenie strugą wraz z narzędziami ze stali szybkotnącej (12). Pionierskie prace w chłodzeniu wysokociśnieniowym kontynuowali Sharma i in. (13), Nagpal i Sharma (10), Mazurkiewicz i in. (8), Kovacevic i in. (5) oraz Kaminski i Alvelid (4). Wymienieni badacze zastosowali chłodzenie wysokociśnieniowe w obróbce stali i zaobserwowali istotną poprawę w trwałości narzędzia, wykończeniu powierzchni, dokładności wymiarowo-kształtowej oraz wyeliminowaniu narostu. Technologia ta przyniosła również redukcję temperatury w strefie skrawania, sił skrawania, współczynnika tarcia w strefie kontaktu wiór narzędzie i zintensyfikowała proces łamania wióra. 56 L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń 2013

2 a) b) Rys. 1. Schemat ideowy: a) chłodzenie zalewowe, b) wysokie ciśnienie cieczy chłodząco-smarującej (5, 7) Cel zastosowania cieczy chłodząco-smarujących Podstawowym celem tej techniki obróbki jest znaczące zmniejszenie temperatury powstającej w strefach kontaktu narzędzie materiał obrabiany i narzędzie wiór podczas skrawania z wyższymi prędkościami. Jest to osiągane przez skierowanie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem do strefy wiór narzędzie (rys. 1). Proces ten pozwala również na osiągnięcie wysokiej łamliwości wiórów i ich kontroli poprzez zwiększone zawijanie wiórów i naprężenia ściskające. Chłodzenie poprzez zalewanie strefy skrawania może efektywnie obniżyć temperaturę skrawania podczas obróbki w warunkach niższych prędkości przy obecności znaczącego obszaru poślizgu i tam, gdzie powstają względnie niskie temperatury. Chłodziwo działa również jako środek smarujący, minimalizując w ten sposób tarcie, zmniejszając siły składowe i w następstwie zwiększając trwałość narzędzia. Występuje bardzo ograniczony dostęp chłodziwa do strefy narzędzie materiał oraz narzędzie wiór, które znajdują się głównie w warunkach zatarcia podczas obróbki z wysokimi prędkościami skrawania. Chłodziwa mają tendencję do odparowywania wskutek obecności wysokiej temperatury generowanej w pobliżu krawędzi skrawającej, tworząc wysokotemperaturowy koc, który czyni ich efekt chłodzący niewystarczającym. Temperatura wrzenia filmu z konwencjonalnych płynów obróbkowych wynosi ok. 350 C (4). Cechy technologii HPC Wysokociśnieniowa struga chłodziwa szybciej przemierza powierzchnię, znacząco obniżając przez to zjawisko wrzenia filmu chłodziwa w strefie skrawania. To następnie minimalizuje transfer ciepła do narzędzia. Struga wysokociśreklama L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń

3 a) b) c) a) Rys. 2. Strategie podawania cieczy chłodząco-smarującej pod dużym ciśnieniem fot. P. Laskowski b) Rys. 3. Stanowisko badawcze wykonane w oparciu o tokarkę NEF 400 oraz system ChipBlaster Rys. 4. Zużycie wkładki ostrzowej na powierzchni przyłożenia po procesie toczenia stopu Ti-6Al-4V z zastosowaniem: a) chłodzenia zalewowego 0,8 MPa, b) wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej 8 MPa nieniowa tworzy klin hydrauliczny pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym, penetrując strefę współpracy wiór narzędzie z prędkością przekraczającą nawet tę wymaganą dla obróbki z wysokimi prędkościami, a ponadto modyfikuje warunki przepływu wióra (8). Penetracja strefy kontaktu wiór narzędzie strugą wysokoenergetyczną zmniejsza gradient temperatury i eliminuje zjawisko zacierania, zapewniając odpowiednie smarowanie w wymienionej strefie wraz ze znacznym zmniejszeniem tarcia. Technologia HPC (ang. High Pressure Coolant) może być zastosowana na dwa główne sposoby: przez zewnętrzną dyszę lub poprzez wewnętrzne kanały w narzędziu. Chłodzenie zewnętrzne niskim kosztem znajduje zastosowanie w przypadku starego oprzyrządowania. Może to być jednak trudne w przypadku obróbki wewnętrznej lub w operacjach odcinania (cięcia). Sharma i in. (13) przeprowadzili szerokie badania zastosowania HPC przez powierzchnię natarcia narzędzia. Niektórzy badacze wskazali na dogodność ukierunkowania strugi pod ciśnieniem w kierunku luki pomiędzy powierzchnią natarcia narzędzia a wiórem w celu kontroli kształtu wióra. Z drugiej strony poprzez chłodzenie od spodu struga bezpośrednio oddziałuje na krawędź skrawającą (najwyższa temperatura). Stąd redukcja temperatury jest znacznie bardziej efektywna. W zależności od mocy strugi i bocznego położenia punktu, w którym struga uderza w linię, w której wiór opuszcza powierzchnię natarcia, przepływ wióra może być kontrolowany, a łamanie wióra osiągane na materiale obrabianym, powierzchni przyłożenia płytki bądź uchwycie narzędzia wprost poniżej płytki. Nieodpowiednie nastawienie kierunku strugi i jej mocy może skutkować łamaniem wióra na powierzchni obrobionej, powodując jej uszkodzenie. Oczywiście promień zaokrąglenia naroża i parametry skrawania wpływają na kierunek przepływu wióra, a ostrożna optymalizacja kierunku strugi, jej ciśnienia i wydatku objętościowego, z uwzględnieniem aktualnych parametrów skrawania, jest potrzebna. Producenci narzędzi skrawających opracowali różne systemy narzędziowe do obróbki skrawaniem z zastosowaniem HPC. W tym zakresie można wyróżnić trzy podstawowe rozwiązania konstrukcyjne obejmujące: podawanie CCS pod wysokim ciśnieniem wyłącznie na powierzchnię natarcia (rys. 2a), podawanie CCS pod wysokim ciśnieniem jednocześnie na powierzchnię natarcia i przyłożenia (rys. 2b), podawanie CCS pod wysokim ciśnieniem do strefy skrawania stycznie do powierzchni natarcia (rys. 2c). Działanie poszczególnych systemów narzędziowych korzystnie wpływa na proces skrawania, jednak trudno jest dokonać jednoznacznego porównania ze względu na ograniczenia w zakresie wymienności wkładek ostrzowych oraz w niektórych przypadkach optymalizacji geometrii wkładki pod kątem danego systemu. W dalszej części artykułu zaprezentowano przykładowe wyniki badań doświadczalnych z zastosowaniem systemu narzędziowego firmy Iscar, umożliwiającego podawanie CCS pod wysokim ciśnieniem wyłącznie na powierzchnię natarcia. Badania obróbki skrawaniem stopu Ti-6Al-4V Stanowisko i metodyka badań Badania doświadczalne realizowane były w Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej z użyciem tokarki CNC DMG NEF600 wyposażonej w system ChipBlaster służący do podawania cieczy chłodząco-smarującej pod dużym ciśnieniem (rys. 3). System ten umożliwia podawanie cieczy chłodząco-smarującej pod ciśnieniem z za- 58 L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń 2013

4 kresu 5-21 MPa oraz wydatkiem maksymalnie 40 l/min. W ramach badań zastosowano również układy pomiaru składowych siły skrawania w procesie toczenia oraz zużycia ostrza skrawającego. System pomiaru sił składa się z siłomierza piezoelektrycznego Kistler 9257B przymocowanego za pomocą oprawki VDI do głowicy rewolwerowej. Umożliwia on pomiar składowych całkowitej siły skrawania: obwodowej (F c ), posuwowej (F f ) i odporowej (F p ). Sygnał z siłomierza jest wzmacniany przez wzmacniacz ładunku typu 5019B, a następnie transmitowany do komputera przez złącze PCMCIA za pomocą 12-bitowego przetwornika analogowocyfrowego NI 6062E firmy National Instruments. Wizualizacja, przetwarzanie i zapisywanie sygnału odbywają się za pomocą systemu CutPro. Częstotliwość próbkowania sygnału ustalono na 500 Hz. System pomiaru zużycia wkładki ostrzowej wykonano z zastosowaniem mikroskopu stereoskopowego z oprogramowaniem do cyfrowej analizy obrazu (kamera Nikon SMZ 1000 i oprogramowanie NIS Elements AR). Wartość wskaźnika zużycia VB Bmax określano przy powiększeniu 20 x i rozdzielczości 2560 x Materiałem przedmiotu obrabianego przyjętym do badań był trudno obrabialny stop tytanu Ti-6Al-4V, który ma największy udział na rynku światowym spośród wszystkich stopów Ti. Jego mikrostruktura jest złożona z dwóch faz i (2). Ma on duże zastosowanie w przemyśle lotniczym, gdzie wytwarza się z niego elementy turbin silników lotniczych, w szczególności dyski kompresorów oraz łopatki wentylatorów (6, 14). Stop Ti-6Al-4V cechuje mały współczynnik przewodności cieplnej, który ogranicza możliwości odprowadzania ciepła ze strefy skrawania. Stąd 80% ciepła jest przejmowane przez materiał wkładki ostrzowej, a w 20% przez wióry. Szacuje się, że wartość temperatury naroża ostrza skrawającego przy toczeniu ze średnimi wartościami prędkości skrawania (ok. 50 m/min) wynosi ok. 900 C (1, 7, 15). Może to być przyczyną samozapalenia się wiórów, w szczególności przy większej prędkości i niedostatecznym chłodzeniu strefy skrawania. Do badań przyjęto toczenie wzdłużne wałka o średnicy 50 mm. W tym wypadku efektywna długość toczenia wyniosła 150 mm. W oparciu o przeprowadzone próby technologiczne oraz zalecenia przemysłowe ustalono następujące parametry procesu: prędkość skrawania v c (m/min): 170, głębokość skrawania ap (mm): 0,25, prędkość posuwu wzdłużnego f (mm/obr): 0,1, chłodzenie zalewowe LP ciśnienie około 0,8 MPa, chłodzenie przez narzędzie HP ciśnienie 8 MPa. Do badań zastosowano narzędzia SVJBL z wkładkami ostrzowymi typu VBMT oraz VBGT wykonanymi z submikronowych węglików spiekanych, z powłoką osadzaną metodą PVD. reklama L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń

5 Zu ycie ostrza na kraw dzi przy o enia Zu ycie ostrza na kraw dzi przy o enia 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Obj to usuni tego materia u V mm 3 Rys. 5. Zależność zużycia ostrza na powierzchni przyłożenia VB Bmax od objętości usuniętego materiału dla wybranych geometrii ostrza skrawającego oraz sposobu podawania cieczy chłodząco-smarującej 0,75 0,65 0,55 0,45 0,35 0,25 0,15 VCMT SM IC907 LP IC807 LP IC806 LP IC907 HP IC807 HP IC806 HP VBMT SMC HP VBMT UM HP VBGT UM HP VBMT SMC LP VBMT UM LP VBGT UM LP 0, Obj to usuni tego materia u V mm 3 Rys. 6. Zależność zużycia ostrza na powierzchni przyłożenia VB Bmax od objętości usuniętego materiału dla wybranych materiałów ostrza skrawającego oraz sposobu podawania cieczy chłodząco-smarującej a) a) b) b) Rys. 7. Kształt wiórów po procesie toczenia stopu Ti-6Al-4V z zastosowaniem: a) chłodzenia zalewowego 0,8 MPa, b) wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej 8 MPa Rys. 8. Mikrostruktura warstwy wierzchniej po procesie toczenia stopu Ti-6Al-4V z zastosowaniem: a) chłodzenia zalewowego 0,8 MPa, b) wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej 8 MPa Wyniki badań W przyjętym zakresie parametrów procesu obserwowano dość intensywne zużycie ostrza na powierzchni przyłożenia. Dominującym mechanizmem zużycia narzędzi z węglika wolframu podczas toczenia tytanu z wysokimi prędkościami skrawania są rozpuszczanie i dyfuzja. Wysokie temperatury obróbki, duże siły skrawania oraz wysoka reaktywność chemiczna tytanu tworzą idealne środowisko dla dyfuzji składników narzędzia do tytanowego wióra. Również powstające wiązanie tytanu do narzędzia powoduje, że materiał przedmiotu obrabianego odrywany jest przez przepływające wióry (tj. zużycie ścierne). Obróbka z użyciem narzędzi, dla których został przekroczony dopuszczalny wskaźnik zużycia, wiąże się z przekroczeniem górnych zakresów tolerancji wymiarowej obrabianego elementu, pogorszeniem chropowatości oraz ze zmianą mikrostruktury warstwy wierzchniej włącznie z możliwością powstania białej warstwy. Zastosowanie wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej zmniejszyło intensywność zużycia (rys. 4) dla przyjętego zakresu parametrów skrawania, choć należy podkreślić, że wysokie ciśnienie cieczy chłodząco-smarującej nie było w stanie obniżyć temperatury skrawania w sposób wystarczający, aby zapobiec dyfuzji i ścieraniu. Zastosowanie wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej pozwoliło na ponaddwukrotny wzrost trwałości ostrza narzędzia skrawającego w procesie toczenia z przyjętymi parametrami w porównaniu z obróbką z konwencjonalnym ciśnieniem chłodziwa (rys. 5, 6). Zużycie ostrza narzędzia skrawającego wywołało również zmianę wartości składowych całkowitej siły skrawania (rys. 9). W zależności od rodzaju zużycia i powierzchni, na której ono występuje, poszczególne wartości składowych siły skrawania zmieniają się z zachowaniem tendencji do wzrostu. Zaobserwowano większe wartości składowych siły skrawania dla obróbki z chłodzeniem konwencjonalnym, co wynikało z większej wartości zużycia ostrza skrawającego. Dla zbliżonych wartości zużycia ostrza skrawającego poziomy składowych siły skrawania były porównywalne. 60 L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń 2013

6 Rys. 9. Składowe całkowitej siły skrawania w funkcji zużycia ostrza skrawającego oraz objętości usuniętego materiału Brak łamania wiórów podczas obróbki przy zastosowaniu chłodzenia LP prowadził do kłębienia się ich w strefie obróbki nawet dla krótkich interwałów obróbkowych wynoszących od 30 s do 1 min, prowadząc do ograniczenia warunków chłodzenia. Wióra łamane w procesie z zastosowaniem chłodzenia HPC nie powodowały zjawiska kłębienia ich na narzędzia, co przekładało się na lepszą zdolność penetracyjną chłodziwa do poślizgowej oraz sprężystej strefy obszaru współpracy wiór narzędzie. Doprowadzenie skoncentrowanego strumienia cieczy chłodząco-smarującej pod wiór przyczynia się do zmniejszenia temperatury w strefie kontaktowej oraz pozwala na utrzymywanie wióra z dala od powierzchni natarcia narzędzia i stąd wywołuje efekt samoistnego łamania, co uwidacznia się powstawaniem wiórów o małych rozmiarach (rys. 7). Warunki odbioru elementów gotowych zawarte w przedmiotowych nor- mach wytwórców sprzętu lotniczego nie dopuszczają powstawania białej warstwy oraz strefy silnie odkształconej (obniżającej wytrzymałość zmęczeniową) na obrabianych powierzchniach (rys. 8). Dlatego istotne jest określenie wypływu narzędzi oraz parametrów skrawania na stan technologicznej warstwy wierzchniej obrabianych elementów. Zastosowanie wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej spowodowało ograniczenie odkształceń w warstwie wierzchniej badanego materiału. Prawdopodobnie w głównej mierze jest to związane ze znacząco niższymi wartościami temperatury w strefie skrawania. Podsumowanie Uzyskane wyniki pokazują przykład zwiększenia efektywności wytwarzania przy toczeniu wykończeniowym stopu Ti-6Al-4V przez zastosowania wysokiego ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej. Zwiększenie trwałości ostrza stanowi wymierną korzyść w postaci obniżenia kosztów narzędziowych lub zwiększenia wydajności obróbki (poprzez podniesienie prędkości skrawania). Ponadto kształt wiórów umożliwiający właściwą ich ewakuację ze strefy obróbki, jak również obrabiarki jest obecnie priorytetem w zautomatyzowanym wytwarzaniu. Przedstawione wyniki pokazują złożony charakter procesu obróbki skrawaniem z zastosowaniem HPC i potwierdzają zasadność podejmowania badań w przedmiotowym zakresie. Z uwagi na przeznaczenie części wytwarzanych ze stopów tytanu zastosowanie ww. technologii istotnie wpływa na stan technologicznej warstwy wierzchniej, konieczne są jednakże kolejne badania właściwości TWW, z uwzględnieniem rozkładu twardości i naprężeń w funkcji odległości od powierzchni obrabianej. Piśmiennictwo dostępne w redakcji. 62 L I S T O P A D- G R U D Z I E Ń 2013