Prof. dr hab. inż. Jan Szadkowski Em. prof. zw. ATH Bielsko-Biała, 21.10.2014 Niekonwencjonalne metody wytwarzania I/S, MiBM/KWKiW, wykłady 30g. K o n s p e k t I. KSZTAŁTOWANIE CZĘŚCI MASZYN PRZEZ USUWANIE MATERIAŁU 1. Podstawowe pojęcia i klasyfikacja niekonwencjonalnych metod kształtowania części maszyn. Obróbka ubytkowa i obróbka przez dodawanie materiału (przyrostowa). Szybkie wytwarzanie prototypów i narzędzi. Metody hybrydowe.. 1 g. 2. Fizykalne podstawy obróbki skrawaniem wiórowym i ściernym oraz obróbki erozyjnej. Wykorzystanie energii mechanicznej, chemicznej, cieplnej i energii zjawisk elektrycznych. 1 g. 3. Obróbka skrawaniem w warunkach: podwyższonych i dużych prędkości skrawania, skrawania materiałów w stanie twardym, obróbki na sucho i w warunkach skąpego chłodzenia, obróbki wysokowydajnej, kompletnej, mikroi nanoobróbki, technik hybrydowych. Wspomaganie procesów skrawania przez ogrzewanie materiału w strefie skrawania (strumień plazmy, wiązka laserowa) i przez drgania o częstotliwości ultradźwiękowej). Mechanika procesu skrawania (modele mechanistyczne, modelowanie procesu skrawania). 2 g. 4. Zużycie i trwałość ostrza w warunkach obróbki jedno- i wielonarzędziowej. Optymalizacja parametrów skrawania rozszerzenie modelu klasycznego. Prognozowanie okresu trwałości ostrza zastosowanie techniki sztucznych sieci neuronowych. Nadzorowanie stanu ostrza skrawającego: wykrywanie stanów stępienia katastroficznego, diagnostyka stanu zużycia normalnego. Stosowane czujniki, zastosowanie metod sztucznej inteligencji. 2 g. 1
5. Innowacyjne procesy obróbki ściernej spojonym ścierniwem. Wysoko wydajne odmiany szlifowania: z dużą prędkością obwodową ściernicy, z dużą prędkością przedmiotu. Szlifowanie mikrokrystalicznymi ściernicami z korundu spiekanego. Szlifowanie z ciągłym sterowaniem torem ściernicy. Stosowanie ściernic diamentowych i z sześciennego azotku boru. Współczesne techniki szlifowania bezkłowego. Szlifowanie z efektywnym doprowadzeniem i ograniczonym wydatkiem cieczy obróbkowej, albo na sucho. Dokładne szlifowanie powierzchni płaskich z kinematyką docierania. Wysoko wydajne dogładzanie uzębień kół zębatych. 2 g. 6. Obróbka udarowo- ścierna (ultradźwiękowa, USM-Ultra-Sonic-Machining). Podstawowe pojęcia, wykorzystanie zjawiska piezoelektrycznego i magnetostrykcji. Generowanie i wzmacnianie amplitudy drgań, sonotrody. Rodzaje i sposoby doprowadzenia zawiesiny ściernej. Mechanizm procesu usuwania materiału, narzędzie i jego zużycie. Odmiany USM: stosowanie wirującego narzędzia, obróbka hybrydowa USM+ EDM, obróbka konturów 2D i wgłębień 3D, stosowanie uniwersalnego narzędzia. Wspomaganie różnych metod obróbki ubytkowej drganiami ultradźwiękowymi. Przykłady procesów wytwarzania z udziałem USM: obróbka elementów ceramicznych, wytwarzanie ciągadeł diamentowych i inne. 1 g. 7. Obróbka magnetościerna. Zastosowanie pola magnetycznego we współczesnych technikach wytwarzania. Ferromagnetyki ścierne, ich oddziaływanie z polem magnetycznym i przedmiotem obróbki. Przedmiot obrabiany i warstwa wierzchnia po obróbce magnetościernej. Klasyfikacja metod i przykłady zastosowań: polerowanie powierzchni wewnętrznych rur, obróbka łopatek turbin, obróbka taśm nieferromagnetycznych, usuwanie zadziorów i wypływek, bębnowanie w polu magnetycznym, obróbka płytek sprzęgłowych, sworzni kulistych. 1 g. 8. Obróbka wysokociśnieniowa strugą wody i strugą wodno-ścierną (WJM-Water Jet Machining, AWJM- Abrasive WJM). Podstawy fizykalne i technologiczne: mechanizm usuwania materiału obrabianego, modele przewidywania głębokości cięcia, charakterystyka warstwy wierzchniej, monitorowanie 2
procesów WJM i AWJM. Urządzenia do wytwarzania strugi wysoko ciśnieniowej: pompy z wzmacniaczem, pompy z wałem korbowym. Dysze: wodna i ogniskująca, materiały, trwałość. Systemy dostarczania materiału ściernego w AWJM, stoły X-Y. Zagadnienie obróbki 3 D, 5D. Zastosowania: do materiałów miękkich (WJM) i twardych (AWJM), obróbka ceramiki, kompozytów, stopów żaroodpornych. 2 g. 9. Obróbka elektroerozyjna (EDM-Elektro Discharge Machining). Podstawy fizykalne : istota wyładowania elektrycznego, temperatura w kanale plazmowym, układy RC, RLC, generatory impulsów. Postać i charakterystyki impulsów napięcia i prądu. Dielektryki stosowane w EDM. Materiały elektrod, biegunowość elektrod. Charakterystyka operacji drążenia elektroerozyjnego, zużycie elektrody odporność elektroerozyjna, dobór materiału elektrody. Sterowanie procesem drążenia. Stosowane obrabiarki przykłady. Obróbka EDM w gazie. Drążenie materiałów nie przewodzących. Wycinanie elektroerozyjne (WEDM- Wire EDM). WEDM w dwóch i czterech osiach. Woda dejonizowana. Uzyskiwane wydajności i stan warstwy wierzchniej. Materiały na elektrody robocze druty. Wycinanie precyzyjne. Programowanie obróbki, obróbka złożonych konturów, obróbka stempli i płyt tnących wykrojników. Obróbka elektroerozyjna uniwersalnymi elektrodami (frezowanie EDM). Obróbka elektroerozyjna z wykorzystaniem wirującej tarczy grafitowej (EDG). Modyfikacja właściwości warstwy wierzchniej ukształtowanej drążeniem EDM uzycie wiązki laserowej, elektroerozyjne nanoszenie warstw kompozytowych, stosowanie proszków W, Co, Mn, Mo; wykorzystanie elektrody tytanowej do pokrywania narzędzi skrawających warstwą TiC. Przykłady zastosowania drążenia i wycinania EDM. 2 g. 10. Obróbka elektrochemiczna (ECM- Elektro Chemical Machining). Podstawy fizykalno-chemiczne ECM, roztwarzanie anodowe. Wydajność i energochłonność ECM. Stosowane elektrolity, obieg elektrolitu. Jakość powierzchni po ECM, Drążenie ECM, wydajność i dokładność drążenia. Modelowanie matematyczne procesu drążenia. Korekcja elektrody roboczej, trwałość elektrody. ECM impulsowa (PECM Pulse ECM). Drążarki elektrochemiczne i przykłady zastosowania w przemyśle drążenie łopatek 3
turbin, form i matryc, monolitycznych kół i wirników turbiny, usuwanie złamanych narzędzi. Obróbka elektrochemiczna uniwersalnymi elektrodami (ECM-CNC), modelowanie matematyczne, zastosowania, charakterystyki technologiczne, system CAD/CAM dla ECM-CNC. Wybór elektrolitu, kształtu, materiałów i wymiarów elektrody roboczej. Wygładzanie elektrochemiczne, kształtowanie właściwości warstwy wierzchniej. ECM 3D, elektrochemiczne usuwanie zadziorów, ECM strumieniowa, elektrochemiczne nanoszenie warstw (modyfikacja właściwości warstwy wierzchniej). 2 g. 11. Obróbka wiązką fotonów (laserowa) (LBM- Laser Beam Machining). Istota i przebieg akcji laserowej. Odmiany obróbki laserowej i jej rozwój. Charakterystyka laserów do ubytkowej obróbki materiałów, lasery na ciele stałym, gazowe, molekularne, eksicimerowe femtolasery, lasery płytowe. Podstawy fizykalne obróbki laserowej, rozkłady natężenia promieniowania wiązki laserowej, mody. Oddziaływanie wiązki laserowej na materiał obrabiany, absorpcja promieniowania laserowego, współczynnik sprawności i jakość ubytkowej obróbki laserowej. Cięcie laserowe, stosowane urządzenia, głowice robocze, formy realizacji ruchów względnych wiązki laserowej i materiału obrabianego. Model procesu cięcia. Wpływ właściwości i grubości materiału na prędkość cięcia. Rodzaje cięcia laserowego: z utlenianiem, ze stapianiem, z odparowaniem ciętego materiału. Jakość cięcia. Laserowe drążenia otworów: laserami impulsowymi Nd: YAG, laserami ekscimerowymi, femtolaserami. Drążenie jednoimpulsowe, wieloimpulsowe, trepanacyjne, przecinające. Drążenia otworów w stopach żaroodpornych, np. Inconel ach. Nacinanie laserowe płytek ceramicznych, pół-przewodnikowych. Korekcja laserowa rezystancji. Znakowanie laserowe. Laserowa obróbka 3 D: toczenie, frezowanie, wykonywanie wgłębień. Automatyzacja i robotyzacja obróbki laserowej. 3 g. 12. Obróbka wiązką elektronów (EBM- Elektron Beam Machining). Zastosowanie wiązki elektronów w przemyśle. Podstawy wytwarzania wiązki elektronów, ruch elektronu w polach elektrostatycznych, magnetycznych i polach połączonych, optyka elektronowa, soczewki 4
magnetyczne: budowa działa elektronowego. Podstawy fizykalne oddziaływania wiązki elektronów na materiał obrabiany. Obróbka ubytkowa za pomocą wiązki elektronów, drążenie otworów w diamentach (proces wytwarzania ciągadła diamentowego), w metalach (otwory chłodzące w łopatkach turbin), stopach tytanu, Nimoniku, w foliach, np. tantalowej, niklowe miedzianej). Wykonywanie rowków, sit, korekcja rezystorów. Perforowanie materiałów ceramicznych i półprzewodnikowych. 2 g. 13. Obróbka wiązką plazmy (PBM- P asma Bean Machining). Pojecie plazmy, metody wytwarzania plazmy, postaci palników plazmowych. Ciecie plazmowe (Plasma Arc Cutting, PAC), prędkość cięcia (posuwu), odmiany cięcia, zastosowanie jako środowisk plazmotwórczych argonu, azotu, wodoru, tlenu i ich połączeń. Cięcie konwencjonalne i cięcie w osłonie gazowej, cięcie w osłonie wodnej, cięcie z wtryskiem wody, cięcie pod powierzchnią wody. Jakość procesu, jego automatyzacja i robotyzacja. 1 g. 14. Metody hybrydowe kształtowania ubytkowego. Obróbka elektrochemicznościerna, elektrochemiczno-elektroerozyjna, elektrochemicznoultradźwiękowa, elektroerozyjno- ultradźwiękowa, elektroerozyjno-ścierna i inne kombinacje ECM, EDM, US, LBM i obróbki skrawaniem. Obróbka elektrochemiczno-ścierna (odmiany kinematyczne): szlifowanie i gładzenie elektrochemiczne, szlifowanie elektrochemiczne uniwersalną ściernicą (w tym symulacja komputerowa). Obróbka elektrochemicznoelektroerozyjna (w słabych roztworach elektrolitu). Obróbka elektroerozyjno-ścierna: szlifowanie ściernicą o spoiwie metalowym (AEDM), zastosowanie do obróbki stopów tytanu, kompozytów na osnowie metalicznej, ceramiki technicznej. Obróbka elektroerozyjno- ścierna luźnym ścierniwem, drążenie w mieszaninie proszek silikonowy dielektryk. Obróbka elektrochemiczno-elektroerozyjno-ścierna (ECDAM): obróbka materiałów kompozytowych. Wspomaganie procesów obróbki drganiami o częstotliwości ultradźwiękowej; drążenie, wykorzystanie sonotrody uniwersalnej. Obróbka elektrochemiczno-ultradźwiękowo-ścierna (AECM-US): roztwarzanie 5
anodowe, mikroskrawanie, oddziaływanie fal ultradźwiękowych, obróbka supertwardych materiałów przewodzących. Obróbka elektroerozyjnoultradźwiękowa (EDM-US): zastosowana do drążenia otworów. Laserowo wspomagane procesy obróbkowe: toczenie i frezowanie laserowe, mikroobróbka, obróbka elektrochemiczna wspomagana laserowo, dogniatanie wspomagane laserowo. 2 g. II. KSZTAŁTOWANIE CZĘŚCI MASZYN PRZEZ DODAWANIE MATERIAŁU 15. Szybkie wytwarzanie prototypów, modeli i narzędzi (RP-Rapid Prototyping, RT- - Rapid Tooling, LMT-Layer Manufacturing Techniques, MIM- Material Increase Manufacturing; SFM lub SFF-Solid Freeform Manufacturing (Fabrication)). Zastosowanie CAD 3D, interfejsy (STL, SLC, HPGL, IGES, STEP, VDAFS), triangulacja, dzielenie na warstwy. Porównanie rozwiązań konwencjonalnych z metodami RP i RT. Wykorzystanie danych dotyczących geometrii przedmiotu wykonywanego za pomocą tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego, albo też za pomocą modelu fizycznego- projektowanie odwrotne (RE- Reverse Engineering), prowadzące do modelu CAD. Zasadnicze etapu RE. Zastosowania w technice, sztukach pięknych i w medycynie. 2 g. 16. Stereolitografia (SL Stereolitography). Warstwowe utwardzanie ciekłego foto-polimeru przy pomocy wiązki laserowej w obszarze UV (fotopolimeryzacja). Schemat urządzenie. Materiały wyjściowe dla SL, problemy głębokości polimeryzacji. Zastosowania SL: przedmioty z żywic epoksydowych, produkcja form wtryskowych, wytwarzania elementów z proszku monomeru i proszku ceramicznego. Połączenie procesu SL z procesem elektroformowania miedzi wytwarzanie elektrod dla EDM. Selektywne spiekanie laserowe (SLS- Selective Laser Sintering). Lokalne spiekanie i topienie materiałów sproszkowanych przy pomocy wiązki laserowej. Triangulacja modelu CAD 3D i przetwarzanie w standard STL. Zakres stosowanych materiałów: poliamid, poliwęglan, polistyrol, niskotopliwych stopów z brązo-niklu, proszku stalowego pokrytego warstwa 6
polimeru. Schemat urządzenia. Zastosowania w wykonywaniu prototypów w przemyśle samochodowym i lotniczym, a także w wykonywaniu gotowych wyrobów. Wytwarzanie przedmiotów warstwami metodą (LOM Laminated Object Manaufacturing). Sklejanie pojedynczych folii w sposób warstwowy (np. produkcja przedmiotów spiekanych z warstw wycinanych z wstępnie spieczonego SiC). Konwersja CAD 3D na format STL. Wycinanie warstw wiązką laserową, prasowanie. Opis urządzenia, zastosowania- wytwarzanie przedmiotów z papieru, tworzyw sztucznych, tkanin, kompozytów, metali. Wykorzystanie tłoczników i form wtryskowych. Osadzanie warstwowe roztopionego materiału (FDM- Fused Deposition Modelling), wytłoczne osadzanie roztopionego materiału wyjściowego, wytworzonego w postaci strugi, za pomocą ruchomej podgrzewanej dyszy. Struktura systemu FDM (CAD 3D, STL), dzielenie na warstwy, sterowanie, przebieg procesu. Schemat urządzenia. Sposoby wytwarzania włókna nylonowego z cząsteczkami materiału (metalu, kompozytu, ceramiki. Przykłady zastosowań. 17. Drukowanie trójwymiarowe (3D Printing, TDPrinting). Scalanie proszków kroplami spoiwa, nanoszenie spoiwa głowicą Ink-Jet, wstępne spiekanie. Stosowane materiały: szeroki zakres ( każdy materiał, który może być sproszkowany ). Wykonywanie form i rdzeni dla odlewów precyzyjnych, form skorupowych. 18. Wytwarzanie przedmiotów warstwami z kształtowych warstw wykonanych frezowaniem trój- lub pięcioosiowym (SOM-Stratified Object Manaufacturing), wytwarzanie elementów z materiału docelowego za pomocą obróbki skrawaniem ze sterowaniem CNC, z uwzględnieniem skrawania z dużymi prędkościami (HSC High Speed Cutting). Wytwarzanie modeli i rdzeni traconych. Właściwości elementów wykonywanych metodami RP i RT: gęstość, dokładność, chropowatość powierzchni, właściwości fizyko-chemiczne. 4 g. 7
Zalecana literatura: 1. Grzesik W.: Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2010. 2. Niesłony P.: Modelowanie przepływu ciepła i rozkładu temperatury w strefie skrawania dla ostrzy z twardymi powłokami ochronnymi. Politechnika Opolska, 2008. 3. Oczoś K.E.: Kształtowanie materiałów skoncentrowanymi strumieniami energii. Redakcja Wydawnictw Uczelnianych Politechniki Rzeszowskiej, 1988. 4. Oczoś K.E.: Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 1996. 5. Ruszaj A.: Niekonwencjonalne metody wytwarzania elementów maszyn i narzędzi. Wyd. Instytut Obróbki Skrawaniem, Kraków 1999. 6. Zembala W. Słodki B.: Rejestracja obrazu w nadzorowaniu procesu skrawania. Politechnika Krakowska, 2011. 7. Zembala W.: Modelowanie procesu skrawania. Politechnika Krakowska, 2011. 8. Czasopismo MECHANIK. 8