MIESICZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY ORGAN STOWARZYSZENIA INYNIERW I TECHNIKW MECHANIKW POLSKICH ROK LXXXI

Kompozyty wkniste waciwoci, zastosowanie, obrbka ubytkowaKAZIMIERZ E. OCZO *

Budowa kompozytw wknistych. Kompozyty z osnow polimerow, metalow i ceramiczn. Zastosowanie kompozytw wknistych w przemyle lotniczym i samochodowym. Problemy obrbkowe kompozytw wknistych i sposoby ich przezwyciania. Narzdzia do skrawania kompozytw wknistych.Materia kompozytowy (lub krcej kompozyt) jest to tworzywo zoone z dwch lub wicej komponentw o rnych waciwociach. Jednym ze skadnikw jest osnowa (matrix) spajajca w cao kompozyt i nadajca mu twardo, elastyczno i odporno na ciskanie, drugim za materia konstrukcyjny (wzmacniajcy) odpowiedzialny za wzmocnienie kompozytu poprzez uksztatowanie pozostaych jego waciwoci. Waciwoci kompozytu nigdy nie prezentuj sumy czy redniej wartoci poszczeglnych waciwoci jego skadnikw. Generalnie rola osnowy polega na ochronie materiau wzmacniajcego, przenoszeniu na niego napre zewntrznych i nadawaniu danego ksztatu wytworzonej czci kompozytowej, natomiast funkcja materiau wzmacniajcego sprowadza si do zapewnienia kompozytowi wysokich waciwoci mechanicznych i wzmocnienia osnowy w selektywnych kierunkach [1]. Materiay kompozytowe s obecnie stosowane coraz powszechniej ze wzgldu na ich korzystne w porwnaniu z metalami waciwoci, takie jak wytrzymao i sztywno przy maej masie waciwej. Oferuj one interesujce moliwoci aplikacyjne dla nowych, lekkich konstrukcji wyrobw. Waciwoci kompozytu zale od waciwoci fizycznych osnowy i materiau wzmacniajcego, postaci wzmocnienia (wkna, czstki) oraz wzgldnej zawartoci osnowy (Vo) i wzmocnienia (Vw ) ujmowanych jako frakcje objtociowe (V0 + Vw = 100%). W kompozytach wknistych znajduj zastosowanie osnowy polimerowe, metalowe i ceramiczne (rys. 1). Z kolei jako materia wzmacniajcy wykorzystuje si przede wszystkim wkna wglowe, szklane i aramidowe oraz, w mniejszym stopniu, ceramiczne, borowe, grafitowe i inne, przy czym mog by one dugie (ci* Prof. zw. dr in. Kazimierz E. Oczo jest pracownikiem naukowym Katedry Technik Wytwarzania i Automatyzacji Politechniki Rzeszowskiej i redaktorem naczelnym Mechanika.

ge) lub krtkie (niecige), jak te uporzdkowane lub przypadkowe. Gwnymi zaletami kompozytw z osnow polimerow i wknami dugimi w porwnaniu z wknami krtkimi s [2]: lepsze waciwoci mechaniczne, wysza udarno z karbem, mniejsza skonno do pezania, bardzo dobra trwao w podwyszonej temperaturze w wilgotno-gorcym klimacie. Waciwoci kompozytu z dugimi i uporzdkowanymi wknami s zdecydowanie anizotropowe. Wkna dugie mog by jednokierunkowe (wszystkie wkna rwnolege do siebie) lub splecione w formie tkaninowej (technika preform). Jednokierunkowe usytuowanie wkien zapewnia kompozytowi najwysze waciwoci mechaniczne. Kompozyty z osnow polimerow (PMC) Kompozyty z osnow polimerow PMC (Polimer Matrix Composites) mog by wzmacniane grubymi i mocnymi wknami wkomponowanymi w mikk i cigliw osnow. Osnow mog stanowi polimery termoutwardzalne (poliepoksydy i poliestry) oraz polimery termoplastyczne (poliamidy). Najbardziej rozpowszechnionymi rodzajami wzmocnienia stosowanymi w kompozytach PMC s wkna szklane G (Glass), wglowe C (Carbon) i aramidowe A (Aramid). Std te kompozyty PMC wzmacniane wknami szklanymi s okrelone akronimem GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics) i analogicznie wzmacniane wknami wglowymi jako CFRP czy aramidowymi jako AFRP. Kompozyty GFRP byy przez dugi czas najczciej stosowane ze wzgldu na ich waciwoci mechaniczne,

Rys. 1. Podzia kompozytw wzmacnianych wknami (kompozytw wknistych)

580

MECHANIK NR 7/2008

jak te relatywnie nisk cen. Z kolei kompozyty CFRP i AFRP zapewniaj wysz wytrzymao (tabl. I), wiksz sztywno i wykazuj mniejsz mas waciw (gsto), jednake s drosze i z tego powodu wykorzystywane przede wszystkim w konstrukcjach, ktrych wyznacznikiem nie jest koszt, lecz prezentowane waciwoci. CFRP znajduj zastosowanie w konstrukcjach wymagajcych duej sztywnoci i odpornoci na podwyszone temperatury, natomiast AFRP s preferowane wwczas, gdy najbardziej istotna jest wytrzymao, wizko i lekko.

Kompozyty MMC generalnie wykazuj wiksz wytrzymao i wyszy modu sprystoci od konwencjonalnej stali oraz stopw Al, Mg i Ti, jak te od kompozytw PMC. Niecige (krtkie) wkna i czstki wzmacniajce MMC wpywaj na ich niszy koszt oraz umoliwiaj wysz wytrzymao i sztywno, jak rwnie lepsz stabilno wymiarow ni odpowiednie materiay niewzmacniane. Nawet niewielki dodatek materiau wzmacniajcego (w granicach 20%) powoduje znaczny wzrost wytrzymaoci i sztywnoci MMC. Kompozyty z osnow ceramiczn (CMC) Kompozyty z osnow ceramiczn CMC (Ceramic Matrix Composites) s opracowywane i rozwijane w celu zwikszenia odpornoci na kruche pkanie niewzmacnianych materiaw ceramicznych, wykazujcych wyszy modu sprystoci i wysze waciwoci mechaniczne w wysokich temperaturach ni odpowiednie materiay metalowe. Wkna dugie i krtkie (wiskersy) lub czstki s wykorzystywane jako komponenty wzmacniajce CMC. Do zazwyczaj spotykanych wzmocnie CMC naley zaliczy Al2O3, SiC i C, natomiast jako osnowa znajduj zastosowanie Al2O3, SiC i Si3N4. Zastosowanie kompozytw wknistych Kompozyty wkniste znajduj zastosowanie szczeglnie w takich branach, jak przemys lotniczy i kosmiczny oraz motoryzacyjny, a ponadto w przedsibiorstwach budowy statkw, jachtw i odzi, zbiornikw i naczy cinieniowych, energetycznych urzdze wiatrowych, anten satelitarnych, sprztu sportowego, sprztu medycznego, elementw budowlanych itp. Najbardziej spektakularne zastosowania kompozytw wknistych dotycz przemysu lotniczego i kosmicznego. Coraz wiksza zoono samolotw zarwno wojskowych, jak i cywilnych zmusza ich wytwrcw do poszukiwania nowatorskich materiaw, ktre zmniejszaj mas, maksymalizuj efektywne zuycie paliwa i utrzymuj rwnowag aerodynamiczn. Kompozyty i zestawy (pakiety) zoone z lekkich materiaw konstrukcyjnych s dobrym rozwizaniem, szczeglnie na wytrzymalsze materiay przydatne w budowie samolotw, poniewa s lejsze od dotychczas stosowanych, relatywnie atwo si formuj i s odporne na podwyszone temperatury, chocia wymagaj rozwizania jeszcze wielu problemw z ich ksztatowaniem. Przykadem znaczcego zmniejszenia masy obciajcej podwozie samolotu jest wprowadzenie przez firm Airbus duej liczby elementw z kompozytw do samolotu A380 (rys. 2). Okoo 22% struktury podstawowej samolotu (w stosunku wagowym) wykonano z rnych kompozytw wknistych z osnow z ywicy epoksydowej, przewanie CFRP. Powodem ich zastosowania bya wysoka sztywno wzmacniajcych wkien wglowych z wartociami a do 935 GPa w porwnaniu z 70 GPa przy aluminium. Gsto CFRP wynosi tylko 60% w stosunku do gstoci Al, co pozwala osign oszczdno masy nawet o 40% w porwnaniu z konstrukcjami aluminiowymi [3]. Firma m.in. stosuje rwnie w nieznacznych ilociach kompozyty GFRP do produkcji usterzenia pionowego, jak te FRP wzmacniane kwarcem do produkcji stoka dziobowego. 3% struktury podstawowej samolotu stanowi skorupa kaduba kompozytu GLARE (Glass Fibre Reinforced Aluminium Laminates) firmy Alcoa. Jest to rozwizanie hybrydowe zoone z 2 6 warstw aluminiowych o gruboci 0,2 0,5 mm. Pomidzy skrajnymi warstwami aluminium s usytuowane na przemian warstwy

Spord polimerw termoutwardzalnych na plan pierwszy wysuwaj si ywice epoksydowe (epoxy resins), ywice poliestrowe (polyester resins) za, chocia tasze, wykazuj jednak gorsz wytrzymao i wikszy skurcz po termoutwardzeniu, a tym samym nie zapewniaj dokadnoci geometrycznej wyrobw z osnow z ywicy epoksydowej. Polimery termoplastyczne cechuje mniejsza wytrzymao i niszy modu sprystoci podunej, ale za to zupenie dobra plastyczno. Maksymalna temperatura pracy dla kompozytw wknistych jest relatywnie niezbyt wysoka, gdy osnowa wykazuje skonno do zmikczania si oraz chemicznego rozkadu lub degradacji w podwyszonej temperaturze. Kompozyty z osnow metalow (MMC) Kompozyty z osnow metalow MMC (Metal Matrix Composites) znajduj zastosowanie w konstrukcjach pracujcych w relatywnie wyszych temperaturach ni dopuszczalne w odniesieniu do PMC. Wkna dugie (cige) zapewniaj najwiksz sztywno i waciwoci wytrzymaociowe materiaom MMC. Budowa najwczeniej wprowadzonych kompozytw borowo-aluminiowych polega na tym, e warstwy wkien borowych, umieszczone midzy cienkimi foliami aluminiowymi, s spajane na gorco foli, ktra ulega deformacji wok wkien pod wpywem siy ciskajcej. Przez wzmacnianie wknami borowymi wytrzymao na rozciganie MMC moe wzrosn 3 5-krotnie. Innymi materiaami wzmacniajcymi MMC s: wglik krzemu (SiC), tlenek glinu (Al2O3), grafit i wolfram w postaci czstek, wkien dugich i krtkich. Z kolei do najczciej wykorzystywanych w MMC osnw zalicza si stopy aluminium, magnezu lub tytanu (rys. 1).

582

MECHANIK NR 7/2008

Rys. 2. Przykady rnych zastosowa w ramach 22% udziau CFRP w budowie samolotu Airbus A380

wkien i metalu. Warstwy ukierunkowanych wkien szklanych, tzw. prepegi, o gruboci 0,125 0,5 mm s spojone osnow z ywicy epoksydowej i poczone z aluminium. Zorientowanie wkien zaley od zastosowania wyrobu. Materia GLARE jest droszy od Al i innych kompozytw, jednake ze wzgldu na wykonanie zewntrznych warstw z Al moe czony jak metalowy, zachowujc przy tym nisk gsto. Jednoczenie powinien przy porwnywalnej wytrzymaoci by lejszy i odporniejszy na korozj ni Al oraz mniej podatny na powstawanie pkni [4 7]. Aktualnie prowadzone s take prace badawcze nad zastosowaniem nanorurek wglowych w celu wzmocnienia i usztywnienia kompozytw. Mog one znale zastosowanie do 2020 r. zarwno w samolotach A380, jak i Boeing 747. O ile w samolocie Airbus A380 udzia kompozytw wknistych wynosi ok. 25%, to ju we wprowadzanym do eksploatacji w 2008 r. samolocie Boeing 787 Dreamliner (rys. 3) udzia ten siga 50%. Przewiduje si, e w projektowanym samolocie Airbus A350 szerokokadubowym liniowcu redniej wielkoci planowanym do wprowadzenia

space Corporation, daje si zauway rosnce zastosowanie stopw aluminiowo-litowych (Al-Li), cechujcych si nie tylko moliwoci obnienia masy samolotu o 5% w stosunku do samego Al, ale rwnie takimi zaletami,

Rys. 4. Udzia lekkich materiaw konstrukcyjnych w budowie samolotu pasaerskiego Airbus A350

jak: cakowita odporno na korozj, dua odporno na zmczeniowe pkanie materiau oraz dobre poczenie wytrzymaoci i wizkoci [4, 5]. W samolotach innych wytwrcw zastosowanie kompozytw wknistych rwnie wzrasta. Przykadowo, w 8-miejscowym odrzutowcu Premier 1 firmy Raytheon kadub czci dziobowej zosta wykonany z kompozytu CFRP (rys. 5). Z kolei w samolocie myliwsko-bombo-

Rys. 3. Samolot Boeing 787 Dreamliner zbudowany w 50% z kompozytw wknistych

w 2013 r. czny udzia lekkich materiaw konstrukcyjnych tj. tytanu, aluminium i kompozytw wyniesie 86% (rys. 4) [5, 8]. Na przykadzie samolotu Airbus A350, a zwaszcza samolotw serii C firmy Bombardier Aero-

Rys. 5. Kadub czci dziobowej samolotu odrzutowego Premier 1 firmy Raytheon wykonany z CFRP

584

MECHANIK NR 7/2008

wym F-35 Joint Strike Fighter firmy Lockheed Martin Aeronautics (rys. 6) gwnymi elementami z kompozytu wzmacnianego wknami wglowymi s pokrycia skrzyde. Elementy strukturalne, w tym none, samolotu, aby zapewni sab wykrywalno przez radary, musz by ksztatowane ze skrajnie wskimi tolerancjami (dokadno rzdu 0,2 mm), co stawia przed narzdziami skrawajcymi i procesem obrbkowym wysokie wymagania [9].

Rys. 6. Samolot myliwsko-bombowy F-35 Joint Strike Fighter firmy Lockhead Martin Aeronautics

wzi pod uwag niebezpieczestwo rozwarstwiania si kompozytu w obszarach poddawanych dziaaniu szczeglnie trudnych warunkw, co wymagao dokonania optymalizacji umiejscowienia wszystkich punktw zaczepu i ustalenia kierunkw wkien wzmacniajcych. Z innych przykadw zastosowa kompozytw wknistych w przemyle samochodowym mona wymieni tzw. Kohlefaserauto (auto z wkien wglowych) w postaci samochodu Bugatti Veyron (rys. 8) czy wprowadzenie w samochodzie Audi A8 W12 ceramicznych tarcz hamulcowych z twardego SiC wzmacnianego wknami wglowymi, co nie tylko zredukowao o 5 kg mas przypadajc na koo, ale take zwikszyo 4-krotnie ich trwao w porwnaniu z tarczami z eliwa szarego, i podwyszyo moc hamowania [10]. Optymalizacja masy odgrywa rwnie coraz wiksz rol w budowie maszyn. Z zastosowaniem CFRP mona m.in. podwyszy dynamik obrabiarek i urzdze manipulujcych poprzez zredukowanie masy poddawanych przyspieszeniu sa czy wrzecion. Przy tej okazji warto wspomnie, e due moliwoci zmniejszenia masy i polepszenia waciwoci tumicych oferuj pianki metalowe (np. na bazie aluminium), stosowane zwaszcza w pytach typu sandwicz lub jako materia do wypeniania korpusw. W Fraunhofer-Institut fur Fertigungstechnik und Ange

Jeli chodzi o wykorzystywanie kompozytw wknistych w przemyle motoryzacyjnym, to od momentu gdy w latach siedemdziesitych ceny ropy naftowej osigny, na wczesne czasy, wysoki poziom, nastpi istotny wzrost zastosowania tworzyw sztucznych w transporcie, ktry sukcesywnie si zwiksza. Przykadowo w USA zastosowanie polimerw w transporcie wzroso z 7,5% w 2000 r. do 8,3% w 2004 r., a w Europie udzia ten osign nawet poziom 10% w niektrych samochodach. Redukcja masy samochodu o 10% powoduje zmniejszenie zuycia paliwa o ok. 5 7% [6]. W samochodzie Porsche Carrera GT F (rys. 7) zastosowano np. kompozyt CFRP z osnow z ywicy epoksydowej do konstrukcji skorupowej podwozia. Po raz pierwszy w samochodzie seryjnym wykonano z kompozytu ram zarwno silnika, jak i przekadni, ktra cznie z przedziaem dla kierowcy i pasaera tworzy gwny trzon konstrukcji pojazdu. Dziki sztywnoci kompozytu poprawiono sztywno pojazdu, co polepszyo waciwoci trakcyjne i poprawio dynamik jazdy, a jednoczenie obniono mas ramy o ok. 40% w porwnaniu z konstrukcj stalow. Aby jednak zrealizowa to przedsiwzicie konstrukcyjne, projektanci musieli uwzgldni, e rama wraz z oson silnika jest poddawana dziaaniu temperatury dochodzcej do 180 C, jak te oleju, kurzu, wilgoci i soli przecitnie przez 20 lat. Musieli rwnie

Rys. 8. Samochd Bugatti Veyron z duym udziaem kompozytw CFRP (firma Corbo Tech Composites)

Rys. 7. Samochd Porsche Carrera GT F z ram podwozia wykonan z CFRP z osnow z ywicy epoksydowej

wandte Materialforschung (IFAM) w Bremie opracowano struktury kompozytowe wytwarzane za pomoc platerowania przez nawalcowywanie, zoone z dwch zewntrznych blach metalowych (np. stalowych lub aluminiowych) i wewntrznej warstwy spienianego aluminium (rys. 9), ktre mog by doprowadzane do wymaganego ksztatu np. przez formowanie wgbne lub inny sposb przerbki plastycznej. Intensywny rozwj zastosowa materiaw kompozytowych oraz problemy zwizane z ich wytwarzaniem i ksztatowaniem ubytkowym skoniy 54 amerykaskie przedsibiorstwa, ktre wspierane przez fundusze rzdowe zajmoway si maszynami i obrbk kompozytw i pakietw materiaowych, do poczenia wysikw w celu badania zaawansowanych procesw wytwrczych. Tak powstao w 2002 r. National Center for Defense Manufacturing & Machining w Latrobe (PA, USA). Rwnie w Europie utworzono w 2004 r. Stowarzyszenie CFK-Valley Stade e. V. (Stade, Niemcy), ktre obecnie zrzesza ponad 70 renomowanych przedsibiorstw i jednostek badawczych zwizanych profilem wytwrczo-badawczym z problematyk kompozytw wzmacnianych wknami wglowymi CFK (CarbonFaserverstarkte Kunststoffe). Wprawdzie gwnym odbiorc innowacyj-

586

MECHANIK NR 7/2008

Rys. 9. Du lekko i waciwoci tumice oferuj pianki aluminiowe w ksztacie pyt (a) lub jako materia wypeniajcy dla wydronych bry sucych jako korpusy maszyn lub cylindry (b)

nych rozwiza z zakresu konstrukcji lekkich jest lotniczy koncern Airbus, to celem CFK-Valley jest opracowanie kompletnych acuchw procesowych, poczwszy od koncepcji konstrukcji z CFK poprzez ich wytwarzanie i obrbk ubytkow, a do recyklingu. Od 2011 r. powinno dziaa w ramach CFK-Valley centrum recyklingu dla CFK z terenu caej Europy. Obrbka ubytkowa kompozytw wknistych Rosnce zastosowanie materiaw kompozytowych w tym gwnie kompozytw wknistych i specyfika ich budowy powoduj potrzeb opracowania racjonalnych sposobw ich ksztatowania ubytkowego. Kompozyty charakteryzuj si niejednorodn struktur, anizotropi i wzmacnianiem materiaami o waciwociach ciernych, co powoduje, e ich obrbka ubytkowa jest zwizana z licznymi trudnociami. Przykadowo podczas obrbki (a zwaszcza wiercenia) kompozytw z osnow polimerow wystpuj takie problemy, jak: przerwanie wkna, pknicie osnowy, utrata spjnoci wkno/osnowa, wyciganie wkna, pylenie, degradacja termiczna polimeru, wykruszanie si czy delaminacja (rozwarstwianie). Materiaami wzmacniajcymi s m.in. szko, grafit, bor, korund czy wglik krzemu, ktre odznaczaj si wysok twardoci, a tym samym intensywnie oddziauj na zuycie cierne narzdzi. Ponadto waciwoci osnowy, wzajemne udziay objtociowe osnowy i wkien wzmacniajcych, a nade wszystko wielko, splot, rozmieszczenie i orientacja wkien wzgldem kierunku skrawania maj istotny wpyw na dobr geometrii narzdzia oraz przebieg i rezultaty procesu obrbkowego. Wkna wglowe i szklane pod wpywem napre zginajcych ulegaj kruchemu pkaniu, natomiast w przypadku wkien aramidowych, pod wpywem odksztacaj-

cego zginania, wystpuje pkanie cinajce i rozrywanie pod dziaaniem obcie rozcigajcych. O ile wkna szklane i wglowe powoduj jak ju wspomniano zuycie cierne narzdzi, to wkna aramidowe mog wywoywa zuycie adhezyjne, ze wzgldu na nisk przewodno ciepln i skonno do osadzania si na powierzchni narzdzia narostu w postaci zwglonej lub stopionej osnowy polimerowej. W pracy [1] przedstawiono stan wiedzy do 2002 r. dotyczcy obrbki skrawaniem kompozytw wknistych z osnow polimerow i metalow za pomoc toczenia, wiercenia i frezowania. W niniejszym artykule zostay ujte niektre spostrzeenia wynikajce z nowszych bada procesw wiercenia i frezowania kompozytw wknistych z osnow polimerow, jak te zestaww (pakietw) zoonych z lekkich materiaw konstrukcyjnych, tj. aluminium, tytanu i CFRP. Delaminacja. Przed prezentacj wybranych wynikw bada i zastosowanych w praktyce rozwiza naley zwrci uwag na zjawisko delaminacji jako jeden z najpowaniejszych i najczciej wystpujcych defektw podczas skrawania kompozytw wknistych. Objawia si ona gwnie podczas wychodzenia narzdzia z materiau, powodujc, e spodnie warstwy kompozytu mog by oddzielone od ksztatowanego materiau w obszarze otaczajcym obrabiany otwr. W pewnym momencie procesu obrbkowego obcienie pochodzce od narzdzia skrawajcego przekracza warto wizania midzylaminarnego i dochodzi do delaminacji. Delaminacja moe powodowa zredukowanie nonoci i negatywnie wpywa na trwao kompozytu poprzez zmniejszanie integralnoci struktury, objawiajce si dugoterminowym pogarszaniem jego charakterystyki. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem wykonywania otworw w kompozytach wknistych jest wiercenie wiertami krtymi (rys. 10a), ktre powinny mie mae ciny, w celu zmniejszenia wystpujcych si odporowych [11]. W przypadku stosowania wierte krtych po regeneracji, ewentualna mimorodowo e ich zaostrzenia (rys. 10a1) moe pogarsza jako operacji obrbkowych. Dla mimorodowych wierte krtych progowa warto siy odporowej Fke, ktra powoduje pojawienie si delaminacji, maleje wraz ze wzrostem wskanika delaminacji (eccentric ratio) = e/a. Z kolei stosunek progowych wartoci si odporowych Fke/Fk diametralnie wzrasta wraz ze spadkiem wartoci . Negatywne oddziaywanie mimorodowoci wierte krtych wyraa si wic w obnieniu progowej wartoci siy odporowej. Aby przeciwdziaa delaminacji, mona zmniejszy warto posuwu osiowego, co jednak wpywa niekorzystnie na uzyskiwan wydajno procesu obrbkowego. Dowiadczenia przeprowadzone z wiertami pikowymi (rys. 10b) oraz wiertami rdzeniowymi (rys. 10c) pozwoliy na stwierdzenie [12, 13], e powoduj one mniejsz delaminacj ni wierta krte, dziki rozmieszczeniu si odporowych blisko obrzea otworu. Delaminacja moe zosta efektywnie zminimalizowana lub wyeliminowana poprzez zredukowanie prdkoci posuwu osiowego w pobliu wyjcia otworu lub zastosowanie pyt podpierajcych (block-up plates), co przeciwdziaa odksztacaniu warstwy kompozytu przy wyjciu narzdzia (rys. 10b1). Delaminacja o promieniu mniejszym od promienia wierta (a < c) nie stanowi problemu, natomiast gdy siga poza rednic wierta (a > c), to wierto pikowe stosowane z pyt podpierajc moe by poddane wikszej sile odporowej ni wierto pracujce bez pyty. Przy stosunku c/a 1 warto stosunku progowych si odporowych przy wierceniu z i bez podpory wzrasta w obu przypadkach.

588

MECHANIK NR 7/2008

Rys. 10. Oddziaywanie si odporowych na delaminacj kompozytu podczas wiercenia: a) wiertem krtym, b) wiertem pikowym, c) wiertem rdzeniowym; Fk sia odporowa podczas wiercenia wiertem krtym, X kierunek posuwu, e mimorodowo cina wierta krtego, Fke sia odporowa przy mimorodowoci cina, Fpr sia reakcji podpory, c promie wierta, a promie delaminacji, h nieskrawana grubo przedmiotu

narzdzia w materia. W porwnaniu z wierceniem konwencjonalnym wykazuje ono wiele zalet: brak nieruchomego wierzchoka ostrza oraz zredukowanie siy osiowej i ryzyka delaminacji w kompozytach, mniejsza od rednicy otworu rednica wierta umoliwiajca efektywniejsze odprowadzanie wirw i ciepa, regulowane pooenie mimorodowe narzdzia wzgldem otworu, nie wystpuje zjawisko zdryfowania narzdzia, np. pod wpywem niejednorodnoci materiau, a tym samym utraty dokadnoci ksztatu otworu. Rnica midzy wierceniem orbitalnym a frezowaniem cyrkularnym polega na tym, e wiercenie orbitalne jest realizowane w sposb mechaniczny za pomoc wrzecion TwinSpin i nie wymaga sterowania wykorzystujcego interpolacj cyrkularn, co przyspiesza proces i zwiksza jego dokadno, nawet w przypadku bardzo maych otworw. Jest to szczeglnie wane w zastosowaniach lotniczych, wymagajcych wykonywania duej liczby otworw (np. pod nity w kadubie samolotu rys. 11), gdy przenone narzdzia mechaniczne do wiercenia orbitalnego s efektywniejsze i wygodniejsze w eksploatacji. Z kolei porwnanie konwencjonalnego wiercenia i frezowania cyrkularnego kompozytu CFRP pozwolio na stwierdzenie [15], e wykonywane wierceniem otwory wykazuj nieco lepsz dokadno ksztatu i wymiarw. Podczas frezowania cyrkularnego mona jednak w celu zachowania wymiarw dokonywa korekcji toru spiralnego. Jako obrbki obserwowana po stronie wylotowej otworu pozwala stwierdzi zalety frezowania cyrkularnego wynikajce z mniejszej siy osiowej i korzystniejszych temperatur procesu. Dlatego w przypadku procesw o wysokich wymaganiach jakociowych po stronie wylotowej, przy czsto zmieniajcych si rednicach otworw i przedmiotw wraliwych na wysokie temperatury, preferuje si frezowanie cyrkularne. Wszystkie inne wymagania lepiej spenia wiercenie.

Jeli warto c/a 0, to stosunek progowych si odporowych podczas wiercenia z podpor jest wysoki, w przeciwiestwie do wiercenia bez podpory, w ktrym wynosi on praktycznie zero, tzn. na pewno wystpi zjawisko delaminacji. Obrbka kompozytw wknistych z osnow polimerow. Do wykonywania otworw w CFRP i GFRP znajduj zastosowanie takie sposoby obrbki, jak: wiercenie, frezowanie cyrkularne i wiercenie orbitalne. Konwencjonalne wiercenie zapewnia relatywnie proste manipulowanie i szybkie prowadzenie procesu, ale jednoczenie towarzysz mu wysokie temperatury czy uszkodzenia materiau w trakcie wychodzenia z niego narzdzia. Frezowanie cyrkularne, z obiegowym, a zarazem rubowym ruchem posuwowym wprawionego w ruch obrotowy freza, cechuj niewielkie temperatury skrawania, mniejsze obcienie osiowe przedmiotu lub niezalene od narzdzia rednice otworu. Sposb ten wymaga jednak w odniesieniu do obrabiarki podwyszonego nakadu zwizanego z opracowaniem programu sterowania procesem, jak te wysokich prdkoci obrotowych wrzeciona i posuww obiegowych, aby sprosta ekonomicznoci wytwarzania. Wprowadzone od niedawna wiercenie orbitalne [5, 9, 14] to alternatywny proces obrbkowy opatentowany przez firm Novator, rnicy si od frezowania cyrkularnego i wiercenia konwencjonalnego. Wiercenie orbitalne to usuwanie materiau obrabianego w kierunku osiowym i promieniowym podczas ruchu obrotowego wierta dookoa wasnej osi i osi otworu w trakcie zagbiania si

Rys. 11. Wiercenie orbitalne otworw pod nity w kadubie samolotu Airbus A380 wykonanego z kompozytu GLARE; u dou narzdzie do wiercenia orbitalnego [5]

Do skrawania gwnie stosuje si zarwno wierta, jak i frezy z polikrystalicznym diamentem (PKD) jako materiaem ostrzy lub cienk (wzgldnie grub) powok diamentow nanoszon metod CVD (Chemical Vapour Deposition) [15 21]. Podstawowa rnica tego rodzaju powoki w stosunku do PKD ley w niemal czystej warstwie diamentu, wytworzonej bez fazy wicej z kobaltu. Opracowana przez firm CemeCon metoda pozwala obecnie skutecznie nanosi CVD-powoki diamentowe na wgliki spiekane, zawierajce nawet do 12% kobaltu i z wikszym udziaem dodatkowych wglikw. Przy zastosowaniu wierte z naniesionym wariantem CVD-powoki diamentowej w postaci CC-Dia Fiberspeed uzyskano podczas wiercenia CFRP kilkakrotnie lepsze rezul-

590

MECHANIK NR 7/2008

taty obrbkowe zarwno w odniesieniu do wierte niepowlekanych, jak i z powokami AlTiN (rys. 12), bez defektw narzdzia i powoki [17]. Dotyczy to rwnie wiercenia zestaww materiaowych CFRP Al. Efekt ten osiga si w nastpstwie zoptymalizowania przyczepnoci powoki do wglikw spiekanych i tym samym znacznie zredukowanego zuycia obwodowego wierta.

Rys. 12. Porwnanie trwaoci narzdzi z powok konwencjonaln AlTiN i powok diamentow CC-Dia Fiberspeed firmy CemeCon w procesie wiercenia kompozytu CFRP [17]

Przykadowo w budowie transportera wojskowego Airbus A400M otwory pod nity, suce poczeniu wykonanych z CFRP podunic i pokrycia skrzyda (rys. 13), s obrabiane wiertami z naniesionymi wielowarstwowymi

Sandvik Coromant, Kennametal, Mapal i wiele innych przedsibiorstw podejmuje wysiki, aby optymalizowa materia i geometri narzdzi pod ktem efektywnego ksztatowania kompozytw. Przykadowo, firma Mapal opracowaa do obrbki pek dwigarw do usterzenia pionowego samolotu PKD-frezy typoszeregu HP-FaceMill i HP-EndMill. Te monolitycznie skonstruowane narzdzia z trwaymi ostrzami z PKD umoliwiaj, wskutek duej liczby ostrzy, stosowanie wysokich wartoci posuww. Firma Kennametal zaproponowaa jako alternatyw dla wierte z PKD penowglikowe wierta SPF (rys. 15), przeznaczone do obrbki CFRP na obrabiarkach CNC. Gadka powoka diamentowa tych wierte nie zawiera w przeciwiestwie do PKD adnych metalowych faz wicych. Powoduje to podwyszenie odpornoci na zuycie i mniejsz skonno do adhezji, jak te lepszy spyw wirw. Dostosowane do obrbki kompozytw wykonanie czci czoowej i cina zapewnia zwikszon zdolno do samocentrowania i redukcji siy osiowej, co zdaniem wytwrcy polepsza jako otworu i zdecydowanie redukuje delaminacj [20]. Opracowany przez firm Onsrud Cutter LP (Libertyville, USA) frez Tuff-Core wytwarza wedug producenta bezgratowe krawdzie w materiaach kompozytowych, co jest szczeglnie wane przy zastosowaniach lotniczych. Osobliw cech tych narzdzi jest oprcz optymalnej konfiguracji ostrzy zastosowanie dwch rRys. 13. Podczas wiercenia otworw pod nity czce dwa komponenty z CFRP, tj. podunice z pokryciem skrzyda samolotu Airbus A400M uzyskano korzystne efekty obrbkowe wiertami z wielowarstwow powok CC-Dia firmy CemeCon [17]

Rys. 14. Frez trzpieniowy o rednicy 10 mm z powok diamentow do obrbki kompozytw CFRP i GFRP o strukturze plastra miodu (firma Prototyp Werke)

powokami typoszeregu CC-Dia firmy CemeCon. Ze wzgldu na wyjtkow twardo tych powok (10 000 HV0,05) mona nimi uzyska dwukrotnie wiksz odporno na zuycie cierne ostrzy, wywoywane waciwociami CFRP. Ponadto diament jest odporny na wpywy chemiczne, co zapobiega adhezji materiau obrabianego. Stosowanie wierte niepowlekanych lub powlekanych metod PVD nie zapewniao wymaganej dokadnoci otworw w klasie tolerancji H8. W wyniku postpu w zakresie powok diamentowych zwikszya si efektywno narzdzi do obrbki materiaw kompozytowych. Na rys. 14 pokazano przykadowo frez trzpieniowy firmy Prototyp Werke o rednicy 10 mm z powok diamentow do obrbki kompozytw CFRP i GFRP o strukturze plastra miodu, wykorzystywanych na elementy konstrukcji lotniczych [18]. Liczne firmy narzdziowe maj w swoich programach produkcyjnych narzdzia do obrbki kompozytw.

Rys. 15. Penowglikowe wierta SPF firmy Kennametal z powok diamentow CVD do wykonywania otworw w materiaach kompozytowych [20]

nych materiaw podoowych z wglikw spiekanych (rys. 16). Wewntrzny rdze narzdzia skada si z cigliwego podoa z wikszym udziaem kobaltu i powinien wytrzymywa wystpujce siy i naprenia. Zewntrzn

MECHANIK NR 7/2008

591

Rys. 16. Dwupodoowy frez Tuff-Core firmy Onsrud Cutter LP do wykonywania bezgratowych krawdzi w materiaach kompozytowych [21]

wania z uyciem alkoholu tuszczowego (fetty alcohol), doprowadzanego poprzez wewntrzne kanay narzdzia, umoliwio uzyskanie jednakowej, wysokiej dokadnoci wzdu caego otworu. Minimalne smarowanie pozwolio wyeliminowa niemal cakowicie adhezj aluminium oraz powstawanie narostw na krawdziach skrawajcych i powierzchniach bocznych wierta.

warstw podoow z odpowiednim udziaem wglikw cechuje odporno na zuycie [21]. Poniewa wiercenie kompozytw jest procesem stochastycznym z powodu ich anizotropii i niejednorodnoci, poszukuje si alternatywnych sposobw wykonywania otworw w tych materiaach. Nale do nich: obrbka laserowa, obrbka wysokocinieniow strug wodno-ciern, wiercenie wibracyjne itp. [19, 22, 23]. Wiercenie wibracyjne rni si od konwencjonalnego wiercenia cigego tym, e jest pulsacyjnie przerywanym procesem skrawania. Stwierdzono [22], e sia odporowa w przypadku wiercenia wibracyjnego wknistych kompozytw polimerowych jest mniejsza ni podczas wiercenia konwencjonalnego, a ponadto wystpuje dobra korelacja midzy si a wspczynnikiem delaminacji, rozumianym jako stosunek maksymalnej rednicy obszaru uszkodzonego wok otworu do rednicy wierta. Z tego wzgldu, monitorujc si odporow, mona wpywa na ograniczenie defektw w procesie wiercenia kompozytw. Obrbka zestaww materiaw. W budowie samolotw znajduj coraz szersze zastosowanie zestawy (pakiety) zoone z lekkich i sztywnych materiaw konstrukcyjnych, jak przykadowo z CFRP, stopu aluminium i/lub stopu tytanu. Tego rodzaju elementy konstrukcyjne na og zawieraj otwory o rnym przeznaczeniu, w tym montaowe pod nity lub ruby. Obrbka zestawu materiaw z cakowicie rnymi waciwociami sprawia znaczne trudnoci zwaszcza wwczas, gdy przelotowe otwory s wsko tolerowane (np. w klasie H8) i musz odznacza si wysok jakoci powierzchni. Przeprowadzane badania obrbki otworw w zestawie CFRP aluminium wykazay [24], e podczas wiercenia dochodzi, wskutek niekorzystnych warunkw skrawania, do duego obcienia termicznego i mechanicznego ostrzy, a w konsekwencji podwyszonego zuycia narzdzia. Siy tarcia midzy wirami transportowanymi rowkami wierta i ciank otworu prowadz, wraz z rosnc jego gbokoci, do wikszych momentw i si skrawania. Ponadto wiry twardszego materiau mog powodowa uszkodzenia powierzchni materiau mikszego. Wykonanie otworu z jakoci H8 wymaga zastosowania kilku wierte o odpowiednio wikszych rednicach. Przez wprowadzenie frezowania cyrkularnego mona tych trudnoci unikn; narzdzie wnika w materia po torze spiralnym i wytwarza otwr w procesie przerywanym (rys. 17). Proces jest wyranie korzystniejszy ni wiercenie pod wzgldem elastycznoci i liczby wymaganych narzdzi. Kinematyka frezowania cyrkularnego zapewnia mniejsze obcienie termiczne narzdzia i przedmiotu, lepsze odprowadzanie krtszych wirw oraz bardzo pozytywnie wpywa na zuycie narzdzia. Waciwy dobr obrabiarki, narzdzia i procesu pozwala zatem na wytwarzanie w zestawach materiaw dokadnych otworw z wysok jakoci i przy zredukowanych kosztach. Inne badania wiercenia zestawu Al CFRP [25] pozwoliy na stwierdzenie, e zastosowanie wierta stopniowego (o rednicy mniejszej i rwnej kocowej rednicy otworu) i powoki TiB2, a zwaszcza minimalnego smaro-

Rys. 17. Najczciej stosowane sposoby obrbki otworw w zestawach materiaw CFRP-stop Al: a) wiercenie, b) frezowanie cyrkularne

Z kolei podczas wiercenia zestawu materiaw Al CFRP Ti wpyw transportu wirw wzdu rowkw wirowych oraz skonno tytanu do tworzenia wiza adhezyjnych stwarzaj wiele problemw. Wiry tytanu transportowane przez warstw CFRP (rys.18) powoduj wyobienia na powierzchni otworu, jak te delaminacj kompozytu i przekadki (shim), znajdujcej si midzy CFRP i Ti. Oprcz niekorzystnego oddziaywania wirw, rwnie rne waciwoci materiaw, w tym modu sprystoci, wpywaj na tolerancj rednicy otworu. Dodatkowo styk cierny tytanu z powierzchni natarcia i przyoenia doprowadza do szkodliwych obcie termicznych

Rys. 18. Problemy usuwania wirw podczas wiercenia stopu TiAl6V4 w zestawie materiaw stop Al-CFRP-stop Ti [25]

592

MECHANIK NR 7/2008

i mechanicznych na krawdziach skrawajcych, a tym samym znaczco wpywa na zuycie narzdzia. Rozgrzane i ostre wiry tytanu pogarszaj jako powierzchni otworu i mog prowadzi do komplikacji podczas montau. Najwikszy wpyw na zuycie narzdzi wykazuj parametry skrawania i geometria wierta [25]. Firma Sandvik Coromant zajmowaa si procesem wykonywania otworw w zestawach materiaowych stosowanych na takie elementy konstrukcyjne samolotu, jak kaduby, drzwi i dwigary. Spenienie warunku, by otwory nie wykazyway jakichkolwiek ladw delaminacji czy odcinitych ladw gwintu w warstwie CFRP, zrealizowano poprzez wielostopniowe wykonywanie otworw [9]: wiercenie warstwy metalowej standardowym wiertem, wiercenie rdzeniowe otworu o mniejszej rednicy w kompozycie w celu zminimalizowania delaminacji i gratw, rozwiercanie otworu w zestawie do kocowej rednicy z uyciem rozwiertaka z powok diamentow. Konieczno wykonania stokowego sfazowania otworu wymaga zastosowania dodatkowego narzdzia. Firma Kennametal, wsplnie ze szwedzk firm Novator AG (Spanga), opracowaa nastpujcy proces wykonywania otworw w zestawach materiaowych (rys. 19): wiercenie otworu o mniejszej rednicy, wiercenie orbitalne wiertem z PKD w celu poszerzenia rednicy otworu bez delaminacji, ewentualne wykonanie stokowego sfazowania otworu.a)

Jeli w przyszoci koszty paliwa ulegn obnieniu, ropa naftowa i tak nie przestanie by towarem deficytowym, jej zamienniki za (biopaliwa, olej wglowy czy syntetyczne paliwa wodorowe) stan si (bez subwencji) bardziej kosztowne. Jak wskazuj dugofalowe prognozy, koszty paliwa bd utrzymywa si nadal na wysokim poziomie, a nacisk ze strony organizacji ekologicznych i rzdw na zmniejszenie emisji CO2 przez transport bdzie wzrasta. W tej sytuacji redukcja masy pojazdw bdzie cigle w centrum uwagi ich producentw, a kompozyty i inne lekkie materiay konstrukcyjne bd odgryway coraz wiksz rol [6, 26].LITERATURA 1. R. TETI: Machining of composite materials. Ann. CIRP, 51(2002)2, 611 634. 2. A. LUCK: Ho chste Stabilitat durch Langfaserverstarkung. Lange Fasern kurze Zeiten. Industrie-Anzeiger, 129(2007)17, 34 35. 3. O. STAUSS: Kohlenstofffaserverstarkte Kunststoffe (CFK). Un schlagbar leicht und stabil. Industrie-Anzeiger, 128(2006)10, 38 40. 4. Nowe konstrukcje aluminiowe bd konkurowa z kompozytowymi tworzywami sztucznymi. Design News Polska, nr 2, 2008, 11 12. 5. E. ABELE, M. KREIS, M. WEIGOLD: Trendbericht: Stand der Zerspanungstechnik im Leichtbau. Mit Leichtigkeit zu ho herer Leistung. Werkstatt u. Betrieb, 140(2007)7/8, 66 72. 6. D. BIRKETT: Polymers on the move. Educ. Chem., 44(2007)11. 7. B. KUTTKAT: Leichtgewichte sind gefragt. Maschinenmarkt, 113(2007)29, S102 S107. 8. Pionierarbeit bei neuen Materialen. mav, Nr. 8, 2007, 60. 9. M. TOLISKI: Composites challenge cutting tools. Manuf. Engineering, 138(2007)4, AT1 AT5. 10. B. KUTTKAT: Lightweights are in demand. Maschinenmarkt, 113(2007) Special Issue EMO 2007, S70 S72. 11. 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) 125 130. 12. 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, 1261 1270. 13. 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, 1403 1416. 14. P. WAURZYNIAK: Holemaking with precision. Manuf. Engineering, 129(2002)5, 51 59. 15. J. HEISE, S. ROGALLA: Bohren und Zirkularfrasen von CFK. VDI-Z Special Werkzeuge, Marz 2008, 59 62. 16. www.cemecon.de 17. M. WEIGAND: Diamandbeschichtete Werkzeuge erho len die Standzeit. Maschinenmarkt, 113(2007)41, 42 43. 18. J. GIESSLER: Hochleistungsfra sen von Aluminium-Knetlegierungen und Faserverbundwerkstoffen. Hoch hinaus mit Hochleistungsfra sern. Werkstatt u. Betrieb, 139(2006)10, 57 59. 19. M. TOLISKI: Cleaner holes for composites, Manuf. Engineering, 140(2008)4, CT9 CT13. 20. CFK bohren ohne Gratbildung. Industrie-Anzeiger, 129(2007)44, 34. 21. Tool erzeugt gratfreie Schnittkanten bei Composite-Materialen. Industrie-Anzeiger, 130(2008)14, 52. 22. S. ARUL et al.: The effect of vibratory drilling on hole quality in polymeric composites. Int. J. of Mach. Tools a. Manuf., 46(2006), 252 259. 23. K. T. VOISEY et al.: Fibre swelling during laser drilling of carbon fibre composites. Optics and Lasers in Engineering, 44(2006), 1185 1197. 24. M. GROPPE, B. URBAN: Zirkularfra sen bei der Bohrungsbearbeitung von CFK/Aluminium-Verbundmaterial. IDR, 36(2002)3, 196 201. 25. 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, 87 90. 26. B. MOREY: Automating composites fabrication. Manuf. Engineering. 140(2008)4, CT1 CT6.

b)

Rys. 19. Narzdzia do wiercenia orbitalnego firmy Kennametal (a) i wykonane wierceniem orbitalnym firmy Novator otwory w zestawach kompozyt-metal bez delaminacji (b)

Producenci samolotw zainteresowani redukcj si skrawania i uzyskiwaniem lepiej wykoczonych powierzchni mog dziki wierceniu orbitalnemu zaoszczdzi ok. 50% czasu przeznaczonego na monta [9].