Paweł KAROLCZAK, Maciej KOWALSKI
Politechnika Wrocławska

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
E-mail: [e-mail]

MOśLIWOŚCI KSZTAŁTOWANIA TOCZENIEM METALOWYCH
MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH O ZWIĘKSZONEJ
ZAWARTOŚCI WZMOCNIENIA

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

obróbki ubytkowej aluminiowych materiałów kompozytowych wzmacnianych
ceramicznie. Materiałem badanym był kompozyt o objętościowej zawartości
wzmocnienia 20% oraz porównawczo sama osnowa i kompozyt o zawartości
wzmocnienia 10%. W artykule zaprezentowano wpływ parametrów skrawania
oraz rodzaju narzędzi skrawających na chropowatość powierzchni po toczeniu
badanego materiału. Oceniono wpływ objętościowej zawartości wzmocnienia na efekty
technologiczne po toczeniu badanych kompozytów.

THE POSSIBILITY OF TURNING METAL MATRIX COMPOSITES
WITH INCREASED CONTENT OF REINFORCEMENT

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

cutting aluminum matrix composites reinforced with ceramic. Tested material was
composite about volumetric content reinforcement 20% as well as comparatively matrix
and composite about volumetric content reinforcement 10%. The influence of cutting
parameters and kind of tools on surface roughness after turning of studied material was
presented in this article. The influence of volumetric content of reinforcement on
technological effects after turning of tested composites was also estimated.

Możliwości kształtowania toczeniem ...

151

1.WSTĘP

Rozwój techniki uwarunkowany jest, w dużej mierze, zaawansowaniem inżynierii

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

domagając się coraz to nowszych materiałów konstrukcyjnych. Jedną z najintensywniej

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

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

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

osnowy i wzmocnienia. Dzięki temu charakteryzuje się zazwyczaj dobrymi właściwościami

wytrzymałościowymi, przy jednoczesnym niewielkim ciężarze właściwym. Innymi

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

korozję.

Stosowane

są one głównie w przemysłach: lotniczym, kosmicznym,

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

Pierwszymi kompozytami zastosowanymi w warunkach przemysłowych były te na bazie

stopów aluminium. Są one wciąż chętnie wykorzystywane w przemyśle. Prowadzone są także

badania nad ich nowymi coraz lepszymi rodzajami.

2.SKRAWALNOŚĆ ALUMINIOWYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH

Opracowanie technologii wytwarzania materiału kompozytowego jest dopiero pierwszym

etapem jego wdrożenia w warunkach przemysłowych. Kolejnym jest opracowanie technologii

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

Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej w ostatnich latach

przeprowadzono

próby

skrawalności

aluminiowych

materiałów

kompozytowych

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

ż

e kompozyty te

charakteryzują się lepszą skrawalnością, opisywaną przez jakość

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

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

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

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

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

Różnice, w otrzymanych efektach technologicznych, po toczeniu różnymi materiałami

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

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

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

się w osnowie kompozytu włókna saffilowe. Związane jest to z wykruszaniem

152

P. Karolczak, M. Kowalski

się ich z obrabianej powierzchni. Ponieważ wymiary włókien są większe niż ziaren ściernych

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

w obróbce ściernej kompozytów aluminiowych wzmacnianych ceramicznie, powoduje

konieczność skoncentrowania się na opracowaniu technologii kształtowania tych materiałów

obróbką skrawaniem.

3.CEL ORAZ METODYKA BADAŃ

Celem przeprowadzonych badań było określenie możliwości skrawania aluminiowych

materiałów kompozytowych o zwiększonej zawartości wzmocnienia oraz określenie wpływu

objętościowej zawartości wzmocnienia na uzyskiwane chropowatości powierzchni

po obróbce ubytkowej tych materiałów. Podstawowym materiałem badanym był kompozyt

na osnowie odlewniczego stopu aluminium AlSi9Mg wzmocniony włóknem ceramicznym

typu saffil. W skład wzmacniających włókien wchodziły tlenek glinu Al

2

O

3

(96-97%) oraz

tlenek krzemu SiO

2

(3-4%). Objętościowa zawartość wzmocnienia wynosiła 20%.

W badaniach porównawczych wykorzystano również kompozyt o tym samym składzie,

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

wzmocnienia zmieniał właściwości materiału w porównaniu z osnową. Przeprowadzone

pomiary twardości badanych materiałów metodą Brinella przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1

Wyniki pomiarów twardości badanych materiałów

Badany materiał

Ś

rednia twardość Brinella

Stop aluminium (osnowa)

75 HB

Kompozyt o zawartości

wzmocnienia 10%

91 HB

Kompozyt o zawartości

wzmocnienia 20%

107 HB

Badane materiały obrabiano toczeniem na tokarce numerycznej TUR 560MN.

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

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

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

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

Zastosowano parametry skrawania, zarówno charakterystyczne dla obróbki zgrubnej jak

i wykończeniowej tj. v

c

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

skrawania

wynosiła

a

p

=

0,5

mm.

Pomiary

chropowatości

przeprowadzono

profilografometrem FORM TALYSURF 120L firmy TAYLOR HOBSON. Wykonano

Możliwości kształtowania toczeniem ...

153

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

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

parametry: Ra, Rt i Rz(JIS).

4.WYNIKI BADAŃ

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

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

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

spiekanego. Analizując otrzymane wykresy można zauważyć, że wpływ prędkości skrawania

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

dotyczących

skrawania

kompozytów

o

mniejszej

zawartości

wzmocnienia

[3].

Przy zastosowaniu mniejszych wartości posuwu zauważono nieznacznie większe wartości

parametru Ra dla najmniejszej wartości prędkości skrawania (v

c

= 150m/min). Może to być

spowodowane wpływem tworzącego się narostu. Można założyć, że przy prędkościach

skrawania

v

c

<150

m/min

chropowatość

będzie

znacznie

większa,

co

wynika

z intensywniejszego tworzenia się narostu i bocznego płynięcia materiału. Zaobserwowany

wpływ wartości posuwu na chropowatość powierzchni po toczeniu badanego materiału

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

powierzchni (rys. 1b).

a)

b)

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

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

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

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

Na rysunku 2 przedstawiono wpływ parametrów skrawania na chropowatość powierzchni

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

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

154

P. Karolczak, M. Kowalski

prędkości skrawania jest niezauważalny. Niewielkie zwiększenie wartości parametru Ra,

przy największej zastosowanej prędkości skrawania v

c

=900 m/min, mogło być spowodowane

zmniejszeniem stabilności pracy obrabiarki przy dużych obrotach wrzeciona i powstawaniem

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

jest niewątpliwie pozytywnym wpływem powłoki diamentowej na ostrzu na mechanizm

oddzielania materiału obrabianego. Zastosowanie powłoki na płytce skrawającej ogranicza

powstawanie narostu wpływając korzystnie na jakość powierzchni otrzymywanej

po skrawaniu.

a)

b)

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

o zawartości wzmocnienia 20% płytką powlekaną diamentem; a) wpływ prędkości
skrawania, b) wpływ posuwu

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

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

Bardzo ciekawe wyniki otrzymano porównując jakość powierzchni po toczeniu

kompozytu o objętościowej zawartości wzmocnienia 20% różnymi narzędziami skrawającymi

(rys. 3). Analizując wyniki badań można zauważyć, że zastosowanie powłoki diamentowej na

podłożu węglikowym (ostrze 1810) powoduje poprawienie chropowatości powierzchni

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

parametrów skrawania. Szczególnie wyraźne różnice zaobserwowano przy dużych

prędkościach, co może być spowodowane przeciwzużyciowym działaniem powłoki. Warto

zauważyć, że wyniki te są zdecydowanie odmienne od tych uzyskanych podczas toczenia

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

twardości materiału obrabianego. Ponadto kompozyt o dwudziestoprocentowej zawartości

włókien saffilowych działa dużo bardziej ściernie na ostrze niż materiały o ich mniejszej

zawartości. Dlatego też można stwierdzić, że podczas toczenia kompozytów o zwiększonej

zawartości wzmocnienia nie mają zastosowania zalecenia dotyczące obróbki materiałów

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

ś

cierne działanie włókien wzmacniających kompozyt niż plastyczność materiału powodująca

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

Możliwości kształtowania toczeniem ...

155

wzmocnienia 20% należy stosować narzędzia o zwiększonej trwałości. Potwierdziły

to wyniki badań, które wykazały, że najlepszą chropowatość powierzchni otrzymano

po toczeniu płytką z polikrystalicznym diamentem (ostrze CD10). Jest to materiał

narzędziowy o największej, z badanych narzędzi, odporności na zużycie ścierne. Warto

jednak zauważyć, że ostrza te są zdecydowanie najdroższe. Dlatego też dobierając narzędzia

do obróbki tego typu kompozytów należałoby przeprowadzić również próby zużyciowe,

dzięki którym można byłoby określić czy zwiększenie trwałości ostrza rekompensuje

znacznie wyższe koszty narzędziowe.

a)

b)

c)

d)

Rys.3. Wpływ rodzaju zastosowanego narzędzia na chropowatość powierzchni po toczeniu

kompozytu o zawartości wzmocnienia 20%; a) v

c

=150 m/min, f=0,27mm/obr; b) v

c

=900

m/min, f=0,27mm/obr; c) v

c

=150 m/min, f=0,08 mm/obr; d) v

c

=900 m/min, f= 0,08 mm/obr

Fig. 3. The influence of cutting tools on surface roughness after turning composite with 20% content

of reinforcement; a) v

c

=150 m/min, f=0,27mm/obr; b) v

c

=900 m/min, f=0,27mm/obr,

c) v

c

=150 m/min, f=0,08 mm/obr; d) v

c

=900 m/min, f= 0,08 mm/obr

Ostatnim etapem badań było określenie wpływu objętościowej zawartości wzmocnienia

w kompozycie na chropowatość powierzchni po toczeniu (rys. 4). W przypadku małych

prędkości skrawania wraz ze zwiększeniem ilości wzmocnienia zmniejszają się wartości

parametrów chropowatości. Spowodowane jest to poprawieniem się warunków

konstytuowania warstwy wierzchniej poprzez zmniejszenie bocznego płynięcia materiału

i intensywności tworzenia się narostu, co związane jest z coraz mniejszą plastycznością

materiału. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania niekorzystny wpływ narostu i bocznego

płynięcia materiału podczas obróbki materiałów plastycznych zanika. W związku z tym

156

P. Karolczak, M. Kowalski

dla prędkości v

c

=900 m/min wpływ objętościowej zawartości wzmocnienia w kompozycie

na chropowatość powierzchni po toczeniu jest mniejszy. Należy także zauważyć, że najmniej

wrażliwym,

na

zmianę

zawartości

wzmocnienia,

materiałem

narzędziowym

jest polikrystaliczny diament.

a)

b)

c)

d)

Rys. 4.Wpływ procentowej zawartości wzmocnienia w kompozycie na chropowatość powierzchni

po toczeniu; a) v

c

=150 m/min, f=0,27mm/obr; b) v

c

=900 m/min, f=0,27mm/obr; c) v

c

=150

m/min, f=0,08 mm/obr; d) v

c

=900 m/min, f= 0,08 mm/obr

Fig. 4. The influence of volumetric content of reinforcement in composite on surface roughness after

turning; a) v

c

=150 m/min, f=0,27mm/obr; b) v

c

=900 m/min, f=0,27mm/obr; c) v

c

=150 m/min,

f=0,08 mm/obr; d) v

c

=900 m/min, f= 0,08 mm/obr

5. PODSUMOWANIE

Zaprezentowane w artykule wyniki badań pokazują, że przy odpowiednim doborze

warunków obróbki, efektywne wytwarzanie części maszyn z materiałów kompozytowych

na bazie stopów aluminium wzmacnianych ceramicznie, jest możliwe. Zwiększona do 20%

zawartość wzmocnienia nie powoduje pogorszenia warunków konstytuowania warstwy

wierzchniej, a w niektórych przypadkach je poprawia. Wpływ parametrów skrawania na

jakość powierzchni po toczeniu kompozytu 20% zgodny jest, w dużej mierze, z wynikami

otrzymanymi po obróbce niewzmacnianych stopów aluminium. W pracy przedstawiono

również bardzo ciekawe wyniki badań porównujących chropowatość powierzchni kompozytu

Możliwości kształtowania toczeniem ...

157

po toczeniu różnymi narzędziami skrawającymi. Wynika z nich, że najlepszą powierzchnię

uzyskuje się po zastosowaniu płytek skrawających z polikrystalicznego diamentu. Możliwe

jest otrzymanie powierzchni, o chropowatości wyrażonej parametrem Ra, nawet poniżej

0,5µm. Bardzo dobre efekty otrzymano także po obróbce narzędziem węglikowym z powłoką

diamentową. Zastosowanie tego typu narzędzi jest niewątpliwie uzasadnione, nawet pomimo

ich wysokich cen, ponieważ są one dużo bardziej odporne na ścierne działanie wzmocnienia

ceramicznego, przez co zwiększa się ich żywotność. Można założyć, że im większa byłaby

zawartość wzmocnienia, tym korzyści z ich zastosowania byłyby większe.

BIBLIOGRAFIA

1. Bałamucki J., Cichosz P., Karolczak P., Struktura geometryczna powierzchni po toczeniu

kompozytu na osnowie stopu aluminium wzmocnionego włóknem typu saffil.: Obróbka
skrawaniem. Wysoka produktywność (pod red. Piotra Cichosza), Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007. s. 296-303.

2. Boczkowska A., Kapuściński J., Perłowski P., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.

3. Cichosz P., Karolczak P., Możliwości kształtowania toczeniem topografii powierzchni

aluminiowych materiałów kompozytowych.: Obróbka skrawaniem. innowacje / pod red.
Jerzego Stósa. Kraków: Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, 2008. s. 304-
311.

4. Karolczak P., Kowalski M., Moznosti tvarovani povrchu hlinikovych kompozitnich

materialu obrabenim brousenim.: Technologické Inžinierstvo. 2008, Roc. 5, cis. 1, s. 21-
23.

5. Miracle D. B., Metal matrix composites from science to technological significance,

Composites Science and Technology 65(2005) s. 2526-2540.

6. Teti R., Machining of composites materials, Annals of the CIRP vol. 51/2/2002.