Paweł KAROLCZAK, Maciej KOWALSKI  
Politechnika Wrocławska

 

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 
E-mail: pawel.karolczak@pwr.wroc.pl 

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. 

 

 

MoŜliwości kształtowania toczeniem ... 

 

151 

 

 

1.WSTĘP 

Rozwój  techniki  uwarunkowany  jest,  w  duŜej  mierze,  zaawansowaniem  inŜynierii 

materiałowej.  Ponadto,  wiele  dziedzin  przemysłu  wywiera  nacisk  na  inŜynierię  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  kaŜdym 

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  cięŜarze  właściwym.  Innymi 

właściwościami kompozytów mogą być: duŜa 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 wciąŜ chętnie wykorzystywane w przemyśle. Prowadzone są takŜe 

badania nad ich nowymi coraz lepszymi rodzajami. 

2.SKRAWALNOŚĆ ALUMINIOWYCH MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH 

Opracowanie technologii wytwarzania materiału kompozytowego jest dopiero pierwszym 

etapem jego wdroŜenia 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, 

Ŝ

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  róŜnicy 

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

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

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

RóŜnice,  w  otrzymanych  efektach  technologicznych,  po  toczeniu  róŜnymi  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. PoniewaŜ wymiary włókien są większe niŜ ziaren ściernych 

stosowanych w narzędziach ściernych - następuje rysowanie powierzchni [4]. DuŜa 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  moŜliwości  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  równieŜ  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  nóŜ  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,  poniewaŜ  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 

MoŜliwości 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 moŜna zauwaŜyć, Ŝe 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  zauwaŜono  nieznacznie  większe  wartości 

parametru  Ra  dla  najmniejszej  wartości  prędkości  skrawania  (v

c

  =  150m/min).  MoŜe  to  być 

spowodowane  wpływem  tworzącego  się  narostu.  MoŜna  załoŜyć,  Ŝe  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 równieŜ 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  niezauwaŜalny.  Niewielkie  zwiększenie  wartości  parametru  Ra, 

przy największej zastosowanej prędkości skrawania v

c

=900 m/min, mogło być spowodowane 

zmniejszeniem stabilności pracy obrabiarki przy duŜych 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% róŜnymi narzędziami skrawającymi 

(rys. 3). Analizując wyniki badań moŜna zauwaŜyć, Ŝe zastosowanie powłoki diamentowej na 

podłoŜu  węglikowym  (ostrze  1810)  powoduje  poprawienie  chropowatości  powierzchni 

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

parametrów  skrawania.  Szczególnie  wyraźne  róŜnice  zaobserwowano  przy  duŜych 

prędkościach,  co  moŜe  być  spowodowane  przeciwzuŜyciowym  działaniem  powłoki.  Warto 

zauwaŜyć,  Ŝe  wyniki  te  są  zdecydowanie  odmienne  od  tych  uzyskanych  podczas  toczenia 

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

twardości  materiału  obrabianego.  Ponadto  kompozyt  o  dwudziestoprocentowej  zawartości 

włókien  saffilowych  działa  duŜo  bardziej  ściernie  na  ostrze  niŜ  materiały  o  ich  mniejszej 

zawartości.  Dlatego  teŜ  moŜna  stwierdzić,  Ŝe  podczas  toczenia  kompozytów  o  zwiększonej 

zawartości  wzmocnienia  nie  mają  zastosowania  zalecenia  dotyczące  obróbki  materiałów 

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

ś

cierne działanie włókien wzmacniających kompozyt niŜ plastyczność materiału powodująca 

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

MoŜliwości kształtowania toczeniem ... 

 

155 

 

 

wzmocnienia  20%  naleŜy  stosować  narzędzia  o  zwiększonej  trwałości.  Potwierdziły 

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

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

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

jednak zauwaŜyć, Ŝe ostrza te są zdecydowanie najdroŜsze. Dlatego teŜ dobierając narzędzia 

do  obróbki  tego  typu  kompozytów  naleŜałoby  przeprowadzić  równieŜ  próby  zuŜyciowe, 

dzięki  którym  moŜna  byłoby  określić  czy  zwiększenie  trwałości  ostrza  rekompensuje 

znacznie wyŜsze 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. NaleŜy takŜe zauwaŜyć, Ŝe najmniej 

wraŜliwym, 

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,  Ŝe  przy  odpowiednim  doborze 

warunków  obróbki,  efektywne  wytwarzanie  części  maszyn  z  materiałów  kompozytowych 

na bazie  stopów  aluminium  wzmacnianych  ceramicznie,  jest  moŜliwe.  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  duŜej  mierze,  z  wynikami 

otrzymanymi  po  obróbce  niewzmacnianych  stopów  aluminium.  W  pracy  przedstawiono 

równieŜ bardzo ciekawe wyniki badań porównujących chropowatość powierzchni kompozytu 

MoŜliwości kształtowania toczeniem ... 

 

157 

 

 

po  toczeniu  róŜnymi  narzędziami  skrawającymi.  Wynika  z  nich,  Ŝe  najlepszą  powierzchnię 

uzyskuje  się  po  zastosowaniu  płytek  skrawających  z polikrystalicznego  diamentu.  MoŜliwe 

jest  otrzymanie  powierzchni,  o  chropowatości  wyraŜonej  parametrem  Ra,  nawet  poniŜej 

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

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

ich wysokich cen, poniewaŜ są one duŜo bardziej odporne na ścierne działanie wzmocnienia 

ceramicznego,  przez  co  zwiększa  się  ich  Ŝywotność.  MoŜna  załoŜyć,  Ŝe  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.,  MoŜliwości  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.