Wiertła do materiałów kompozytowych

© Seco Tools

Udostępnij:

 

W ostatnich dziesięcioleciach doszło do intensywnego rozwoju materiałów konstrukcyjnych i wzrostu ich wartości użytkowych. W bardzo dużym stopniu dotyczy to kompozytów, które cieszą się coraz większym zainteresowaniem inżynierów i konstruktorów. Obok wielu zalet, którymi charakteryzują się te tworzywa, pojawiają się też trudności w ich obróbce. Trwają więc poszukiwania najlepszych materiałów narzędziowych i geometrii narzędzi do obróbki kompozytów.

Materiały kompozytowe są coraz szerzej wykorzystywane w przemyśle ze względu na dobry stosunek wytrzymałości do masy i stabilne własności materiałowe w wymagających środowiskach. Mają jednak niejednorodną strukturę i są wzmacniane materiałami o wysokiej twardości, co powoduje, że ich obróbka ubytkowa wiąże się z licznymi trudnościami, jak przerwanie lub wyciąganie włókna, pęknięcie osnowy, utrata spójności, pylenie, degradacja termiczna polimeru, wykruszanie się czy delaminacja (rozwarstwianie). Materiały wzmacniające, takie jak szkło, grafit, korund czy węglik krzemu, cechują się dużą twardością, przez co powodują zużycie ścierne narzędzi obróbczych.



Włókna węglowe i szklane pod wpływem naprężeń zginających ulegają kruchemu pękaniu, natomiast włókna aramidowe, pod wpływem odkształcającego zginania, ulegają pękaniu ścinającym i rozrywaniu. Rodzaj komponentów wpływa na sposób zużycia narzędzi – włókna szklane i węglowe powodują zużycie ścierne, a aramidowe mogą wywoływać zużycie adhezyjne, ze względu na niską przewodność cieplną i skłonność do osadzania się na powierzchni narzędzia narostu w postaci zwęglonej lub stopionej osnowy polimerowej.

Na stopień i sposób zużycia narzędzi – oprócz samych właściwości osnowy i włókien wzmacniających – wpływ mają również: wielkość, splot, rozmieszczenie i orientacja włókien względem kierunku skrawania. Te cechy determinują dobór geometrii narzędzia, a następnie przebieg i rezultaty procesu obróbkowego.

Rozwarstwienie kompozytów
Rozwarstwienie, zwane też delaminacją, to jeden z najpoważniejszych i najczęściej występujących defektów podczas obróbki mechanicznej kompozytów włóknistych. Występuje zazwyczaj w kompozytach zbudowanych z wielu warstw, w następstwie uderzeń i krótkich, gwałtownych przegrzań. Polega na utracie spójności poszczególnych warstw, powodując obniżenie sztywności oraz wytrzymałości materiału. Powstaje przez pękanie matrycy, pierwotne i wtórne, które prowadzą do powstania szczelin międzywarstwowych. Szczeliny te łączą się ze sobą, co prowadzi do rozwarstwienia.

Przy obróbce zjawisko to pojawia się szczególnie często podczas procesu wiercenia, sprawiając, że spodnie warstwy kompozytu mogą być oddzielone od kształtowanego materiału w obszarze otaczającym obrabiany otwór. Można rozróżnić dwa zasadnicze mechanizmy delaminacji:

  • oddziaływanie pomiędzy powierzchnią natarcia a wierzchnimi laminami powoduje ich wyciąganie w kierunku przeciwnym do posuwu,
  • oddziaływanie pomiędzy krawędzią skrawającą i powierzchnią przyłożenia wiertła powoduje wypychanie spodnich warstw w kierunku zgodnym z kierunkiem posuwu.

 

Delaminacja może skutkować zmniejszeniem nośności i integralności struktury kompozytu, co negatywnie wpływa na trwałość materiału, dlatego jest podstawowym kryterium oceny przydatności narzędzi.

 

MM INFO
Wiercenie orbitalne
Dobrym sposobem na zredukowanie siły osiowej i zmniejszenie ryzyka delaminacji w kompozytach jest zastosowanie wiercenia orbitalnego, opracowanego przez szwedzką firmę Novator AB. Narzędzie skrawające porusza się równocześnie w kierunku osiowym i promieniowym, aby wykonać otwór większy niż średnica narzędzia, co pozwala na wiercenie otworów o wielu różnych średnicach za pomocą jednego narzędzia. W operacjach tych stosuje się narzędzia z węglika spiekanego. Mniejsza średnica narzędzia niż średnica otworu sprawia, że generuje się mniej ciepła, a niższa siła posuwowa gwarantuje lepszą jakość otworu. Można także zastosować skrawanie na sucho lub mniejszą zawartość środka smarnego. Wiercenie orbitalne generuje małe wióry, zmniejszając ryzyko uszkodzeń powierzchni. Maleje potrzeba dodatkowych narzędzi, gdyż otwór wykonuje się w jednym cyklu. W rezultacie powstają wlot i wylot z otworu bez delaminacji, zwiększa się trwałość narzędzia i bezpieczeństwo operacji oraz produktywność procesu.

 



Wiertła do kompozytów
Niezależnie od dziedziny czy gałęzi przemysłu, w której wykorzystywane są kompozyty wzmacniane węglem, metody ich obróbki i łącznia z innymi materiałami są takie same. Chociaż opracowano skuteczne sposoby klejenia czy spawania, dominującą praktykę wciąż stanowi mocowanie kompozytów i metali za pomocą nitów. Wydajne wiercenie otworów pod elementy złączne wymaga narzędzi ze specjalnymi geometriami, dobranymi do składu materiałowego kompozytu, oraz materiałów narzędziowych i powłok, które będą odporne na zużycie i abrazję.

Do wiercenia kompozytów węglowych najlepiej nadają się narzędzia z polikrystalicznych diamentów (PCD) lub węglików spiekanych z powłokami diamentowymi. PCD jest kompozytem cząsteczek diamentu zapieczonych razem z metalicznym spoiwem. Zbudowany jest z bardzo twardych ziaren diamentu o mikronowej wielkości, które połączone są za pomocą metalowego spoiwa i osadzone na podłożu z węglika spiekanego. Jako materiał skrawający PCD charakteryzuje się wysoką odpornością na zużycie, umożliwia stosowanie dużych prędkości cięcia i posuwu, odznacza się jednak niską stabilnością chemiczną w wysokich temperaturach.

Powłoki diamentowe nakładane na narzędzia z węglików spiekanych nadają im odporność na wykruszanie i ścieranie. Poza tym umożliwiają zwiększanie prędkości skrawania, co jest pożądane w przypadku materiałów kompozytowych.

Obecnie wielu producentów narzędzi przeznaczonych do skrawania kompozytów rozwija koncepcję wierteł z lutowanym PCD. Takie narzędzia stanowią kombinację krawędzi skrawających PCD z litym węglikowym korpusem wiertła. Korpus taki zapewnia sztywność i dokładność wymiarową konieczną do utrzymania jakości tworzonego otworu oraz ma otwory do wewnętrznego dostarczania chłodziwa i spiralne rowki, co poprawia chłodzenie i odprowadzanie wiórów, niezbędne do efektywnego wiercenia. Funkcjonalne krawędzie skrawające wykonane są z PCD, który zapewnia odporność na zużycie i wydajność obróbki.

Istnieją cztery główne technologie produkcji wierteł opartych o syntetyczne diamenty, przeznaczonych do obróbki materiałów kompozytowych:

  • wiertła powlekane warstwą diamentu metodą CVD (chemicznego osadzania z fazy gazowej) – gotowe wiertło pełnowęglikowe jest powlekane warstwą diamentu za pomocą metody CVD. To ekonomiczne rozwiązanie, jednak ostrość krawędzi jest ograniczona przez grubość powłoki. Ponadto z powodu wielkiej różnicy twardości pomiędzy podłożem węglikowym a powłoką diamentową rozwiązanie to ma małą zdolność do absorbowania energii uderzeń, ograniczona jest również odporność na wykruszanie;
  • wiertła z nakładanym PCD – w przypadku niektórych geometrii ostrza stożkowy element PCD jest spiekany na niewielkim podłożu węglikowym. Taki półfabrykat jest następnie lutowany do pełnowęglikowego korpusu wiertła. To rozwiązanie jest ograniczone poprzez konieczność optymalizacji gatunku PCD ze względu na potrzebę radzenia sobie z wysokimi naprężeniami na styku węglik/PCD. Ponadto obróbka po spiekaniu może być kosztowna z powodu dodatkowego nakładu pracy, koniecznego do usunięcia diamentu z powierzchni nieroboczych i dodania otworów do wewnętrznego doprowadzania chłodziwa;
  • wiertła z żyłowym PCD – lity węglikowy pręt z obrobionymi wcześniej otworami jest wypełniany proszkiem prekursorowym PCD, a następnie poddawany procesowi wysokociśnieniowo-wysokotemperaturowemu HPHT (ang. high pressure high temperature) w celu syntezy struktury PCD. Po procesie HPHT pręt jest ucinany, lutowany do korpusu wiertła i ostatecznie szlifowany do zaprojektowanej geometrii narzędzia. Technologia żyłowego PCD (vein PCD) jest w stanie wytworzyć złożone geometrie z wysokimi dodatnimi kątami natarcia i kształtem oraz wymaga mniej szlifowania niż metoda nakładanego PCD. Posiada jednak ograniczenia co do wielkości ze względu na stosowanie wysokich ciśnień i temperatury w skomplikowanych geometriach 3D. Dodatkowo zwykle jest konieczna wysoka zawartość kobaltu, co ogranicza twardość PCD i odporność na zużycie;
  • wiertła z lutowanym PCD – metoda 3D to najbardziej powszechna technologia stosowana w przypadku wierteł PCD (np. wierteł piórkowych PCD). Dla mniejszych wielkości wykorzystywany jest specjalny węglik z umieszczonym PCD, natomiast dla większych narzędzi stosuje się pojedyncze wierzchołki PCD. Rozwiązanie to ma poważne geometryczne ograniczenia, ponieważ trudno jest dodać dodatni kąt natarcia konieczny do obróbki kompozytów. Lutowanie twarde 3D wymaga dużego bloku PCD żądanego gatunku i mikrostruktury ściętej skośnie. Odpowiednie skośne gniazda są wyszlifowane w wiertle węglikowym w celu utrzymania ostrzy PCD. W porównaniu do rozwiązania z nakładanym PCD, lutowanie twarde 3D aplikuje PCD tylko na powierzchniach roboczych, istotnie zwiększając skrawalność.

 

Trudna sztuka projektowania narzędzi
Równie ważna jak materiał narzędziowy jest optymalna konstrukcja narzędzia zapewniająca wykonywanie wysokiej jakości otworów w materiałach kompozytowych. W trakcie projektowania wymiarowego narzędzia należy wziąć pod uwagę wiele czynników, które mają bezpośrednie przełożenie na tę jakość. Należą do nich m.in. większa krzywizna krawędzi i większy kąt natarcia, które generują mniejsze siły skrawające. Inne ważne parametry to mniejszy kąt wierzchołkowy, redukujący siły odporu i rozwarstwienie włókien oraz optymalna geometria krawędzi, poprawiająca kontrolowanie wysokości zadziorów. Na pracę narzędzia wpływ mają również sztywność obrabiarki, wrzeciona i nastawień, przystawka narzędziowa, chłodzenie wewnętrzne lub zewnętrzne – wszystko to należy uwzględnić podczas projektowania narzędzia.

 

LITERATURA
[1] E. Mcclarence, Wiercenie bardzo w cenie, Metalworking World 2/13, s. 26.
[2] M. Schneider, Ch. Birenbaum, A. Forbes, T. Meyer, J. Burkhardt, Spanende Bearbeitung von Leichtbauwerkstoffen
– Einführung und Überblick, Fraunhofer IPA 2012.
[3] Syntetyczne diamenty zwiększają efektywność wiercenia w materiałach kompozytowych, materiał prasowy firmy
Kennametal, www.kennametal.com.

Udostępnij:

Drukuj



Agata Pinkas




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również