Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania
ROZPRAWA DOKTORSKA
Warstwa wierzchnia stopu Inconel 718 po toczeniu ze wspomaganiem laserowym
mgr inż. Tadeusz CHWALCZUK
Promotor dr hab. inż. Damian PRZESTACKI
Poznań 2019
2
w ramach programów badawczych Narodowego Centrum Badań i Rozwoju
PROGRAM BADAŃ STOSOWANYCH III-PBS3/B5/36/2015
Projekt pt.:
L
ASEROWE WSPOMAGANIE OBRÓBKI SKRAWANIEMNADSTOPÓW I STOPÓW TYTANU STOSOWANYCH
W KONSTRUKCJACH SILNIKÓW LOTNICZYCH
LIDER VI 164/l-6/2014
Projekt pt.:
S
YSTEM CHŁODZENIA NARZĘDZI DO LASEROWOWSPOMAGANEGO TOCZENIA STOPÓW LOTNICZYCH
3
Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów ... 5
1. Wprowadzenie ... 7
2. Analiza stanu wiedzy ... 8
2.1. Ogólna charakterystyka nadstopów oraz stopu Inconel 718 ... 8
2.2. Skrawalność stopu Inconel 718 ... 10
2.2.1. Struktura geometryczna powierzchni po skrawaniu stopu Inconel 718 ... 12
2.2.2. Zmiany właściwości mikrostruktury warstwy wierzchniej po skrawaniu ... 17
2.2.3. Naprężenia technologicznej warstwy wierzchniej po różnych sposobach i odmianach skrawania stopu Inconel 718 ... 20
2.3. Biała warstwa w technologii budowy maszyn ... 21
2.4. Materiały narzędziowe w obróbce skrawaniem stopu Inconel 718 ... 25
2.4.1. Materiały narzędziowe stosowane w LAM ... 27
2.5. Laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem nadstopów niklu - kinematyka toczenia podczas wspomagania laserowego... 30
2.6. Skrawalność stopu Inconel 718 w warunkach LAM ... 36
2.7. Modelowanie procesu LAM i efektów oddziaływania wiązki lasera na materiał ... 38
2.8. Podsumowanie stanu wiedzy ... 44
3. Badania rozpoznawcze ... 46
3.1. Cel i zakres badań ... 46
3.2. Metodyka badań rozpoznawczych ... 46
3.3. Wyniki badań i ich analiza ... 47
3.4. Wnioski dotyczące badań rozpoznawczych ... 50
4. Tezy pracy ... 51
5. Zakres, metodyka i technika badań ... 52
5.1. Materiał skrawany w badaniach ... 52
5.2. Narzędzia i materiały narzędziowe ... 53
5.3. Stanowiska laserowego wspomagania toczenia ... 53
5.4. Program i metoda badań ... 54
5.5. Technika badań ... 57
5.5.1. Rejestracja temperatury w procesie nagrzewania laserowego i skrawania wspomaganego ... 57
5.5.2. Ocena parametrów struktury geometrycznej powierzchni ... 57
5.5.3. Pomiar siły skrawania ... 58
5.5.4. Analiza składowych przyspieszeń drgań ... 59
5.5.5. Ocena i analiza mikrostruktury ... 59
5.5.6. Badania naprężeń warstwy wierzchniej ... 60
5.5.7. Twardość Martensa HM ... 60
5.6. Ocena statystyczna wyników badań ... 61
6. Warunki badań... 63
7. Wyniki badań i ich analiza ... 65
7.1. Efekt laserowego nagrzewania warstwy wierzchniej ... 65
7.1.1. Cieplne zmiękczenie warstwy skrawanej ... 65
7.1.2. Mikrostruktura warstwy przetopionej ... 69
7.1.3. Wpływ powłoki absorpcyjnej na efekty nagrzewania laserowego ... 72
7.2. Warstwa wierzchnia po toczeniu ze wspomaganiem laserowym ... 75
4
7.2.2. Mikrostruktura warstwy wierzchniej po różnych trybach wspomagania laserowego ... 77
7.2.3. Wpływ głębokości skrawania na właściwości warstwy wierzchniej po toczeniu ze wspomaganiem ciągłym (CLAM) ... 79
7.2.4. Ocena możliwości zastosowania laserowego toczenia wspomagania w obróbce z dużymi wartościami prędkości skrawania ... 82
7.2.5. Biała warstwa w obróbce skrawanej wspomaganej laserowo ... 87
7.3. Podsumowanie badań zasadniczych ... 90
8. Wnioski końcowe ... 91
8.1. Wnioski poznawcze... 91
8.2. Wnioski utylitarne ... 91
8.3. Wnioski do dalszych badań ... 92
Literatura ... 93
Streszczenie ... 103
Abstract ... 103
5
W
YKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW ap [mm] – głębokość skrawaniad [mm] – średnica przedmiotu obrabianego
dl [mm] – średnica wiązki laserowej, szerokość strefy nagrzewania f [mm/obr] – posuw na obrót
F [N] – siła całkowita (wypadkowa siła skrawania) Fp [N] – siła odporowa
Fc [N] – siła skrawania Ff [N] – siła posuwowa
fn [Hz] – częstotliwość piłokształtności wióra/powstawania nalepień adhezyjnych na wiórze h [mm] – grubość warstwy skrawanej
hmin [mm] – minimalna grubość warstwy skrawanej
hs [mm] – grubość warstwy skrawanej ulegającej odkształceniom sprężystym l [mm] – droga skrawania
n [obr/min] – prędkość obrotowa P [W] – moc wiązki laserowej P – punkt/miejsce pomiarowe Pmax [W] – maksymalna moc lasera
R – współczynnik korelacji
Ra [µm] – średnie arytmetyczne odchylenie profilu R od linii średniej rn [mm] – promień naroża
Rsk [-] – współczynnik asymetrii profilu R, czyli skośność Rt [µm] – całkowita wysokość profilu R
Rz [µm] – największa wysokość profilu Rzto [µm] – chropowatość teoretyczna
rε [μm] – promień zaokrąglenia naroża
s(x) – odchylenie standardowe dla pojedynczego pomiaru Sa [µm] – średnia arytmetyczna wysokość powierzchni SGP – struktura geometryczna powierzchni
Sku [-] – współczynnik nachylenia powierzchni, czyli eksces lub kurtoza Sp [µm] – najwyższe wzniesienie profilu
Sq [µm] – wysokość średniokwadratowa, średnie kwadratowe odchylenie powierzchni Ssk [-] – współczynnik asymetrii powierzchni, czyli skośność
Sv [µm] – największa wartość wgłębienia profilu Sz [µm] – maksymalna wysokość powierzchni
T [ºC] – temperatura na powierzchni obrabianego materiału t – zmienna standaryzowana dla rozkładu t-Studenta ts [min] – czas skrawania
tw [min] – czas wyprzedzenia wiązki lasera względem miejsce skrawania vc [m/min] – prędkość skrawania
vf [m/min] – prędkość ruchu posuwowego
vl [m/min] – prędkość przemieszczania się wiązki lasera po powierzchni nagrzewanego ele- mentu
BUE – ang. bulid-up edge – narost na krawędzi BUL – ang. build-up line – narost na powierzchni
6
CBN – regularny azotek boru (ang. cubic boron nitride) CCS – ciecz chłodząco smarująca
HRSA – superstopy żarowytrzymałe (ang. heat resistant super alloys)
LAM – laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem (ang. laser-assisted machining) CALM – laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem w trybie ciągłym nagrzewania SLAM – laserowe wspomaganie obróbki skrawaniem w trybie sekwencyjnym nagrzewania
LDL – ang. lower decision line (związane z analizą ANOM) OUPN – układ „oprzyrządowanie – uchwyt – przedmiot – narzędzie”
TWW – technologiczna warstwa wierzchnia
UDL – ang. upper decision line (związane z analizą ANOM) WC – węglik spiekany
WW – warstwa wierzchnia
o [º] – kąt przyłożenia w płaszczyźnie ortogonalnej układu narzędzia
– poziom istotności
o [º] – kąt natarcia w płaszczyźnie ortogonalnej układu narzędzia λ [W/m·K] – współczynnik przewodzenia ciepła
7
1. W
PROWADZENIEStop Inconel 718 jest żarowytrzymałym i żaroodpornym nadstopem niklu. Nadstopy niklu, obok stopów kobaltu i tytanu, stosowane są w najbardziej obciążonych termicznie częściach silników od- rzutowych, stanowiąc blisko 50% jego masy [21]. Międzynarodowa Korporacja Finansowa (IFC) w raporcie dotyczącym prognoz i trendów dla przemysłu lotniczego, szacuje, że do roku 2025 liczba nowej generacji samolotów w transporcie lotniczym wzrośnie o 531% [111]. Szacuje się, że pomiędzy rokiem 2016 a 2025 zostanie wyprodukowanych blisko 52 673 turbin odrzutowych dla przemysłu lotniczego wartych blisko 1 999 biliona dolarów [1]. Obecna sytuacja geopolityczna, napięcia między Stanami Zjednoczonymi a Rosją, wzrost znaczenia i aspiracje gospodarcze Chin, spowodowały, że ceny niklu są bardzo niestabilne. W roku 2010 cena wynosiła 13 740 USD za tonę, natomiast w roku 2018 można było spodziewać się już ceny 15 105 USD [122].
Stopy na osnowie niklu uznawane są za trudno skrawalne. Świadczy o tym między innymi war- tość indeksu skrawalności MR (ang. machinability rating) dla całej grupy superstopów przyjmujący wartości poniżej 25%, przy czym materiał referencyjny stal SAE 1020 (odpowiednik DIN 1.0402) cechuje się wskaźnikiem MR=100%. Stop Inconel 718 jest szczególnie nisko klasyfikowany na po- ziomie MR=14% [158].
Brak zadawalającej efektywności związanej z kształtowaniem ubytkowym elementów konstruk- cyjnych z nadstopów niklu, w tym stopu Inconel 718, w kontekście wzrastających potrzeb wytwór- czych oraz niskiej wydajności tradycyjnych procesów obróbczych wiąże się z koniecznością doskona- lenia technik w zakresie tzw. niekonwencjonalnych metod wytwarzania. Za takie techniki można uznawać między innymi: wibracyjne wspomaganie obróbki skrawaniem, laserowe wspomaganie ob- róbki toczenia, obróbkę kriogeniczną, polerowanie wspomagane plazmowo oraz wiele innych metod kształtowania wspomaganych, łączonych bądź hybrydowych [17, 46, 47, 64, 89, 148].
Badania prowadzone przez ośrodki akademickie na całym świecie potwierdziły, że poprawa wskaźników skrawalności materiałów trudno obrabialnych możliwa jest przez zastosowanie technolo- gii wspomagania cieplnego obróbki skrawaniem, w tym przede wszystkim, laserowego wspomagania skrawania (ang. laser assisted machinig – LAM). Wykazano znaczne korzyści wynikające z zastoso- wania wiązki laserowej w obróbce materiałów trudno skrawalnych, takich jak ceramika Si3N4 [8, 57, 127] czy też kompozyty metalowo–ceramiczne [103, 148]. Prace z zakresu obróbki laserowego wspomagania skrawania nadstopów [27, 28, 85, 133] wskazują na możliwości poprawy wskaźników skrawalności takich jak parametry chropowatości, trwałość ostrza czy też zmniejszenie wartości sił skrawania.
Obróbka stopu Inconel 718 skrawaniem wspomagana laserowo jest jednym z trendów w techni- kach ubytkowych, będących jednocześnie obiektem zainteresowania ośrodków badawczych, jak rów- nież producentów części dla przemysłu lotniczego, chemicznego czy też energetycznego na całym świecie.
8
2. A
NALIZA STANU WIEDZY2.1. Ogólna charakterystyka nadstopów oraz stopu Inconel 718
Stop Inconel 718 należy do grupy superstopów łączących zarówno właściwości fizyczne jak i chemiczne. Ich główną cechą jest bardzo dobra odporność na korozję i duża wytrzymałość w podwyższonych temperaturach [13, 99]. Swoje szczególne właściwości nadstopy zachowują nawet do 85% temperatury homologicznej [13, 21], a jak podają niektóre źródła, nawet i do 90% [99]. Sza- cuje się, że blisko 50% masy silnika to superstopy [21, 99]. Nadstopy przyjęło dzielić się na trzy pod- stawowe grupy ze względu na osnowę: Ni, Co oraz Fe-Ni [21, 27, 88]. Można spotkać się również z podziałami grup superstopów: Ni, Fe oraz Co-Ni [13] lub innym: Ni, Fe oraz Co [36, 80]. Występują również klasyfikacje uwzględniające grupę nadstopów z udziałem osnowy Ni-Cr [142].
Podstawowe fazy występujące w nadstopach to γ, γ’, γ”, węgliki Ti, Ta, Hf czy Nb, oraz ściśle upakowane δ, µ oraz Lavesa [21, 27, 80, 88, 99]. Ich udział objętościowy zależy od sposobu wytwa- rzania oraz obróbki cieplnej (rys. 2.1).
Rys. 2.1. Wykres fazowy dla stopu Inconel 718 [142]
Faza γ stanowi osnowę stopu. Krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej. Jest roztwo- rem równo węzłowym bez dodatków stopowych umacniających bądź zniekształcających sieć krysta- liczną. Faza ta jest niemagnetyczna, w jej skład oprócz Ni wchodzą takie pierwiastki jak: Co, Cr, Fe czy Mo. Charakteryzuje się dużą stabilnością podczas pracy w podwyższonych temperaturach [21, 27, 99].
Najważniejszą fazą w mikrostrukturze nadstopów niklu jest faza γ’ (Ni3(Al,Ti)) w osnowie fazy γ [21, 80, 99, 142]. Faza ta krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej i odpowiada za umoc- nienie stopu oraz poprawę właściwości żaroodpornych. Jej udział w osnowie może wynosić nawet powyżej 60% (dla stopów odlewniczych), gdzie w większości przypadków stopów komercyjnych udział ten wynosi między 20% a 45% [21].
Faza międzymetaliczna γ”, występująca w stopach zawierających Nb takich jak Inconel 718, ujawnia w postaci Ni3Nb [13, 21]. Faza krystalizująca w sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej [142], odpowiada za poprawę wytrzymałości w niższych temperaturach [21].
Borki pojawiające się w strukturze, łączą się głównie z chromem lub molibdenem tworząc fazę M3B2. Faza tworzy się w postaci drobnych wydzieleń na granicy ziaren o nieregularnym kształcie. Ich podstawową właściwością jest zwiększona odporność na pełzanie i trudnotopliwość [21, 52].
Faza σ, często utożsamiana z fazą β [142], tworzy się w stopach, takich jak Inconel 718 w wyniku obróbki cieplnej i starzenia [73]. Cząstki fazy σ przyjmują w stanie równowagi kształt rombowy.
czas [h]
0 1 10 100 1000 10000
temperatura [ºC]
1000
800
600
γ"
γ' δ δ
9
Faza Lavesa (Fe2Nb) to zwarta, gęsto ułożona warstwa jednakowych atomów, rozdzielonych warstwami (np. Co2Mo, Co2Ta). Ujawnia się w postaci igieł lub cienkich płytek.
Pierwiastki występujące w nadstopach, mające wpływ na jego właściwości oraz mikrostrukturę można podzielić na grupy [13, 38, 52, 98]:
− tworzące roztwory substytucyjne: Co, Fe, Cr, V, Mo i W,
− tworzące wydzielenia: Al i Ti,
− tworzące węgliki: Cr, Mo, W, V, Nb, Ta i Ti,
− segregujące do granic ziarn: B, Mg oraz Zr,
− tworzące tlenki zapobiegające utlenianiu: Cr i Al.
Skład chemiczny stopów niklu, w tym nadstopów, opisuje m.in. norma PN-ISO 9722:2000 [162].
Częściej stosowane, np. w przemyśle lotniczym, są superstopy pod różnymi nazwami handlowymi.
Przykładowe nazwy handlowe stopów wraz ze składem chemicznym przedstawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1. Skład chemiczny wybranych superstopów [21]
Stop Skład chemiczny
Cr Ni Co Mo W Nb Ti Al Fe C Inne
NA OSNOWIE Ni
utwardzane międzywęzłowo
Hasteloy X 22,0 49,0 <1,5 9,0 0,6 − − 2,0 15,8 0,15 Cu Inconel 625 21,5 61,0 − 9,0 − − 0,4 0,15 2,5 0,12 − utwardzane wydzieleniowego
Waspaloy 19,5 57,0 13,5 4,3 − − 3,0 1,4 <2.0 0,007 B, Zr Nimonic 95 14,0 61,0 8,0 3,5 3,5 3,5 2,5 3,5 <0,3 0,07 B, Zr Inconel 100 10,0 60,0 15,0 3,0 − − 4,7 5,5 <0,6 0,15 V, Zr,
B NA OSNOWIE Fe-Ni
utwardzane międzywęzłowo
Haynes 556 22,0 21,0 20,9 3,0 2,5 0,1 0,1 0,3 29,0 0,10 Ta, La
Incoloy 802 21,0 32,5 − − − − − 0,58 44,8 0,36 −
utwardzane wydzieleniowego
Inconel 718 19,0 52,5 − 3,0 − 5,1 0,91 0,5 18,5 <0,08 Cu Incoloy 903 <0,1 38,0 15,0 0,1 − 3,0 1,4 0,7 41,0 0,04 − NA OSNOWIE Co
utwardzane międzywęzłowo
Haynes 25 20,0 10,0 50,0 − 15,0 − − − 3,0 0,1 Mn
MP35-N 20,0 35,0 35,0 10,0 − − − − − − −
Stopem analizowanym w tej rozprawie jest stop Inconel 718. Stop Inconel 718 to żarowytrzymały i żaroodporny tzw. superstop lub nadstop na bazie niklu, którego skład chemiczny definiowany jest w normie UNS N07718 [22]. Odpowiednikami normy UNS są DIN 2.4668 lub EN NiCr19Fe19Nb5Mo. Stop ten znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, stąd też za- kładowe normy PWA firmy Pratt&Whitney oraz GE formy General Electric są powszechnie stosowa- ne przez dostawców materiałów i komponentów lotniczych.
Elementy konstrukcyjne wykonane ze stopu Inconel 718 mogą być wytwarzane w wyniku proce- sów odlewniczych oraz przeróbki plastycznej i następującej po nich obróbce cieplnej. Takie przygo- towanie zapewnia, że w stanach dostawy uzyskuje się zoptymalizowaną mikrostrukturę w zależności od ostatecznego przeznaczenia [120]. Materiał ten może być dostarczany m.in. zgodnie ze specyfika- cjami przedstawionymi w tabeli 2.2.
Podstawowe zalety sprawiające, że stop Inconel 718 znalazł swoje zastosowanie jako materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym, to duża wytrzymałość mechaniczna w podwyższonych tempe- raturach, przy jednoczesnym zachowaniu dobrej spawalności i obrabialności [96]. Wprowadzenie do
10
składu chemicznego Fe pozwoliło znacząco obniżyć koszty materiałowe, związane ze zmniejszeniem udziału objętościowego Ni.
Tabela 2.2. Wykaz specyfikacji form i stanu dostawy stopu Inconel 718
Forma dostawy Standard
PRĘT ASTM B637, AMS 5662, AMS 5663, AMS 5664, PWA 1009, PWA 1010, GE B50TF15
DRUT AMS 5832
BLACHA ASTM B670, AMS 5596, AMS 5597, PWA 1033,
GE B50TF14, ASTM B670, ASTM B637 PŁYTA ASTM B670, AMS 5596, AMS 5597, PWA 1033,
GE B50TF15, ASTM B670, ASTM B637
RURA AMS 5589, AMS 5590
ODKUWKA ASTM B637, AMS 5562, AMS 5663, AMS 5664, PWA
1009, PWA 1010, GE B50TF15
DRUT SPAWALNICZY AWS A5.14 ERNiFeCr-2
Żarowytrzymałość stopu Inconel 718 utrzymuje się do temperatury ok 650ºC (~1200ºF) i jest uzależniona od wcześniejszej obróbki cieplnej [73, 109, 114, 129]. Przebieg zmian wybranych para- metrów wytrzymałościowych w funkcji temperatury przedstawiono na rys. 2.1.
Rys. 2.1. Właściwości stopu Inconel 718 wyżarzonego (1800ºF/1h) oraz starzonego (1325ºF/8h) w postaci pręta walcowanego (na podstawie [129])
2.2. Skrawalność stopu Inconel 718
Stop Inconel 718 klasyfikowany jest przez dostawców [2, 129] jako trudno skrawalny, ale przy określonych parametrach skrawania, możliwa jest obróbka z powtarzalnymi efektami techno- logicznymi. Porównując wskaźnik skrawalności jakim jest okresowa prędkość skrawania dla stopu Inconel 718, jest ona ponad 10-krotnie mniejsza niż dla stali węglowej B1112 (wg. AISI) [91]. Pro- blemy związane ze skrawalnością stopu 718 skupiają się w dwóch obszarów: jakości powierzchni obrobionej wyrażonej parametrami chropowatości oraz niezadawalająca trwałością ostrza [38]. Zła skrawalność stopu w ogólnym ujęciu, związana jest z [7, 23, 26, 31, 38, 131, 133]:
temperatura [ºF]
400 800 1200 1600 2000
wydłużenie [%] naprężenia [ksi]
200
160
120
80
40 wydłużenie
granica plastyczności
wytrzymałość na rozciąganie
11
− występowaniem twardych węglików, m.in. chromu, tytanu, molibdenu, niobu oraz wolframu na granicy ziaren wpływających na intensywność zużycia ściernego ostrza skrawającego,
− utwardzeniem warstwy wierzchniej podczas skrawania,
− niską przewodnością cieplną, przyczyniającą się do kumulacji ciepła w strefie skrawania i jego wpływem na termiczną degradację ostrza,
− zwiększoną wytrzymałością w podwyższonych temperaturach, co w połączeniu ze spadkiem skrawności ostrzy w tych temperaturach, przyczynia się do spadku trwałości ostrzy,
− występowaniem tendencji do tworzenia narostu na ostrzu, przyspieszającego adhezyjne zuży- cie powłoki narzędzia,
− powinowactwem chemicznym stopu Inconel 718 do większości materiałów narzędziowych powszechnie stosowanych w obróbce skrawaniem,
− możliwością występowania drgań wpływających na stabilność układu OUPN.
Właściwości stopu Inconel 718 przyczyniają się do problemów technologicznych związanych z dokładnym kształtowaniem parametrów geometrycznych warstwy wierzchniej. Utwardzenie war- stwy wierzchniej utrudnia obróbkę wielozabiegową, brak stabilności zarysu krawędzi skrawającej utrudnia precyzyjne kształtowanie elementu, zgodnie z założonymi tolerancjami konstrukcyjnymi a duża intensywność zużycia ostrzy skrawających, czyni proces skrawania kosztownym.
Skrawalność stopu Inconel 718 jest ściśle związana z metodą wytwarzania półfabrykatu (rys. 2.2). Zmiany w mikrostrukturze, zachodzące podczas kucia, odlewania lub odlewania z prasowa- niem izostatycznym na gorąco, czy też sposób chłodzenia odlewu, wpływają na wielkość ziarna oraz twardość stopu [96]. W badaniach prowadzonych przez firmę Pratt&Whitney oraz United Technolo- gies Research Center określone główne czynniki, wpływające na skrawalność Inconelu 718 [96, 121], do których należą:
− skrawalność zależy od twardości elementu i uznać można ją za stałą poniżej 38 HRC,
− skrawalność odlewu poddanego obróbce cieplnej gwałtownie spada powyżej 38 HRC,
− zmniejszenie zawartości węgla w stopie poprawia jego skrawalność,
− poprawę skrawalności stopu można zaobserwować poniżej wielkości ziarna wyrażonego in- deksem ASTM 5.
Rys. 2.2. Porównanie indeksu skrawalności stopu Inconel 718 ze względu na metodę wytwarzania;
HIP – prasowanie izostatyczne na gorąco (ang. hot isostatic pressing) [96]
twardość HRC
Indeks skrawalności wg. AISI [%
] 25
20
15
10
25 30 35 40 45 odlew
odlew + HIP
niskowęglowy odlew + HIP odkuwka (ASTM 2-4)
Odkuwka stopu Inconel 718:
ASTM 8-1 ASTM 1-2
ASTM 4-6
12
W dalszej części tej rozprawy opisano szczegółowo wybrane aspekty skrawalności w nawiązaniu do właściwości warstwy wierzchniej stopu Inconel 718 oraz efektów oddziaływania ostrza na wybrane cechy technologicznej warstwy wierzchniej.
Pojęcie warstwy wierzchniej (WW) rozumiane jest w tej pracy jako zewnętrzna warstwa materia- łu ograniczona rzeczywistą powierzchnią przedmiotu obejmującą tę powierzchnię oraz część materiału w głąb od powierzchni rzeczywistej, która wykazuje zmienione cechy fizyczne lub chemiczne w po- równaniu do materiału rdzenia [163]. W trakcie procesu technologicznego zachodzą przemiany me- chaniczne, cieplne i fizyko-chemiczne [51], które kształtują technologiczną warstwę wierzchnią (TWW) – czyli warstwę wierzchnią, będącą efektem procesu technologicznego. Grubość warstwy wierzchniej to teoretyczna powierzchnia, wyznaczona przez punkty pewnej cechy [18], wyrażonej w sposób ilościowy bądź jakościowy, mająca często charakter umowny.
2.2.1. Struktura geometryczna powierzchni po skrawaniu stopu Inconel 718 Zbiór wszystkich nierówności występujących na powierzchni określa się mianem struktury geo- metrycznej powierzchni (SGP) [55]. Struktura geometryczna powierzchni to błędy kształtu, falistość, chropowatość oraz kierunkowość struktury. SGP opisana jest za pomocą parametrów, które są zawarte w zbiorze norm określanych mianem specyfikacji geometrii wyrobów (ang. geometrical product spe- cifications – GPS). Przywołać tutaj należy normę PN-EN ISO 25178 [160], której wybrane części stale ulegają aktualizacji, a dotyczą przede wszystkim, opisu przestrzennego SGP i sposobów ogólnie rozumianego pomiaru topografii powierzchni. Szczególnie istotnym, w ujęciu prognozowania właści- wości eksploatacyjnych wydaje się być właśnie ocena cech geometrycznych powierzchni. Nie tylko parametrów profili (tzw. 2D) ale i parametrów przestrzennych (tzw. 3D). Obecny stan wiedzy z zakre- su inżynierii powierzchni nie pozwala jednak jednoznacznie przypisać parametrom chropowatości wpływu na poszczególne właściwości eksploatacyjne [45, 48].
W odróżnieniu od ściśle metrologicznego opisu SGP, opis technologicznej warstwy wierzchniej uwzględnia efekt oddziaływania warunków procesu technologicznego na warstwę wierzchnią. W ana- lizie TWW ważna staje się możliwość odniesienia wartości parametrów struktury geometrycznej po- wierzchni, do parametrów nastawnych procesu. Stąd też, w technologii obróbki skrawaniem, występu- je szereg modeli oraz schematów, umożliwiających pośrednie prognozowanie właściwości WW uzy- skiwanych przez odpowiedni dobór np. parametrów skrawania i geometrii narzędzia. W odniesieniu do SGP grupą modeli stosowanych, są te opisujące kinematyczno-geometryczne odwzorowanie ostrza w materiale.
Kawalec i Szablewski [63, 65, 136, 138], wykazali, że w przypadku kształtowania technologią obróbki skrawaniem stopu Inconel 718 zachodzą tzw. anomalie powierzchni w zakresie małych war- tości posuwów. Anomalie te związane są z znaczącym stopniu z odstępstwami wartości parametrów rzeczywistych chropowatości od teoretycznych (rys. 2.3). Związane jest to z powstawaniem odkształ- ceń plastycznych, generowanych w trakcie powstawania wióra. Szablewski [138] sformułował tezę, że częstotliwość formowania się deformacji w postaci wypływek na wiórze, jest związana z defektami występującymi w powierzchni. Zależność ta została opisana wzorem (2.1) [135, 138].
𝑓𝑛=1000 ∙ 𝑣𝑐
60 ∙ 𝐿𝑛 (2.1)
13
Rys. 2.3. Wpływ posuwu f na wartości teoretyczne Rzt0 i rzeczywiste Rz mikronierówności powierzchni obrobio- nej po toczeniu płytką z węglika spiekanego IC3028; materiał obrabiany – Inconel 718 [136]
Teoria ta została potwierdzona wynikami badań m.in. w pracy [135]. Obróbka stopu Inconel 718 podczas toczenia, bez udziału cieczy chłodząco-smarującej, powoduje pojawienie się narostu na po- wierzchni obrobionej. Częstotliwość powstawania narostów (oblepień), związana jest z parametrami skrawania, takimi jak głębokość skrawania oraz posuw. Autorzy pracy [135] wykazali, że kształt wió- ra, jest powiązany z częstotliwością powstawania oblepień na powierzchni obrobionej (rys. 2.4).
Wzrost prędkości skrawania powoduje wzrost wartości odkształceń ścinających oraz prędkości od- kształceń, które w bezpośredni sposób przeliczyć można na częstotliwość formowania się wióra seg- mentowego, co zostało również potwierdzone w pracy [37].
Rys. 2.4. Wiór powstawały w wyniku toczenia stopu Inconel 718 dla różnych wartości posuwu f : a) 0,21 mm/obr, b) 0,10 mm/obr oraz c) 0,05 mm/obr (ap = 0,3 mm, vc = 63 m/min) [135]
Niezależnie od wartości głębokości skrawania, dla małych wartości posuwu f, obserwuje się wy- stępowanie anomalii struktury geometrycznej powierzchni. Istotnym jest jednak fakt, że wraz ze wzro- stem wartości posuwu możliwa jest poprawa jakości powierzchni obrobionej (rys. 2.3), co wiąże się ze zmianą wartości odkształceń plastycznych, zjawiska bocznego płynięcia, zmianą intensyfikacji po- wstawania narostu na ostrzu i wiórze. Efektem wzrostu wartości prędkości posuwowej, jest spadek częstotliwości formowania się wad powierzchniowych, związanych z powstawaniem nalepień na wió- rze (rys. 2.5). Wpływ powstawania odkształceń plastycznych, ujawniających się w formie i postaci wióra, ma wpływ nie tylko na wartości parametrów chropowatości w przypadku skrawania nadstopu Inconel 718. Podobne zjawiska zaobserwowano m.in. w pracy [119] dla stopów Inconel X-750 oraz Waspaloy.
Struktura geometryczna powierzchni oraz samo zjawisko formowania się wióra, ściśle związane jest z pojęciem minimalnej grubości warstwy skrawanej hmin. Szacowanie wartości hmin zajmuje szcze- gólne miejsce w zagadnieniach i problematyce obróbki skrawaniem, zwłaszcza w problematyce mi- kroskrawania i obróbki precyzyjnej narzędziami o zdefiniowanej geometrii [56, 152].
0 0,10 0,20 0,30 f [mm/obr]
Rz Rzto
[µm]
25 20 15 10 5
Rz Rzto
WNMG 080408-PP IC3028 vc = 62 m/min, rε = 0,8 mm
VBc = 0÷0,19mm
14
Rys. 2.5. Wpływ posuwu f na częstotliwość powstawania nalepieni na powierzchni obrobionej stopu Inconel 718 (ap = 0,3 mm, vc = 63 m/min) [135]
W modelowaniu parametrów amplitudowych chropowatości powierzchni obrobionej najczęściej stosuje się wzory, oparte na zależnościach kinematyczno-geometrycznych odwzorowania ostrza w materiale obrabianym (zależność 2.2).
𝑅𝑧𝑡𝑜 = 𝑓2
8 ∙ 𝑟𝜀 (2.2)
Wzór ten nie uwzględnia jednak rzeczywistych warunków skrawania i efektów, mających wpływ na wartości rzeczywiste parametrów profilu R. Chropowatość powierzchni obrobionej jest uzależniona od szeregu zjawisk, takich jak przemieszczenie narzędzia w wyniku drgań [150, 151] czy też odkształ- cenie plastyczne w materiale [30, 56, 58]. Zależność uwzględniająca wpływ deformacji plastyczno- sprężystych wpływających na SGP, uwzględnia zależność Brammertza [16]:
𝑅𝑧𝑡𝑜= 𝑓2
8 ∙ 𝑟𝜀+ℎ𝑚𝑖𝑛
2 (1 +𝑟𝜀∙ ℎ𝑚𝑖𝑛
𝑓2 ) (2.3)
Wykazano, że wartości minimalnej grubości warstwy skrawanej są proporcjonalne do wartości promienia zaokrąglenia krawędzi skrawającej [56] i związane są między innymi z występowaniem sił krawędziowych na ostrzu skrawającym [102, 152]. Wartość hmin można wyrazić za pomocą proporcjo- nalności k między hmin a promieniem rn [56]:
ℎ𝑚𝑖𝑛 = 𝑘 ∙ 𝑟𝑛 (2.4)
Jedną z metod, umożliwiającą szacowanie wartości hmin i współczynnika empirycznego k jest pomiar promienia zaokrąglenia głównej krawędzi skrawającej rn. Przekształcenia zależności 2.3 po- zwalają na wyrażenie wartości minimalnej grubości warstwy skrawnej w postaci 2.5, z uwzględnie- niem pomiaru parametru chropowatości Rz [30]:
ℎ𝑚𝑖𝑛=𝑓 ∙ (2 ∙ √2𝑟𝜀∙ 𝑅𝑧 − 𝑓)
2 ∙ 𝑟𝜀 (2.5)
f [mm/obr]
0 0,05 0,105 0,21 fn
[Hz]
12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000
Inconel 718 (35 HRC) vc = 62 m/min
ap = 0,3 mm
15
Wyrażenie 2.4 wraz z 2.5 pozwala na wyznaczenie współczynnika k. Takie przedstawienie zależności jest obarczone błędem, związanym z pomiarem chropowatości powierzchni obrobionej. W przypadku stopów trudno skrawalnych, może wiązać się to z występowaniem znaczących odstępstw i problemów z modelowaniem hmin za pomocą tej zależności, zwłaszcza dla małych wartości stosunku f/rε. Wystę- powanie anomalii w strukturze powierzchni ma miejsce dla wartości posuwu do promienia naroża mniejszego niż 0,1 (rys. 2.6). Niemniej jednak, wykazano, że minimalna grubość warstwy skrawanej, zależna jest od stosunku posuwu do promienia naroża (rys. 2.7).
Rys. 2.6. Wpływ stosunku posuwu do promienia naroża f/rε na rozbieżność między rzeczywistą i teoretyczną wysokością mikronierówności określoną stosunkiem Rz/Rzt [30]
Rys. 2.7. Wpływ zależności f/rε na wartości minimalnej grubość warstwy skrawaniem (hmin) dla różnych mate- riałów obrabianych [30]
W badaniach przedstawionych w pracach [83, 159], przyjęto tezę, że pojedyncze nieciągłości oraz uszkodzenia warstwy wierzchniej, wynikają z trzech podstawowych aspektów związanych z twardymi cząstkami węglika niobu NbC. Powodują one pojawienie się jam, pęknięć i wyłamań oraz bruzd w wyniku przemieszczenia się cząstki po powierzchni (rys. 2.8). Zastosowanie cieczy- chłodząco smarującej, dostarczanej w sposób konwencjonalny (zalewowo z ciśnieniem 5 bar) nie wyeliminowało tych zjawisk [159]. Obecność dużych aglomeratów NbC tłumaczona jest charakterem obróbki cieplnej stopu Inconel 718, polegającą na starzeniu i utwardzeniu wydzieleniowym.
Można odnieść wrażenie, że w wielu pracach kwestię anomalii pomija się celowo, odnotowu- jąc jedynie sukces w wyniku korzystanej zmiany wartości parametru Ra chropowatości, w związku z zastosowaniem większych zakresów posuwu. Anomalie powierzchni obrobionej są powiązane z procesem formowania się wióra. Badania symulacyjne opisane w pracy [157], ukazują ten problem.
Zastosowanie nieodpowiedniej geometrii łamacza wióra w stosunku do wartości posuwu f, wiąże się f /rε
Rz/Rzto
7 5 3 1
stop tytanu Ti6Al4V
stal nierdzewna X5CrNiTi18-10
nadstop niklu Inconel 718
0,05 0,10 0,15 0,20
0,07 0,09 0,11 0,13 f /rε
hmin [µm]
5 4 3 2 1
stop tytanu Ti6Al4V
stal nierdzewna X5CrNiTi18-10
nadstop niklu Inconel 718
16
z powstaniem niekorzystnego kierunku formowania się wióra oraz koncentracji ciepła w obszarze zaokrąglenia krawędzi skrawającej (rys. 2.8)
Rys. 2.8. Mechanizmy oddziaływania węglika NbC na powierzchnia stopu Inconel 718 po obróbce mechanicznej ([83])
a) b)
Rys. 2.9. Badania modelowe formowania się wióra dla łamacza SM (Sandvik Coromant) ostrzy węglikowych podczas toczenia stopu Inconel 718 (ap = 2mm, vc = 65 m/min) [157]
Innym, często obserwowanym zjawiskiem podczas obróbki mechanicznej, a konkretniej szlifo- wania [126] stopu Inconel 718, są przypalenia warstwy wierzchniej, w wyniku błędnego doboru pa- rametrów szlifowania oraz ściernicy (rys. 2.10). Warstwa tak przypalanego materiału, cechuje się mniejszą twardością. W wyniku reakcji chemicznych aktywowanych powyżej 500ºC oraz ich na- stępstw, zmienia się skład chemiczny na powierzchni materiału. Autorzy pracy [126] wykazali, że wady w wartościach SGP związane są z powinowactwem chemicznym materiału ściernicy SiC do stopu Inconel 718.
Istotnym czynnikiem, wpływającym na stan struktury geometrycznej powierzchni, jest zjawisko narostu [67, 97]. Występuje ono praktycznie niezależnie od zakresu stosownych parametrów techno- logicznych czy też materiałów narzędziowych, przyczyniając się nie tylko do intensyfikacji zużycia narzędzia, ale i powstawania kraterów oraz przyczepień na powierzchni obrobionej [63].
x [mm]
19,5 20 pł. poślizgu
kierunek
formowania wióra
y [mm]
1,8 2,2 2,6 3,0
f = 0,075 [mm/obr]
x [mm]
20 20,2 Temperatura [ºC]
2,2
1,8
y [mm]
x [mm]
y [mm]
20 19,5 1,8
2,2 2,6 3,0
2,2
1,8
y [mm]
x [mm]
20 20,2 f = 0,24 [mm/obr]
pł. poślizgu kierunek wióra
a) b)
d) c)
twarde MC
uszkodzone MC
krawędź skrawająca wiór
ostrze
17
Rys. 2.10. Widok powierzchni stopu Inconel 718 a) przypalonej, b) bez uszkodzeń [126]
Wartości parametrów chropowatości [149], jak i sposób obróbki w celu ich osiągnięcia [25] ma bezpośredni wpływ na wytrzymałość powierzchni na obciążenia cykliczne stopu Inconel 718. Wyniki prac jednak nie są jednoznaczne, jeżeli wziąć pod uwagę wpływ parametrów SGP na wytrzymałość zmęczeniową. Powierzchnia stopu Inconel 718 po polerowaniu, posiada większą wytrzymałość niż powierzchnie po EDM [25]. W przypadku obróbki skrawaniem w pracy [25] wykazano, że wraz ze wzrostem parametru Ra w przedziale od 0,16 do 0,51 µm wytrzymałość zmęczeniowa na obciążenia cykliczne rośnie blisko o 4·105 cykli. Wyniki te, są przeciwstawne do wniosków jakie wysunięto w pracy [53]. Autorzy wykazali, że dla wartości parametrów chropowatości Ra w przedziale 0,2÷0,4 µm, wytrzymałość na zmęczenie cykliczne, nie różniła się znacząco (rys. 2.11). Niewątpliwe, obszar zależności parametrów SGP na parametry eksploatacyjne WW wymaga dalszych badań.
Rys. 2.11. Wpływ chropowatości powierzchni obrobionej stopu Inconel 718 na wytrzymałość zmęczeniową [53]
2.2.2. Zmiany właściwości mikrostruktury warstwy wierzchniej po skrawaniu Stop Inconel 718 jest uznawany za trudno obrabialny, m.in. ze względu na umocnienie warstwy wierzchniej po obróbce [32, 75, 78]. Stanowi to problem w przypadku operacji wielozabiegowych, w których ostrze skrawa w materiale umocnionym w wyniku wcześniejszego przejścia obróbkowego.
Zjawisko to związane jest ze zmianą twardości i może być obserwowane nawet na głębokości 0,5 mm [138]. Dodatkowo, stan po obróbce cieplnej stopu Inconel 718, zasadniczo wpływa na efektywność procesu skrawania. Wykazano, że wzrost udziału objętościowego fazy γ’ pogarsza skrawalność [27].
Większy udział objętościowy fazy γ’ obserwuje się dla stopu po starzeniu i utwardzeniu wydzielenio- wym, który można uznać za gorzej skrawalny niż stop 718 po innych odmianach obróbki cieplnej [29, 31, 138].
Istotę problemu opisano w pracy [156]. Umocnienie warstwy skrawanej, jak i samego wióra, po- wstaje w wyniku odkształcenia plastycznego w obszarze oddziaływania ostrza na materiał. Umocnie-
liczba cykli [Nf]
chropowatość Ra [µm]
104 105 vc = 50 m/min
vc = 60 m/min
vc = 70 m/min vc = 80 m/min
0,5
0,4
0,3
0,2
a) b)
18
nie materiału, zależne jest od prędkości skrawania i może być związane z przyrostem HV0,1 o ponad 260 jednostek, w porównaniu do materiału rodzimego (rys. 2.12). Większa prędkość skrawania, wiąże się z generowaniem większych umocnień. Jak zauważono w pracy [156], poniżej płaszczyzny pośli- zgu, materiał niezeskrawany ulega również znacznemu utwardzeniu, również w wyniku odkształcenia plastycznego generowanego przez ostrze.
Rys. 2.12. Rozkład mikrotwardości w płaszczyźnie formowania się wióra podczas toczenia stopu Inconel 718 z różnymi prędkościami skrawania [156]
Oddziałujące na materiał ostrze przyczynia się do wzrostu dyslokacji i powstawania defektów w sieci krystalicznej stopu (rys. 2.13). Deformacja ziarna, w wyniku oddziaływania ostrza skrawają- cego została zbadana między innymi w pracach [34, 123, 124]. Wykazano, że deformacja sieci jest tożsama z kierunkiem wektora prędkości posuwowej. Wzrost prędkości posuwowej powoduje większe przyrosty dyslokacji ziarna i umocnienie WW [113]. Zmiany w postaci umocnienia po toczeniu, ob- serwuje się do głębokości 50 µm i wynoszą około 120% twardości HV0,1 w porównaniu do materiału niepoddanego skrawaniu (rys. 2.12).
Rys. 2.13. Deformacja struktury warstwy wierzchniej stopu Inconel 718 po toczeniu ostrzem a) nowym, b) VBc ≈ 0,25 mm; vc = 40 m/min, ap = 0,25 mm, f = 0,36 mm/obr, rε = 2 mm [124]
W pracy [113] autorzy poruszyli również szczegółowo zjawisko umocnienia w wyniku działania ostrza skrawającego. Najistotniejszym wnioskiem tej pracy, jest fakt, że wraz ze wzrostem prędkości skrawania, głębokość umocnienia strefy przypowierzchniowej maleje, ale stopień umocnienia WW rośnie (rys. 2.14a). Zaobserwowano ponadto, że dla mniejszych wartości analizowanego zakresu po- suwu f, stopień utwardzenia warstwy wierzchniej jest większy niż dla jego większych zakresów.
odległość [µm]
700
600
500
400
mikrotwardość HV0,1
zbliżenie 200 x
A B
wiór przedmiot
płaszczyzna poślizgu
vc = 60 m/mim vc = 50 m/min
vc = 40 m/min
300 200 100 0 -50 -150
zdeformowana struktura ziarna
a) vf b) vf
19
Wpływ prędkości skrawania na przyrost twardości powierzchni przedstawiono m.in. w [112]
w obecności CCS [34]. Rzadko jednak, tak jak we wcześniej przywołanych pracach, poruszana jest kwestia umocnienia stopu Inconel 718 po różnych obróbkach cieplnych. Pomija się w ten sposób kwe- stię początkową kształtu ziarna w warstwie obrabianej, czy też jego rozdrobnienia, powstałego w wy- niku oddziaływania ostrza. W związku z czym trudnym do wyjaśnienia jest rzeczywisty przyrost twardości w WW.
a) b)
Rys. 2.14. Zmiany twardości warstwy wierzchniej dla a) różnych prędkości skrawania oraz b) wartości posuwu podczas toczenia stopu Inconel 718 (44 HRC) ostrzami z węglika spiekanego [113]
Nie bez znaczenia pozostaje stan ostrza skrawającego na zjawisko umocnienia (rys 2.15). Zmiana geometrii ostrza zwłaszcza w zakresie promienia zaokrąglenia krawędzi skrawającej, wiąże się ze zmianą rozkładu naprężeń w strefie skrawania [130]. Efekt umocnienia w wyniku pracy ostrzem zuży- tym podczas toczenia stopu Inconel 718, jest opisany m.in. w pracy [123]. Autorzy pracy dowiedli, że zastosowanie ostrza o wyraźnym stanie zużycia, może podnieść wartość odkształceń wywołanych jego oddziaływaniem na materiał nawet trzykrotnie. Jest to szczególnie istotne w ujęciu obróbki dokładnej.
Taki rozrzut zmian występujących w WW, jest niekorzystny ze względów na kryteria technologiczne.
Największe różnice stwierdzono w przypadku skrawania z wyższymi wartościami vc, co jest związane ze wzrostem temperatury w strefie skrawania i wpływem na TWW.
Rys. 2.15. Zmiana głębokości umocnienia warstwy skrawanej dla różnych prędkości skrawania, posuwu, mate- riału ostrza oraz jego zużycia podczas toczenia stopu Inconel 718 [123]
stopień utwardzenia [%]
vc [m/min]
50 70 90 d = 20 µm d = 30 µm d = 40 µm d = 50 µm 130
120
110
100
stopień utwardzenia [%]
f [mm/obr]
0,2 0,3 0,4 d = 20 µm d = 30 µm d = 40 µm d = 50 µm 130
120
110
100
f [mm/obr] 0,15 0,25 0,15 0,25 0,15 0,25 0,15 0,25 vc [m/min] 40 80 120 40
głębokość deformacji [µm] 35
25
15
5
nowe narzędzie zużyte narzędzie
γo = 9º, αo= 6º γo = 7º, αo= 6º
20
2.2.3. Naprężenia technologicznej warstwy wierzchniej po różnych sposobach i odmianach skrawania stopu Inconel 718
W warstwie wierzchniej obrabianego materiału, w wyniku procesu formowania się wióra, po- wstają naprężenia resztkowe, które są efektem termicznego i mechanicznego oddziaływania ostrza na materiał obrabiany [49, 59]. Wartość tych naprężeń w rozpatrywanym kierunku, zależy od parame- trów technologicznych jak i warunków obróbki. Wiedza na temat zależności tych parametrów jest kluczowa w procesie oceny właściwości eksploatacyjnych kształtowanego elementu [25, 90, 149].
W pracach [34, 92, 124] wykazano, że podczas konwencjonalnego toczenia stopu Inconel 718 przy powierzchni obrobionego materiału, obserwuje się naprężenia rozciągające, następnie do głębo- kości określonej, wykazuje się naprężenia ściskające. Wartości tych naprężeń są różne, w zależności od zastosowanych parametrów skrawania i geometrii ostrza (rys. 2.16)
a) b)
Rys. 2.16. Wartość naprężeń w głąb powierzchni materiału w kierunku a) prostopadłym oraz b) równoległym do kierunku do obciążenia pierwotnego podczas toczenia stopu Inconel 718 [92]
Autorzy pracy [34] wykazali, że zastosowanie chłodziwa zmniejsza głębokość zmian naprężeń WW powierzchniowej w stosunku do obróbki na sucho. Podczas toczenia wykończeniowego stopu Inconelu 718 zaobserwowano, że głębokość wpływu oddziaływania ostrza na wartości naprężeń może różnić się o 0,15 mm w przedziale prędkości skrawania vc = 40÷80 m/min. Efekt ten jest związany z mniejszą deformacją warstwy skrawanej, wyrażonej np. współczynnikiem spęczenia wióra. Analizę różnych strategii chłodzenia na zmianę współczynnika spęczenia wióra, przedstawiono w pracy [61].
Zastosowanie chłodzenia parami wody lub chłodzenia gazowego, zmniejszającego odkształcenie wy- rażone spęczeniem wióra blisko dwukrotnie.
Na wartości i kierunek napreżeń, powstających w warstwie wierzchniej, wpływa również kąt po- chylenia freza względem powierzchni obrabianej. W pracy [5] przeanalizowano ten aspekt i wykaza- no, że w przypadku obróbki, dla której kąt pochylenia narzędzia względem kierunku ruchu jest mniej- szy niż 90º obserwuje się naprężenia rozciągające, podobnie jak dla prostopadłego ustawienia narzę- dzia do płaszczyzny obróbki. Naprężenia ściskające odnotowano dla frezowania z kątem pochylenia narzędzia równym 135º. Dla tej odmiany kinematycznej procesu [5], przebiegi rozkładu naprężeń przyjmują podobny rozkład jak w pracy [92]. Wartości napreżeń o wartości dodatniej, na pewnej głę- bokości od powierzchni materiału, przyjmują wartości ujemne, aby ostatecznej zaniknąć na określonej głębokości. Jest to stan naprężeń nie związanych ze skrawaniem.
Zmiany zachodzące w warstwie wierzchniej, związane są z szeregiem zjawisk dotyczących wła- ściwości materiału obrabianego, parametrów technologicznych skrawania jak i geometrii narzędzia.
Jednym z czynników, wpływających na dokładność wymiarowo kształtową skrawanego materiału jest 0 50 100 150 200
odległość od powierzchni [µm]
1200
800 400
0 -200 -600
Inconel 718 vc = 70 m/min
ap = 0,5 mm f = 0,2 mm/obr
σ [MPa]
Narzędzie:
niepokrywane
pokrywane
0 50 100 150 200 odległość od powierzchni [µm]
1200
800 400
0 -200 -600
Inconel 718 vc = 70 m/min
ap = 0,5 mm f = 0,2 mm/obr
σ// [MPa]
Narzędzie:
niepokrywane
pokrywane
21
warstwa hs ulegająca sprężystemu odkształceniu i związana z tzw. sprężystym powrotem warstwy skrawanej. Wykazano, że wartość hs zależy nie tylko od minimalnej grubości skrawnej hmin, ale także od geometrii narzędzia (rn, γ0, rε), parametrów skrawania (vc, ap) czy też właściwości fizyko- chemicznych obrabianego materiału [58]. Poruszenie tematu sprężystego powrotu materiału w trakcie obróbki jest zasadne ze względu na obserwowane efekty technologiczne skrawania stopu Inconel 718 (tzw. anomalie powierzchni obrobionej [65]).
2.3. Biała warstwa w technologii budowy maszyn
Szczególne miejsce w ocenie powierzchni obrobionej zajmuje pojęcie białej warstwy (ang. white layer). Warstwa ta, ze względu na swoje właściwości stanowi często krytyczny fragment TWW, który wpływa na właściwości eksploatacyjne części maszyn. Jak to zostanie wykazane w dalszej części tej rozprawy, na podstawie przytoczonej literatury, można założyć, że w wielu przypadkach ujawnienie się białej warstwy, związane jest z procesem i techniką trawienia próbki. W związku z czym, może ona nie przyjmować typowej postaci „białej strefy” (rys. 2.17), niemniej jednak jej pewne cechy eks- ploatacyjne, występujące po procesie ubytkowego kształtowania są charakterystyczne dla podobnych warstw, obserwowanych w innych stopach niż Inconel 718.
Rys. 2.17. Biała warstwa po toczeniu sekcyjnym z nagrzewaniem laserowym stali WNL [10]
Pierwsze doniesienia o tej części warstwy wierzchniej zaobserwowano już roku 1911 [93], a jej definicji podjął się dopiero w 1987 B. J. Griffiths w pracy [44], stwierdzając, że jest to warstwa twarda i odporna na trawienie (rys. 2.17). Uzupełniona definicja, przywołana w pracach [93] czy też [9], określa że warstwa tego materiału powinna charakteryzować się dużą twardością (ponad 1000HV) oraz kruchością. Powstającą w wyniku szybkiego nagrzewnia się do wysokich temperatur, której to- warzyszy bardzo silne odkształcenie (zdefektowane) struktury krystalicznej, a następne natychmia- stowe oziębienie do temperatury otoczenia.
Wyróżnia się trzy mechanizmy powstawania białej warstwy zaobserwowane w obszarze eksploa- tacji i budowy maszyn niezależnie od rodzaju analizowanego materiału konstrukcyjnego [15, 44, 93].
Pierwszy, związany jest z częściami, poddawanymi szczególnemu oddziaływaniu środowiskowemu w miejscu pracy. Biała warstwa pojawia się po usunięciu części z środowiska oddziwływującego.
Przykładami mogą tutaj być tory kolejowe, stalowe liny mostów, pierścienie tłoków. Kolejnym obsza- rem jest sposób kształtowania danego elementu i dotyczy zarówno obróbki mechanicznej, a w szcze- gólności: wiercenia, toczenia, frezowania, szlifowania czy też obróbki elektroerozyjnej jak elektroero- zyjne cięcie drutem. Trzeci obszar, w którym obserwuje się występowanie białej warstwy, to próby eksploatacyjne części maszyn, takie jak próby typu trzpień-dysk. Przyjmuje się, że grubość jednorod- nej, białej warstwy wynosi ok. 10 µm i jest ściśle uzależniona od składu chemicznego i właściwości
biała warstwa
22
fizycznych materiału. Obserwacje tak definiowanej białej strefy odnotowuje się również podczas kształtowania stopu Inconel 718.
Pierwsze doniesienia, dotyczące kształtowania się białej warstwy w procesie laserowego wspoma- gania skrawania podczas obróbki stali stopowych, zaobserwowali Barbacki i Kawalec m.in. w pracy [10]. W wyniku przeprowadzonych badań, autorzy stwierdzili, że obróbka hybrydowa pozwala na praktyczne wyeliminowanie z warstwy wierzchniej niekorzystnej strefy białej (rys. 2.17). Równo- cześnie obróbka taka zapewnia mniejszą chropowatość powierzchni niż w przypadku hartowania lase- rowego i następującego po nim toczenia (obróbka sekwencyjna). Obróbka sekwencyjna powoduje pojawienie się niekorzystnej warstwy białej o grubości 5-10 μm, zależnej od głębokości i prędkości skrawania, która wykazuje skłonność do pękania i delaminacji. Natomiast proponowane przez auto- rów jednoczesne hartowanie laserowe i toczenie, pozwala uzyskać mniejsze wartości parametrów amplitudowych chropowatości niż w procesie sekwencyjnym. W próbkach obrabianych hybrydowo biała warstwa pojawia się sporadycznie, a jej grubość nie przekracza 5 μm, natomiast można zaobser- wować pojawienie się strefy z igieł martenzytu, odkształconych w kierunku równoległym do po- wierzchni.
Biała warstwa ukształtowana w procesie obróbki mechanicznej stopu Inconel 718 po utwardzeniu wydzieleniowym to przede wszystkim, nanokrystaliczne ziarna o wielkości od 50-100 nm (rys. 2.18), które przed obróbką wynosiły około 23 µm. Występują również obszary nierównomierności po- wierzchni z licznymi dyslokacjami, z zaobserwowanymi ziarnami o wielkości ok. 200 nm. Wskazano, że w białej warstwie występuje głównie umocniona faza γ. Ujawnia się również faza γ’ Ni3(Al, Ti) oraz δ typu Ni3Nb [19]. Analiza próbek poddanych obróbce wykazała, że obszar podpowierzchniowy składa się z trzech lub czterech stref, o różnym natężeniu deformacji i cech mikroskopowych: warstwa biała o cechach niedających się odróżnić za pomocą mikroskopu świetlnego lub skaningowej mikro- skopii elektronowej (rys. 2.18), duża strefa odkształceniowa z silnie napiętymi ziarnami i nieokreślo- nymi granicami ziarna (rys. 2.18a), mała strefa odkształcania ze zdeformowanymi ziarnami, ale zdefi- niowaną granicą ziaren, materiał sypki. Ostatnie trzy strefy są nieodłączne dla wszystkich warunków procesu, w których ich intensywność wzrasta wraz ze zużyciem narzędzia, posuwem i mniejszą pręd- kością skrawania.
Rys. 2.18. Widok białej warstwy w obszarze zdeformowanym w kierunku oddziaływania a) prędkości skrawania, b) posuwu [19]
W przypadku obróbki z chłodziwem, niezależnie od pozostałych warunków, białą warstwę reje- strowano tylko w przypadku narzędzi zużytych [19]. Po skrawaniu na sucho biała warstwa nie wystę- powała dla nowego ostrza. Zwiększenie prędkości skrawania vc do wartości 300 i 400 m/min, przy
23
ostrzach bez widocznego zużycia, po I okresie zużycia prowadzi do tworzenia się białej warstwy, aż do momentu całkowitego stępienia. Stwierdzono, że warstwa biała ma silnie nieregularną grubość.
W przypadku częściowo zużytych narzędzi jej postać przyjmowała charakter odkształcenia związane- go z bocznym płynięciem materiału. Ostrza skrawające, o wyraźnym stopniu zużycia generują war- stwę białą, jako efekt bocznego płynięcia materiału (rys. 2.18). W przypadku ciągłego charakteru bia- łej warstwy stwierdzono zmienność jej grubości w zakresie 2÷5 μm dla obszaru bez bocznego płynię- cia materiału, do 20÷30 μm dla obszaru intensywnego przepływu bocznego [19].
Biała warstwa w stopie Inconel 718 nie zmienia swojego składu chemicznego oraz fazowego w stosunku do rdzenia, jak to ma miejsce w przypadku oddziaływania eksploatacyjnego stali. W publi- kacjach związanych z kształtowaniem ubytkowym występowanie białej warstwy w stali, związane było z pojawianiem się nanokrystalicznego martenzytu na austenitycznym rdzeniu elementu [93].
Mechanizm powstawania białej warstwy w procesie skrawania związany jest z pojawianiem się wysokich temperatur, odkształcenia plastycznego warstwy skrawanej oraz reakcji chemicznych [15], które oddziaływają z warstwą wierzchnią w trzech obszarach (rys. 2.19). Obszar I reprezentuje frag- ment materiału poddanego odkształceniu sprężystemu oraz plastycznemu. W strefie II występuje do- datkowo kontakt powierzchni przyłożenia ostrza z powierzchnią obrabianą. Zwiększająca się po- wierzchnia tarcia w wyniku postępującego zużycia ostrza, przyczynia się do dodatkowego generowa- nia ciepła. Pojawia się oddziaływanie chemiczne między materiałem ostrza i elementem obrabianym.
Po przejściu ostrza w strefie III, następują zjawiska związane np. z relaksacją i zdrowieniem statycz- nym. Podobne mechanizmy występują w TWW po każdym procesie skrawania. Odkształcony pla- stycznie materiał powraca do stanu równowagi, poprzez stopniowy zanik naprężeń (zdrowienie sta- tyczne) i postępujące zmiany mikrostruktury (rekrystalizacja) [49].
Rys. 2.19. Obszary występowania naprężeń wpływających na powstanie białej warstwy (opracowanie własne) Podstawowy wniosek, wynikający z rysunku 2.19, jest następujący: w procesie skrawania wystę- pują trzy zjawiska na styku ostrza z materiałem w warunkach sprzyjających powstawaniu białej war- stwy, jakimi są [44]:
a) występowanie mechanizmu plastycznego płynięcia powodujące powstanie jednorodnej war- stwy z drobnymi ziarnami;
b) zjawisko gwałtownego nagrzewania i chłodzenia WW;
c) występowanie oddziaływania chemicznego warstwy wierzchniej ze środowiskiem.
Autorzy pracy [44] stwierdzają jednoznacznie, że biała warstwa będzie występowała w procesie skrawania zawsze, a dla szczególnej grupy stopów, podatnych na zmianę struktury fazowej WW w wyniku oddziaływania temperatury i/lub obciążenia, jest szczególnie zauważalna ze względu na problemy związane z trawieniem próbek.
24
W pracy [77] w mikrostrukturze WW po obróbce elektroerozyjnej biała warstwa to nadtopiona część materiału (rys. 2.20). W procesie obserwuje się pojawienie się cieczy o małej grubości, która ze względu na swoje wymiary w porównaniu do reszty WW, stygnie z dużą prędkością. Warstwa ta jest niekrystaliczna. Jak słusznie zauważyli autorzy pracy [93] „część definicji białej warstwy, która okre- śla jej cechy morfologiczne musi znajdować się stwierdzenie o jej przynajmniej częściowym amor- ficznym (bezpostaciowym) charakterze”. Właściwości i sam mechanizm powstawania tej warstwy, są inne niż warstwy powstałej w wyniku skrawania. Niemniej jednak, obie nazywa się mianem białej ze względu na problemy związane z trawieniem próbek i kolorem tej strefy podczas obserwacji mikro- skopem optycznym.
W stopie Inconel 718 biała warstwa powstała w wyniki obróbki elektroerozyjnej jest bardzo po- rowata i ulega delaminacji (rys. 2.20). Jej twardość jest nawet dwukrotnie mniejsza niż materiału rdzenia [77, 134], co nie jest zgodne z wcześniej sformułowaną definicją i fragmentem dotyczącym twardości białej warstwy zaproponowanej w pracy [44].
Badania autorów [24] wyraźnie pokazują, że białą warstwę można utworzyć podczas ciągnienia Inconelu 718, gdzie pojawiają się adiabatyczne pasma ścinania, nawet w przypadku zastosowania obniżającego temperaturę skrawania chłodziwa. Obróbkę przeprowadzono przy względnie niskiej prędkości odkształcania, gdzie prędkość procesu wynosi zaledwie 3 m/min. W obszarze ciągnienia Inconelu, czyli właśnie w powstałej w efekcie deformacji strefy WW, generują się adiabatyczne pa- sma ścinania. Zjawisko to, wykazuje cechy przemiany adiabatycznej, ponieważ energia odkształcenia dynamicznego, generowana w pasmach ścinania, zostaje w całości zużyta na przemiany strukturalne i fazowe w tych obszarach. Należy pamiętać o tym, że odkształceniowe adiabatyczne pasma ścinania powstają wyłącznie w wyniku silnej lokalnej deformacji struktury wyjściowej.
Rys. 2.20. Widok zgładu stopu Inconel 718 po cięciu elektroerozyjnym dla różnych parametrów cięcia [77]
25
Nie odnaleziono w ogólnodostępnych źródłach publikacji naukowych doniesień, świadczących o występowaniu białej warstwy w procesie laserowego wspomagania skrawania nadstopu Inconel 718.
Powstanie białej warstwy, w przypadku obróbki wielu gatunków stali jest nieuniknione. Celem współczesnych badań jest poszukiwanie parametrów i warunków skrawania umożlwiających ich prak- tyczny dobór w celu uzyskania założonej grubości białej warstwy o znanym charakterze. Stan wiedzy dotyczycący powstawania tej charakterystycznej strefy w stopach na osnowie niklu, jest niewystarcza- jący. W szczególności jeżeli rozpatruje się zakres występowania podczas toczenia stopu Inconel 718 po różnych obróbkach cieplnych.
2.4. Materiały narzędziowe w obróbce skrawaniem stopu Inconel 718
Skrawalność Inconelu 718 jest niska ze względu na dwa obszary technologiczne, sprawiające, że obróbka skrawaniem tego stopu jest nieefektywna. Pierwszym jest jakość powierzchni obrobionej, wyrażona uzyskiwanymi parametrami chropowatości oraz niezadawalającą trwałością ostrza [38].
Z obecnie stosowanych grup materiałowych w obróbce skrawaniem nadstopów niklu oraz innych materiałów HRSA (ang. heat resistant super alloys), najczęściej stosowanymi materiałami są różnego rodzaju pokrywane węgliki spiekane [65, 137], ceramika narzędziowa [31, 158] oraz regularny azotek boru [157, 159]. W tabeli 2.3. przedstawiono zakresy parametrów technologicznych oraz geometrii ostrza dla obróbki zgrubnej, oferowanych przez rożnych dostawców narzędzi. W tabeli 2.4. natomiast, zawarto materiały zalecane do obróbki dokładnej stopów HRSA. Producenci narzędzi sugerują zasto- sowanie głównie węglików spiekanych z różnymi powłokami. Zakres prędkości skrawania jest niższy niż w przypadku materiałów, takich jak stal czy stopy aluminium [143, 150, 152]. Ze względu na umocnienie warstwy wierzchniej podczas obróbki zgrubnej, zaleca się stosowanie zmiennej głęboko- ści skrawania w zakresie pracy łamacza wióra [138, 156, 157]. W zakresie obróbki dokładnej, można stosować ceramiczne materiały narzędziowe, nawet z dodatkowymi powłokami np. TiCN.
Tabela 2.3. Zestawienie przykładowych ostrzy i parametrów technologicznych skrawania dla toczenia zgrubnego wg. różnych producentów (opracowanie własne)
Producent Materiał narzędziowy Geometria płytki ISO vc
[m/min]
f [mm/obr]
ap
[mm]
Mitsubishi Materials
WC,
WC+Al-(Al,Ti)N [PVD]
CNMG, DNMG, SNMG, TNMG, VNMG, WNMG
α0 = 0°
20 – 75 0,20 – 0,35 1,0 – 4,0
SECO drobnoziarnisty WC
TNMG; VCGR;
WNMG α0 = 0°
35 – 55 0,10 – 0,45 1,5 – 5,0
Greenleaf
WC+TiCN+Al2O3+TiN [CVD]
ultradrobnoziarnisty WC
CNMA; DNMG;
RNGN α0 = 0°
18 – 50 0,25 – 0,76 1,0 – 7,0
Kennametal drobnoziarnisty WC+AlTiN [PVD]
CNMG, DNMG, SNMG, TNMG, VNMG, WNMG
α0 = 0°
60 – 120 0,25 – 0,76 1,0 – 5,0
Postęp w obszarze materiałów narzędziowych nie przyczynił się do poprawy skrawności ostrzy.
Głównym mechanizmem zużycia ostrzy jest adhezja, dyfuzja i zużycie ścierne [33, 78, 81, 100, 128, 141, 154, 157, 158], w zależności od warunków obróbki oraz materiału narzędziowego. Jednym z nowych trendów w obszarze zastosowania materiałów narzędziowych do toczenia stopu Inconel 718 są próby związane z regularnym azotkiem boru, nawet w zakresie HSM [4, 15, 32, 67, 128, 141].
26
Mechanizm zużycia ostrzy węglikowych został szczegółowo opracowany w pracy [78]. Jako podstawowe zjawiska towarzyszące utracie właściwości skrawnych, wskazano dyfuzję oraz adhezję oddziaływujących osobno i/lub równocześnie.
Tabela 2.4. Zestawienie przykładowych ostrzy i parametrów technologicznych skrawania dla toczenia dokładnego wg. różnych producentów (opracowanie własne)
Producent Materiał narzędziowy Geometria płytki ISO vc
[m/min]
f [mm/obr]
ap
[mm]
Mitsubishi Materials
WC+(Al,Ti)N [PVD] CCGT; DCGT; TCGT, VBGT; WBMT
α0 = 7°
20 – 45 0,04 – 0,12 0,2 – 1,5
SECCO
WC+(Al,Ti)N+TiN [PVD]
CNGG; CNMG;
DCMT; DNGM;
RCGS; SCMT; SNMG α0 = 7°–15°
20 – 35 0,20 – 0,60 0,2 – 1,5
Greenleaf Al2O3+SiC
TNGN; SPGN, RNGN; CNGN;
α0 = 0°–7°
150 – 1200 0,05 – 0,30 0,5 – 3,5
Kennametal SiAlON+TiCN [CVD]
SPGN, RNGN;
CNGN;
α0 = 0°–7°
130 – 240 0,03 – 0,35 0,3 – 3,5
Zastosowanie nowych powłok adhezyjnych na ostrzach z węglików skutkuje poprawą trwałości, jednak nie w stopniu zadawalającym, co zostało między innymi opisane w pracach [100, 135, 136, 154]. Powłoka ostrza skrawającego w trakcie procesu poddana jest silnym naciskom jednostkowym oraz wysokim temperaturom. Pokrycie ostrza odrywa się od podłoża i ostrze ulega dalszemu zużyciu zgodnie z mechanizmem opisanym w pracy [78]. Na rysunku 2.21. przedstawiono widok ostrza z wę- glika spiekanego z narostami Inconel 718.
Rys. 2.21. Obrazy SEM pstrzą z węglika spiekanego z powłoką TiAlN po toczeniu stopu Inconel 718;
vc = 60 m/min, ap = 0,6 mm, f = 0,12 mm/obr [154]
Trendem coraz bardziej zauważalnym w zakresie wysokowydajnego kształtowania ubytkowego, wielu materiałów konstrukcyjnych, jest obróbka HSM (ang. high speed machining) [143, 150, 152].
Wartości i zakresy prędkości vc nie są takie, jak w przypadku innych materiałów konstrukcyjnych jak stal czy stopy aluminium [61, 143]. Podobne tendencje rozwojowe, związane ze zwiększaniem zakre- su stosowanych prędkości skrawania, obserwuje się również w obróbce stopu Inconel 718 [5, 38, 84, 90, 159].
Najczęściej stosowanymi materiałami narzędziowymi w obróbce HSM stopu 718, są różne ga- tunki regularnego azotku boru oraz ceramiki narzędziowej, głównie mieszanej lub wzmacnianej wiskerami SiC [97]. Dla wspominanych materiałów narzędziowych, dominującą formą zużycia
a) b)
27
w wysokim zakresie vc, jest cykliczne zużycie adhezyjne, zarówno na powierzchni przyłożenia, jak i natarcia (rys. 2.22 oraz 2.23). Ze względu na umocnioną naciskiem ostrza warstwę skrawaną, w składzie której dodatkowo znajdują się twarde węgliki niobu, nikiel oraz żelazo, występuje zużycie dyfuzyjne oraz zużycie ścierne o rosnącej intensywności [32]. Przyczynia się to powstawania zużycia wrębowego w postaci przedstawionej na rysunku 2.22. Postępujące zużycie adhezyjne, przyczynia się do osłabienia krawędzi skrawającej i powstawania wykruszeń (rys. 2.23). Wykazano, że optymalna ze względu na trwałość zawartość CBN w składzie ostrza powinna oscylować pomiędzy 45% a 60%, a zastosowana prędkość skrawania dobrana powinna być z zakresu 250÷300 m/min [32].
Rys. 2.22. Zdjęcia mikroskopowe postępującej formy zużycia ostrza z ceramiki Al2O3 wzmacnianej wiskerami SiC podczas toczenia stopu Inconel 718 [158]
a) b)
Rys. 2.23. Obrazy SEM z typowymi postaciami mechanizmów zużycia ostrza skrawającego podczas toczenia stopu Inconel 718 ostrzami CBN [67]
2.4.1. Materiały narzędziowe stosowane w LAM
W rozdziale 2.4.1. opisano efekty i przedziały zastosowania różnych materiałów narzędziowych w laserowo wspomaganym toczeniu stopów niklu, w tym nie tylko efektów prac badawczych, ale i zaleceń różnych producentów narzędziowych. Na podstawie przeprowadzonego przeglądu litera- tury, nie odnaleziono szczegółowych informacji o zaleceniach w zakresie materiałów narzędziowych, stosowanych w LAM. W tabeli 2.5 zestawiono wyniki wybranych prac badawczych pod względem stosowanych ostrzy z węglików spiekanych, a w tabeli 2.6 z ceramiki narzędziowej w laserowo wspomaganym toczeniu.
a) VBc = 0,52 mm b) VBc = 1,03 mm c) VBc = 1,55 mm
narost karb
wykruszenie
wykruszenia
narost (BUE) starcie
narost
