SE521289C2 - Bearbetning av metalmatriskompositmaterial (MMC) medelst höghastighetsbearbetning (HSM) - Google Patents

Description

25 30 521 28% 892SEprio = . . . , _ w» v.. som aluminium, titan eller kolfiberkomposit i stället för stål för den nämnda typen av komponenter.

Ett annat intressant användningsområde för MMC produkter är bromsskivor till personbilarbilar. lastbilar och tåg.

En betydande nackdel vid användning av MMC-material är att materialet har varit mycket svårt att bearbeta. För att utforma en komponent utförd i MMC-material används vanligen metoder som gjutning av komponenten i en form som nära ansluter till den färdiga komponentens form.

En annan metod är att nyttja ett smitt ämne eller att använda en bit av en strängpressad stång, varvid gnistbearbetning av ytan och konventionell skärande bearbetning kan användas för att nå den slutliga formen hos komponenten. Försök har gjorts att producera, som exempel, vevstakar till motorcyklar medelst sådana konventionella tillverknings- och bearbetningsmetoder. Härvid har syftet uppnåtts att åstadkomma den önskade komponenten och dess önskade egenskaper, som lägre vikt, vilket vid användning av vevstaken i en motor har resulterat i bl a en varvvilligare motor och med minskade vibarationer som följd. Problemet är dock att kostnaden för den konventionella tillverkningen av motordetaljen är mycket hög, vilket gör att användningen inskränks till områden där kostnaden har mindre betydelse.

Ett flertal patentskrifter dokumenterar olika metoder för att slutligt utforma komponenter som bygger på MMC-material. Som exempel på en sådan skrift kan här nämnas US 5 765 667 , där en metod redovisas för tillverkning av en komponent, i detta fall en bromsskiva, genom gjutnin g till ett format som så nära som möjligt ansluter till den färdiga komponentens form, för att som tydligt redovisas, så långt som möjligt undvika behovet av maskinell skärande bearbetning. Det är för fackmannen naturligt att undvika behovet av skärande bearbetning, eftersom MMC- materialet som när det utgörs av en aluminiumbas och förstärkning i form av kiselkarbidpartiklar innehåller just det ämne som vanligen används för att slipa skärande verktyg. De i MMC- materialet inbäddade partiklama av kiselkarbid har en förödande inverkan på skärverktygen vid bearbetning med konventionell skärande bearbetning, då skärverktygens eggar snabbt slits ner av de slipande partiklarna i kompositmaterialet.

Uppfinningen redovisar en överraskande lösning på det nämnda problemet. 10 15 20 25 30 892SEprio 5 2 1 2 8 9 I . v - . 1 BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN En aspekt av uppfinningen baseras på en metod att bearbeta ett ämne av ett MMC-material medelst vad vi här kallar höghastighetsbearbetning (förkortas HSM ur eng. High Speed Machining), varigenom en komponent kan ges sin slutliga form direkt ur ämnet genom nämnda bearbetningsmetod. Ämnet kan vara smitt, gjutet, utgöras av en bit av en strängpressad stång eller ett råämne producerat på annat sätt.

Höghastighetsbearbetning kännetecknas av att det skärande verktyget ges mycket höga hastigheter relativt det bearbetade ämnet jämfört med vad som är fallet vid konventionell teknik.

De skärande verktygen som är aktuella i sammanhanget är företrädesvis fräsverktyg och borrar.

I denna skrift använder vi begreppet höghastighetsbearbetning (HSM) för en process, som skiljer sig från konventionella bearbetningsmetoder. Det förekommer att begreppet används även för att beteckna konventionell bearbetning, där nya metoder framkommer som pressar gränsema för konventionella bearbetningsdata uppåt. Detta är inte vad som avses här HSM-bearbetnin g karakteriseras av - mycket höga skärhastigheter - hög skjuvtöjningshastighet (förmågan att skilja en spåna från ämnet), - en mycket hög effekttäthet skapas framför skäret (typvärde: MW lmm3), - vid spånbildningsprocessen råder lokalt vid skärstället en mycket hög temperatur, - spånan flyter utan kontakt med skäret, - skärkrafterna går asymptotiskt mot noll.

Som exempel på de höga skärhastigheterna vid bearbetning av några ämnen kan nämnas för - aluminium ca 3000 m/min (konventionellt ca 100 - 400 rn/min), -titan ca 15000 m/min (konventionellt ca 15 - 100 m/mjn).

Att finna rätt skärhastighet är alltså helt beroende av vilket material som ska bearbetas för att de ovan uppräknade tillstånden som karakteriserar HSM ska rlppträda. Vid trtprovning -ör att finna optimal skärhastighet för HSM-bearbetnin g av ett nytt material kan man studera skärkrafterna.

Dessa går asymptotiskt mot noll, när kriterierna för HSM-bearbetningstillståndet uppnås. HSM- 10 15 20 25 30 521 289 892SEprio 1 , . « . i tillstånd kan alltså sägas råda, när skärkraftema är i avtagande. Vid nämnda tillstånd gäller härvid att finna en optimal skärhastighet för det bearbetade ämnet. Vid konventionell bearbetning stiger skärkraftema med ökande skärhastigheter.

En ytterligare fördel vid användning av HSM-bearbetning är att spånan tar upp allra största delen av den vid skärstället utvecklade värmen, i typfallet ca 80 %, varvid ett arbetstycke lämnas i stort sett opåverkat av den vid bearbetningen utvecklade värmen.

Det har visat sig att höghastighetsbearbetning ger oväntat goda resultat vid användning på MMC- material. Trots det höga inslaget av slipande partiklar i materialet visar det sig att skän/erkty gen behåller sin skärpa under lång tid, som om de vore opåverkade av de förekommande slipämnena i MMC-materialet. Vad som förorsakar detta är inte helt klarlagt, då de inre förloppen, dvs vad som egentligen händer med materialet vid skärstället i fallet med MMC-material, under bearbetningen inte är helt kända. En teori är att en spåna som skärs från materialet i viss utsträckning bringas till flytande tillstånd i ett litet område omedelbart framför skärverktygets egg och att de i materialet inbäddade slippartiklamai form av exempelvis kiselkarbid, borkarbid eller alumimiumoxid förs bort i den utbildade smältan utan att därvid komma i direktkontakt med skäret. Detta skulle vara en förklaring till varför skärverktygen behåller sin skärpa, tvärtemot vad som är fallet vid konventionell skärande bearbetning.

Prov för att medelst HSM-bearbetning av MMC-material tillverka en vevstake har utförts.

Resultaten har varit utomordentligt goda. Vid rätt inställning av maskinema med avseende på spindelvarvtal, skärhastighet, matning av skärverktygen, mm har bearbetningsresultaten varit goda. Som exempel kan nämnas att kostnaden för att slutligt utforma en prototyp av en vevstake utförd i MMC-material dels med konventionella metoder, dels med höghastighetsbearbetning har reducerat kostaden för framställning med över 40 gånger. Vid serieproduktion av MMC- komponenter enligt uppfinningen är det möjligt att kostnadema kan reduceras ytterligare. 10 15 20 25 30 521 289 892SEprio t. a.

FIGURBES KRIVNING Figur 1 visar ett exempel på ett prov, där ett MMC-ämne formats medelst höghastighetsbearbetning ur ett råämne.

Figur 2 visar ett exempel på en motordetalj, i detta fall en vevstake, framställd medelst metoden enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRANDEN Ett antal exempel på prov utförda för att utvärdera metoden enligt uppfinningen redovisas med hjälp av några figurer. Figur 1 visar en fläns 1 som framställts ur ett råänine 2 av ett MMC- material, där en fräs använts för att avlägsna allt material av råämnet runt den blivande flänsen.

Flänsen har i detta fall formen av ett L och har en slutlig tjocklek av 1 mm gods med en längd på 45 resp 15 mm för flänsens sidor. Använda värden vid bearbetningen är i exemplet: spindel- varvtal 15000 rpm, skärhastighet 565 rr1/min och matningshastighet 3000mm/min. Tidsåtgång för att skapa flänsen enligt figuren var 2,5 min. Utslitningstiden för skärverktyget uppgår till timmar.

I exemplet enligt figur l är andelen SiC i materialet 40 %.

Prov har också utförts med borrning i MMC-material med ett 40-procentigt innehåll av SiC. Ett antal hål med 6,9 mm HM-borr har upptagits, spindelvarvtalet uppgick till 15000 rpm, matnings- hastigheten till 3000 mrn/rnin. Utslitningstiden för borren vari detta fall sådan att borren håller för användning till 1000 hål.

Figur 2 visar ett exempel på en detalj till en motor, i detta fall en vevstake tillverkad direkt ur ett stångämne av MMC som bearbetats till dess slutliga form som en vevstake enligt figuren medelst höghastighetsbearbetnin g enligt uppfinningen. Kostnaden för en vevstake enligt figuren och gjord i MMC är låg, samtidigt som den har följ ande fördelar gentemot vevstakar i andra material: - Relativt stål: lägre massa - Relativt titan: lägre massa, högre styvhet - Relativt aluminium: högre styvhet, högre sträckgräns, högre utmattningshållfasthet, termisk längdutvidgningskoefficient som stålet i en anslutande vevaxel 10 15 521 289 6 892SEprio - Relativt fiberkomposit: lägre pris, isotropa egenskaper, termisk längdutvidgning som stålet i en anslutande vevaxel.

Vid bearbetning enligt den föreslagna metoden har de goda redovisade resultaten erhållits med skärverktyg av belagd hårdmetall med invändig kanalkylning samt med diamantverktyg. Vid användning av diamantverktyg är utslitningstidema för verktygen långa vid upp till 40 % karbidhalt i MMC-materialet. Vid så hög karbidhalt som 70 % i MMC-materialet erhölls forfarande goda resultat.

Metoden enligt uppfinningen är tillämpbar på alla typer av komponenter som ska utföras i ett MMC-material, där maskinell skärande bearbetning är möjlig med avseende på komponentens slutliga fomi. Metoden är alltså ej begränsad till de visade exemplen utan kan användas vid alla komponenter, där materialvalet MMC är fördelaktigt. Här kan då nämnas motordetaljer, mekaniska strukturer vid rymdfarkoster, instrumentmekanik, bromsskivor för fordon etc. Det kan här nämnas att bromsskivor i MMC är fördelaktiga genom sin låga vikt relativt stål, vilket bidrar till att minska rotationsenergin lagrad i bromsskivoma före en inbromsning, vilket har en viss betydelse för exempelvis tåg, då varje axel kan vara försedd med ett antal roterande bromsskivor av stål.

Claims (6)

10 15 20 25 30 si: 9803946-4 } PATENTKRAV

1. Metod för tillverkning av en komponent i material av metallmatriskomposit, så kallat MMC-material, som exempelvis kan utgöras av ett basmaterial av aluminium, titan eller en legering av nämnda material och åtminstone ett förstärkningsmaterial såsom kiselkarbid eller borkarbid, där förstärkningsmaterialets andel av MMC-materialet uppgår till mellan 15 % och 70 %, kännetecknad av att ett ämne utfört i nämnda material bearbetas medelst High Speed Machining, så kallad HSM-bearbetning, varvid HSM-bearbetning råder när skärkrafterna vid bearbetningen som funktion av skärhastigheten är avtagande, så att komponenten genom sagda bearbetning erhåller sin slutliga form.

2. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av att ett skärverktyg som vid ett skärställe bearbetar MMC-materialet har en hastighet relativt materialet av en sådan storleksordning att en spåna som bildas vid bearbetningen lokalt flyter vid skärstället.

3. Metod enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att de skärande verktygen företrädesvis utgörs av belagda hårdmetallskär, bornitridskär eller diamantskär.

4. Metod enligt patentkrav 1, kännetecknad av att förstärkningsbasen är en karbid.

5. Användning av metoden enligt patentkrav 1 eller 2 för framställning av MMC- komponenter för motorfordon, såsom vevaxlar och vevstakar, andra snabbrörliga maskindelar eller komponenter i optiska system.

6. Användning av metoden enligt patentkrav 1 eller 2 för framställning av MMC- komponenter för rälsbundna fordon, lastbilar och personbilar, såsom bromsskivor och ok.