Obróbka wiórowa metali w kontekście badań kosmosu
Sandvik CoromantW maju 2023 r. padł nowy rekord liczby ludzi przebywających jednocześnie w przestrzeni kosmicznej: w tym samym czasie na orbicie znajdowało się 20 osób. Jedną z wielu misji, które miały miejsce w tym roku, był lot Galactic 01 przeprowadzony przez firmę Virgin Galactic. Był to pierwszy suborbitalny komercyjny lot kosmiczny tej firmy. Z kolei firma SpaceX przygotowuje się do pierwszego komercyjnego orbitowania. Poprzez różne formy eksploracji – od turystyki kosmicznej po innowacyjne rakiety – ludzkość sięga coraz głębiej w wielką pustkę. Co jednak wiemy o narzędziach, które umożliwiają eksplorację kosmosu z perspektywy inżynieryjnej? W artykule William Durow, globalny menedżer ds. projektów inżynieryjnych dla branży lotniczej, kosmicznej i obronnej w firmie Sandvik Coromant, omawia kwestie obróbki wiórowej metali w kontekście badań kosmosu.
W ostatnich latach byliśmy świadkami wielu wydarzeń, które można nazwać wielkim skokiem dla ludzkości. Europejska Agencja Kosmiczna rozpoczęła w kwietniu 2023 roku misję JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), która do roku 2030 ma dotrzeć do układu Jowisza. Następnie przez trzy i pół roku sonda będzie obserwować trzy księżyce Jowisza. Ponadto firma SpaceX zaplanowała na ten rok około 100 startów, a wypuszczona przez NASA sonda OSIRIS-Rex powróciła niedawno na Ziemię w 2023 r. A to zaledwie niewielka część niedawno zakończonych, trwających i przyszłych projektów, które mają umożliwić nam poznanie naszej galaktyki.
Pomyślny rezultat podróży międzygwiezdnych wymaga rozważenia wielu kwestii. Drobiazgowe zaplanowanie misji, wnikliwe symulacje, zarządzanie misjami przez menedżerów o wysokich kwalifikacjach czy skuteczne planowanie awaryjne – udany lot w kosmos wymaga starannego planowania, przygotowań i wykonania. Ponadto materiały używane do eksploracji kosmosu muszą sprawdzać się w najbardziej ekstremalnych warunkach, jakie można sobie wyobrazić: próżnię, promieniowanie, cykle termiczne i uderzenia mikrometeoroidów.
Materiały o dużej wytrzymałości
Jakakolwiek konstrukcja kosmiczna wymaga uwzględnienia szeregu kwestii dotyczących materiałów, aby zapewnić jej bezpieczeństwo, skuteczność i funkcjonalność w skrajnych warunkach. Materiały muszą odznaczać się strukturą odporną na wysokie ciśnienie i naprężenia występujące podczas startu i lądowania. Ponadto pojazd kosmiczny będzie narażony na wysokie temperatury podczas powrotu w atmosferę ziemską, dlatego powłoki zewnętrzne muszą uchronić go przed spłonięciem, a inne podzespoły, takie jak dysze rakiet, również muszą być wykonane z materiałów odpornych na wysokie temperatury.
Także masa ma znaczenie, zwłaszcza w przypadku takich elementów, jak zbiorniki paliwa rakietowego, gdyż lżejszy zbiornik lepiej znosi naprężenia strukturalne i może pomóc w zwiększeniu nośności. Im większa masa własna rakiety, tym mniej może zabrać w przestrzeń kosmiczną satelitów, przyrządów badawczych i załogi. Lżejsze zbiorniki sprawiają, że większą część masy całkowitej rakiety może stanowić ładunek, co maksymalnie zwiększa potencjał misji.
Do materiałów często używanych do tego rodzaju zastosowań należą superstopy żaroodporne (HRSA). Mają one wiele zalet w przestrzeni kosmicznej ze względu na swoją wyjątkową odporność na wpływ niesprzyjających warunków. Jednak ich wytrzymałość oznacza także, że są trudne w obróbce.
Superstopy żaroodporne mają być odporne na ekstremalne temperatury, naprężenia mechaniczne oraz środowiska korozyjne i są stosowane głównie tam, gdzie tradycyjne materiały nie nadają się z powodu swojej ograniczonej odporności na ekstremalne warunki. Zdolność superstopów żaroodpornych do utrzymania właściwości mechanicznych i integralności strukturalnej w bardzo wysokich temperaturach, często przekraczających 1000°C (1832°F), oraz ich duża odporność na pełzanie i dobra stabilność termiczna sprawiają, że są one używane do produkcji takich podzespołów, jak łopatki turbin, dysze wydechowe i komory silników spalinowych.
Ale także ten typ materiałów ma swoje ograniczenia – zwłaszcza z punktu widzenia obróbki. Fakt, że ich skład metalurgiczny sprzyja podtrzymaniu właściwości w sytuacji narażenia na wysokie temperatury oznacza także, że naprężenia występujące podczas ich obróbki są wysokie. Wyjątkowa odporność superstopów na bazie niklu na temperatury bliskie temperaturze topnienia metalu bazowego wpływa na ich zasadniczo niewielką skrawalność.
Kolejnym ważnym materiałem stosowanym do wytwarzania podzespołów kosmicznych jest tytan. Ten lekki metal, którego gęstość jest równa w przybliżeniu połowie gęstości stali, umożliwia obniżenie masy całkowitej pojazdu kosmicznego, co z kolei zwiększa wydajność zużycia paliwa i nośność. Tytan jest także bardzo odporny na korozję i cechuje go doskonała odporność na tlen atomowy. Sprawia to, że idealnie nadaje się do zastosowań na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdzie warstwa tlenku chroni go przed tą bardzo reaktywną postacią tlenu.
Jednak te zalety czynią tytan materiałem trudno skrawalnym. Narzędzia skrawające muszą być ostre, utrzymywać niezmieniony kształt krawędzi i cechować się niewiarygodną odpornością na zużycie, aby sprostać dużej wytrzymałości obrabianego materiału. Z kolei jego niska przewodność cieplna w porównaniu z takimi materiałami jak stal lub stal nierdzewna mogą powodować narastanie wysokiej temperatury podczas obróbki, czego skutkiem może być przedwczesne zużycie narzędzia.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Zagadnienia związane z obróbką
Obróbka superstopów żaroodpornych wymaga wyspecjalizowanych narzędzi i technik. Co zatem muszą wziąć pod uwagę inżynierowie planujący loty w kosmos? W pierwszej kolejności należy zastanowić się nad materiałem, z którego wykonane są narzędzia skrawające. Choć najczęściej wybieranym materiałem jest spiek węglików, można zastosować także inne rozwiązania: materiały ceramiczne do obróbki zgrubnej, regularny azotek boru (CBN) do obróbki wykończeniowej superstopów żaroodpornych oraz polikrystaliczny diament (PCD) do obróbki wykończeniowej stopów tytanu. Inne ważne kwestie to pokrycia i geometria narzędzi. Materiały te są podatne na ścinanie, zatem lepszą opcją jest zazwyczaj ostrzejsza geometria, która nie generuje tak wysokich temperatur podczas skrawania. Preferowane są cienkie i udarne pokrycia. Pokrycia wykonane metodą osadzania fizycznego z fazy gazowej (PVD) są zazwyczaj pierwszym wyborem do obróbki superstopów żaroodpornych, jednak w przypadku obróbki tokarskiej tytanu pierwszym wyborem będzie gatunek niepowlekany.
Superstopy żarodporne są zazwyczaj obraniane z małymi prędkościami skrawania (obr./min) w porównaniu z tradycyjnymi materiałami, aby zapobiegać nadmiernym przyrostom temperatury i powstawaniu karbu. Regulacja posuwu i głębokości skrawania także odgrywa kluczową rolę w podtrzymaniu wydajności obróbki. Wybór właściwej strategii podawania chłodziwa ma kluczowe znaczenie ze względu na wysokie temperatury, jakie superstopy żaroodporne i tytan generują podczas obróbki. Często stosuje się chłodziwo pod wysokim ciśnieniem, co sprzyja odłamywaniu wiórów i rozpraszaniu nadmiaru ciepła. Producenci będą również dążyć do monitorowania zużycia narzędzi, aby przewidywać awarie i zmniejszać prawdopodobieństwo awarii płytki, zagrażającej potencjalnym uszkodzeniem kosztownego podzespołu.
Jedną z metod zalecanych przez firmę Sandvik Coromant do obróbki podzespołów dla branży kosmicznej jest frezowanie walcowe z wysokim posuwem. W technice tej stosuje się małą promieniową głębokość skrawania, która umożliwia zwiększenie wartości prędkości skrawania, posuwu i osiowej głębokości skrawania dzięki niższej temperaturze i zredukowanym siłom promieniowym. Z myślą o realizacji tej metody firma Sandvik Coromant stworzyła asortyment do frezowania walcowego z wysokim posuwem CoroMill Plura HFS. Obejmuje on serię frezów trzpieniowych o wyjątkowych geometriach i gatunkach, złożoną z dwóch rodzin frezów. Jedna rodzina to narzędzia zoptymalizowane pod kątem stopów tytanu, a druga – pod kątem stopów niklu.
Wyjątkowe wymogi
Choć tytan i superstopy żaroodporne są kluczowe dla uczestników kosmicznego wyścigu, specjaliści stale wprowadzają innowacje w postaci nowych materiałów. Chcąc wyprzedzić konkurencję w sięganiu po nowe poziomy eksploracji, większość firm w branży tworzy własne, niepowtarzalne kompozycje, aby zyskać przewagę.
Składy tych materiałów są często utrzymywane w tajemnicy – mogą to być stopy tytanu, materiały ablacyjne, kompozyty węglowo-węglowe lub zupełnie inny typ materiału. Oprócz samych inżynierów pracujących dla branży kosmicznej, tajne składy materiałów są ujawniane także producentom obrabiarek.
W przypadku Sandvik Coromant specjalistyczna wiedza z zakresu eksploracji kosmosu obejmuje cały świat i kilka specjalnych zespołów badawczo-rozwojowych, których zadaniem jest dobór najlepszych narzędzi i technik do danego zlecenia. Gdy klient nawiąże kontakt z firmą Sandvik Coromant, zespół będzie z nim współpracował nad odkryciem rozwiązania obróbkowego spełniającego wymogi danego materiału. Współpraca może polegać na przeprowadzeniu prób w bezpiecznej lokalizacji oraz doradztwie w zakresie doboru narzędzi i metod obróbki.
Podczas projektowania podzespołów, które mają działać w przestrzeni kosmicznej, stawka jest bardzo wysoka. Nawet najmniejsze uchybienie w zakresie jakości może sprawić, że misja nie wystartuje, dlatego należy poświęcić szczególną uwagę każdemu etapowi produkcji. Dotyczy to selekcji materiałów do wyrobu każdego podzespołu oraz sposobu ich obróbki. Dla producentów, którzy planują podbój przestrzeni kosmicznej, ważne jest znalezienie równowagi między wytrzymałością materiałów i wynikającymi z niej trudnościami podczas obróbki. Dostęp do właściwej wiedzy o obróbce i solidnych narzędzi to klucz do tego, by zrobić następny wielki krok.
Źródło: Sandvik Coromant
