Forskning om skärande bearbetning
Skärande bearbetning är en process för geometriskt definierad borttagning av material. Detta leder till lokaliserad skjuvning av material, vilket i sin tur leder till deformationshastigheter, temperaturer och restspänningar som ligger långt över de flesta andra tillverkningsprocesser. Vi arbetar med att utforska, lösa och förnya samtliga aspekter av skärande bearbetning och relaterad forskning.
Prestanda i skärande bearbetning
Skärande bearbetning, sedd som en tillverkningsprocess; innefattar mekanik, termodynamik, materialvetenskap och tribologi. Denna komplexitet gör att resultaten är mycket oförutsägbara. Vår forskning omfattar frågor kring processmekanik (t.ex. spånbildning, skärkrafter, vibrationer), termiska fenomen, tribologi och kontaktkemi. Vi studerar bearbetningsprestandan för metalliska material, fiberförstärkta polymerer och metallmatriskompositer.
Verktygsslitage
Vid skärande bearbetning utsätts verktyget för extrema temperaturer, relativ hastigheter och tryck, samtidigt som verktyget ligger i direkt kontakt med materialet som bearbetas. Vi arbetar med att analysera enskilda slitagemekanismer (abrasiv, adhesiv, oxidation, diffusion och kemiskt slitage) och deras samspel vid interaktion av flera mekanismer. Våra djupgående analyser bygger på avancerad materialkarakterisering och rent beräkningsmässig, prediktiv modellering.
Under de senaste åren har vi upptäckt att interaktionen mellan verktyg, arbetsstycke och miljö inte nödvändigtvis leder till att verktyget slits. Tvärtom är vissa av reaktionsprodukterna metallnitrider (t.ex. (Ti,Cr,Nb)N [Bushlya, 2021]), borider (t.ex. (Ti,V) [Lindvall, 2020]), karbider (t.ex. NbC [Olsson, 2020]), oxider (t.ex. FeAl2O4, MgAl2O4 [Bjerke, 2021]). Dessa produkter fungerar som ett skyddande lager på verktyget (Tool Protection Layer, TPL).
- Lindvall, 2020 - Performance and wear mechanisms of PCD and pcBN cutting tools during machining titanium alloy Ti6Al4V
- Olsson, 2020 - Study of wear mechanisms of cemented carbide tools during machining of single-phase niobium
- Bushlya, 2021 - Tool wear mechanisms of PcBN in machining Inconel 718: Analysis across multiple length scale
- Bjerke, 2021 - Onset of the degradation of CVD α-Al2O3 coating during turning of Ca-treated steels
Materialens bearbetbarhet
Olika Materials bearbetbarhet är ett annat ämne inom vår forskning. Den inkluderar hur sammansättning, värmebehandling, inneslutningar, spårämnen och mikrolegering av andra metalliska material påverkar dess bearbetbarhet.
Utifrån upptäckten av verktygsskyddsskiktet (TPL) har vi utvecklat olika koncept för ökad bearbetbarhet av metalliska material. Dessa koncept bygger på designad mikrolegering, som leder till en kontrollerad och kontinuerlig bildning av ett skyddande skikt på verktygsytorna under pågående användning.
Verktyg och verktygsmaterial
Vi arbetar med design och sintring av avancerade, superhårda material, såsom polykristallin kubisk bornitrid (PcBN) och polykristallin diamant (PCD) för olika verktygstillämpningar. Våra senaste projekt är inom utveckling av verktyg för bearbetning av högpresterande superlegeringar baserade på Nickel och Titan.
Ett annat område är forskning kring ytbeläggning på verktyg. Särskilt med fokus på utformning av PVD-beläggningar (physical vapor deposition) med avseende på hur de klarar de olika slitagemekanismerna.
Modellering och simulering av skärande bearbetning
Bearbetningens effektivitet beror på hur väl vi kan förutsäga processen. Här arbetar vi med modellering och simulering av mekaniska och termiska fenomen. Vi gör rutinmässiga undersökningar av spånbildning, skärkrafter, verktygsspänningar och restspänningar för att optimera bearbetningsprocessen, förbättra utformningen av skärverktyg, matcha verktygs- och arbetsstyckematerial osv.
Vi har också utvecklat en modellram för att beskriva kemiska interaktioner och den kemiska diffusion som sker vid skärande bearbetning. Dessa modeller har använts för att karakterisera slitaget på skärverktyg och för att hitta material och förhållanden där interaktionsprodukterna minskar slitaget och skyddar skärverktygen.
Ytintegritet
Vår karakterisering av ytintegritet innebär bland annat inspektion av ytdefekter (sprickor, porositet, löseggar), mätning av deformation och spänningar under ytan eller analys av fasomvandlingar. Detta med avseende på vad som styr prestanda vid utmattning, korrosion eller andra mekanismer.
Med ytintegritet avses tillståndet hos den bearbetade ytan och skiktet under ytan när det gäller sammansättning, mikrostrukturella och mekaniska egenskaper som tillsammans definierar produktens prestanda.
Volodymyr Bushlya, volodymyr.bushlya@iprod.lth.se, 2023