Ny design på skärverktyg kan ge lägre flygpriser om tio år

Två-tre minuter. Så kort livslängd har skärverktyg vid tillverkning av vissa flygmotordelar. Men med ny verktygsdesign och effektivare kylning kan livslängden generellt sett öka med 30 procent. Det innebär minskat svinn, mindre miljöpåverkan och på sikt kanske även billigare flygresor. Doktoranden Nageswaran Tamil Alagan presenterade intressanta forskningsresultat på Högskolan Väst i fredags.

Flygindustrin är bara en av många branscher som kan ha nytta av Nageswarans forskning. Den är relevant överallt där man tillverkar produkter i superlegeringar. Förutom flygmotorers brännkammare används materialet också i gasturbiner för kraftvärmeverk.

Fördelen med superlegeringar är att de behåller sin mekaniska styrka och hårdhet vid extremt höga temperaturer och högt tryck. Men det är samtidigt ett svårbearbetat material. När man bearbetar en superlegering genereras värme som bidrar till högt slitagepå skärverktyget. Även om skärverktyget kyls för att minimera slitaget måste det generellt sett bytas ut var tredje minut – något som kostar både tid och pengar.

Testade ny design

Nageswaran har specifikt studerat hur kylningen kan förbättras när man svarvar i superlegeringen Alloy 718 med verktyg tillverkade av obelagd hårdmetall. Han har genomfört en rad experiment där man använt modifierade skärverktyg vid svarvning med högtryckskylning.

– Målet med mina studier var att se om skärverktygens livslängd kan ökas med hjälp av effektivare kylning. För att undersöka det tog jag fram en ny design på skärverktyget där ytstrukturen utvecklats, förklarar Nageswaran.

– Genom att kyla med skärvätska under högt tryck på verktygets spån- och släppningssida ökade livslängden med 12–25 procent. Det visade sig också att tekniken fungerade bättre vid låga skärhastigheter (45 m/min) än vid höga skärhastigheter (90 m/min).

En ny generation av skärverktyg

Nageswaran har även designat tre olika yttexturer på skärverktyg som tillverkats av Sandvik Coromant. Han har sedan testat dem i kombination med högtryckskylning.

– Jag har experimenterat med olika texturer på ytskiktet och jämfört dem med vanliga släta skärverktyg. Alla tre ytstrukturerna resulterade i mindre verktygsslitage. Den som gav bäst resultat, Gen II, minskade slitaget med hela 20–40 procent.

– Verktygsdesign är ett intressant område att forska vidare om. Därför startar nu ett nytt europeiskt forskningsprojekt, CRYOMACH, där vi undersöker hur yttexturer på skärverktyg i kombination med kryogen kylning kan bidra till effektiv kylning.

Två oväntade upptäckter

Under experimenten gjorde Nageswaran två nya upptäckter. Den första var att Leidenfrosteffekten uppstod när kylvätskan kom i kontakt med varma verktyg, det vill säga att ett isolerande lager förhindrade kylningseffekten. Den andra upptäckten var att kavitation uppstod; en typ av skada där gropar bildas i ytskiktet på obelagda hårdmetallverktyg när man använder kylning med högt tryck.

– Det är viktigt att undvika de här två effekterna. Om exempelvis Leidenfrosteffekten uppstår behöver man öka trycket på kylningen eller använda verktyg med struktur i ytskiktet.

Fascinerad av flyg

Det var drömmen om att bli astronaut eller flygpilot som ledde in Nageswaran på ingenjörsbanan.

– Jag har alltid varit fascinerad av flygplan och det här yrket blev min väg in i flygvärlden. Att forska om material för flygmotorer känns minst lika intressant som att arbeta som pilot.

Efter ingenjörsexamen inom aeroteknik vid Anna University i Chennai i södra Indien ville Nageswaran studera vidare i England. Men valet föll istället på en tvåårig masterutbildning i Aerospace Engineering i Madrid.

– Parallellt med studierna jobbade jag ett och ett halvt år på Rolls Royce-ägda företaget ITP Aero i Madrid. Samtidigt växte idén att gå vidare med en doktorandutbildning. När jag såg annonsen om Högskolan Västs doktorandtjänst med koppling till flygindustrin var det en perfekt lösning för mig. Jag fick platsen och startade på Högskolan Väst 2014.

Uppskattar nära samverkan med industrin

Nageswarans forskningsprojekt, PROSAM, är finansierat av Västra Götalandsregionen och genomfört i nära samverkan med GKN Aerospace i Trollhättan och Chalmers Tekniska Högskola.

– En stor fördel med att forska på Högskolan Väst är att jag kan arbeta nära flygindustrin. På GKN Aerospace kan jag se hur tillverkningsprocessen fungerar i verkligheten. Det är få universitet i världen som kan erbjuda en så nära samverkan med industriföretag.

Läs Nageswaran Tamil Alagans avhandling:

http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1366717/FULLTEXT01.pdf

Kontaktuppgifter:

E-post: nageswaran.tamil@hv.se

Tel: 0520-22 33 72