Utfordrende å maskinere eksotiske metaller
Av Joppe Næss Christensen
Eksotiske metaller – hva er det? Hvorfor er de så sjeldne? Hvordan bearbeides de? Verktøyprodusenten ISCAR hjelper oss med å definere emnet.
Tradisjonelt er konstruksjonsmaterialer i all hovedsak jernbaserte legeringer som stål, rustfritt stål og støpejern. En annen gruppe materialer i vanlig bruk er legeringer basert på ikke-jernholdige metaller, som aluminiumslegeringer, messing og bronse.
I tillegg til dette tilkommer eksotiske materialtyper utviklet for å dekke spesifikke krav. Disse materialene har en tilpasset applikasjon; de er sjeldne, brukes ikke ofte og er generelt dyrere å produsere.
Krevende å bearbeide
Det finnes ingen egen definisjon på et eksotisk materiale. Mange eksperter vil beskrive dem som metaller med legeringer som eksempelvis beryllium og zirkonium, keramikk, kompositter og superlegeringer. Hvis man vurderer å bruke strukturelle materialer, bør superlegeringer og kompositter først skilles ut. Det er flere grunner til at metallbearbeidingsindustrien hovedsakelig benytter denne typen materialer, en av dem er at det er vanskelig å maskinere eksotiske materialer. Superlegeringer, eller mer spesifikt høytemperaturlegeringer (HTSA), er beregnet for drift under tung mekanisk belastning i kombinasjon med høye temperaturer. De brukes i stor grad i gassturbiner og i forskjellige ventiler og petrokjemisk utstyr. "Eksotismen" til superlegeringer er deres metallurgiske design, som gir høy krypemotstand for å opprettholde styrken ved høye temperaturer. I henhold til hovedkomponenten kan HTSA deles inn i tre grupper: nikkel (Ni) -, kobolt (Co) - og jern (Fe) -baserte superlegeringer. En superlegeringskjemi, spesielt Ni- og Co-basert HTSA, resulterer i dårlig bearbeidbarhet.
Kompositter er problematisk
Kompositter er materialer med flere komponenter. Sammenlignet med tradisjonelle konstruksjonsmaterialer som stål eller aluminium er emner av kompositter nærmest "klar til bruk" og krever derfor ikke vesentlig fjerning av materiale. Ikke desto mindre har komposittkomponentene ulike egenskaper, og når de kombineres produserer de en uensartet struktur som gjør maskinering problematisk. Prosessen med bearbeiding av kompositter skiller seg fra bearbeiding av metaller, og det ser ofte mer ut som knusing enn skjæring. Komposittens kraftige sliteegenskaper kan føre til stor verktøyslitasje, og i tillegg ulike ytelsesproblemer, slik som redusert nøyaktighet og ikke-reparerbare maksineringsdefekter.
Søker produktive og pålitelige løsninger
Metallindustrien har gjort betydelige fremskritt innen bearbeiding av eksotiske materialer. Avanserte maskineringsverktøy og effektive maskineringsmetoder har allerede løftet maskineringsytelsen over på et helt nytt plan. Et imponerende stort fremskritt i 3D-printing som kan redusere maskinbearbeidingen betydelig, ser veldig lovende ut. Men det er et "unntak" som fortsatt begrenser full utnyttelse av den betydelige økningen i verktøymaskinens kapasitet. Nemlig skjæreverktøyet.
Til tross for den store fremgangen er skjæreverktøyet flaskehalsen for maskineringseffektivitet. Derfor har planene om et gjennombrudd i produktiv bearbeiding av eksotiske materialer mye å gjøre med skjæreverktøyet.
Produsentene av skjæreverktøy viderefører arbeidet med å finne produktive og pålitelige løsninger. Til tider kan det kanskje se ut som at de tradisjonelle kildene for de store fremskrittene er fraværende og at de store innovasjonene bare er knyttet til konkrete nyheter. Uansett, skjæreverktøyprodusentene klarer likevel å tilby interessante produkter som kombinerer eksisterende produkter og ressurser med nye ideer. Nylig ISCAR-utvikling, som har blitt introdusert i løpet av de siste årene, gir et godt eksempel på slike produkter og ISCARs forsøk på å løse den eksisterende flaskehalsen og finne nye måter å komme videre på.
Eksotisk for eksotisk: fordelaktige keramer
Hardmetall er fremdeles det viktigste skjærematerialet for bearbeiding. Introduksjon av hardmetallverktøy revolusjonerte metallindustrien og sørget for en betydelig produktivitetsvekst på grunn av kraftig økte skjærehastigheter. Til tross for dette er skjærehastighetene for Ni-og Co-baserte høytemperatur superlegeringer (HTSA), lave selv i dag: typisk innenfor området 25–50 m/min. Hvordan øker vi hastighetene?
Eksotiske keramiske materialer finnes allerede som skjærematerialer. Bruk av eksotisk keramisk materiale sikrer et helt annet nivå på skjærehastigheter. For eksempel er bearbeiding av superlegeringer med keramiske verktøy og skjærehastighet på 1000 m/min helt reell. Derfor blir keramiske verktøy mer og mer vanlig ved maskinering av HTSA.
Nylig utviklet ISCAR en familie av indekserbare fresekropp holdere med tosidige keramiske skjær (figur 1). Fresene er hovedsakelig beregnet på grov- og halvbearbeiding av plane og 3D-overflater med ekstremt høye skjærehastigheter. Det kostnadsgunstige dobbeltsidige skjæret gir høy keramikkutnyttelse. Skjærene er laget av flere keramiske kvaliteter som "svart" keramikk, fiberforsterket keramikk og SiAlON (en type silisiumnitridbasert keramikk). Bruken av de nye fresene er rettet mot maksimering av sponavvirkningshastighet (MRR) og ekstrem reduksjon i syklustid.
Nok et eksempel på vellykket keramikkskjæring er et annet av ISCARs nyeste produkter: en familie med kompakte endefreser fra SiAlON. Endefresene ble designet spesielt for produktiv grovmaskinering av Ni-baserte superlegeringer, slik som kvaliteter av Inconel, Incoloy, Haynes, etc. i luftfartsindustrien. Sammenlignet med typiske kompakte pinnefreser i hardmetall, tillater SiAlON-pinnefreser en økning av skjærehastigheten på opptil 50 ganger!
Det skal bemerkes at keramiske verktøy oppfører seg annerledes enn hardmetall verktøy. Generelt bestemmes slutten på verktøyets levetid av tilfredsstillende overflatefinish eller grader, og ikke av verktøystålets slitasje.
Diamantverktøy
Ved produksjon av deler fra kompositter er boring ansett som den viktigste skjæreoperasjonen. Forbedret borekapasitet har hatt en direkte innvirkning på effektiviteten når det gjelder maskinering av kompositter og komposittstabler.
Nylig introduserte ISCAR en serie med nye bor spesialdesignet for kompositter i diameter fra 3,3 til 12 mm (fig. 2). Felles for verktøyene er bruken av polykrystallinsk diamant (PCD) eller diamantbelegg for å sikre høy slitestyrke. Det er flere typer av de nye borene; en er basert på å bruke en PCD-spiss som et sentralt punkt på boret, mens et annet har en diamant. Begge bortyper tilbyr et bredt og mangfoldig område for ettersliping.
Den tredje typen bor er et solid hardmetallverktøy med diamantbelagt skjæreområde. Den bølgede skjæreeggen muliggjør reduksjon av grader, spesielt når du borer karbonfiberarmert plast (CFRP) og CFRP-aluminiumstabler.
Kjølevæske
Ved maskinering av eksotiske superlegeringer er effektiv forsyning av kjølevæske avgjørende for å lykkes. Treffsikker høytrykkskjøling (HPC) kan være et viktig verktøy for forbedret skjæreytelse. Det kan også forlenge verktøyets levetid, bedre sponkontrollen og også høyne produktiviteten.
Høyere trykk
En av de seneste innovasjonene fra ISCAR er en gruppe dreieverktøy med ISO-skjær (fig. 3). Verktøydesignet er utført med en øvre klemme for forsvarlig sikring av skjærene, selv under tunge og avbrutte kutt. Tidligere dreieverktøy med HPC-funksjon hadde en klemme med en klemmemekanisme, fordi en øvre klemme ville hindre kjølevæskestrålen fra å treffe skjæret.
De nyutviklede verktøyene integrerer en hul øvre klemme som gjør det mulig å løse to problemer:
- sterk og stiv skjærklemme
- eliminering av hindringer for kjølevæskestrålen underveis til skjærekanten
Derfor fikk klemmen, som i de nye verktøyene fungerer som en kjølevæskedyse, en ytterligere viktig og funksjonell finesse.
De nye produktene med tilførsel av kjølevæske er fordelaktige ikke bare i maskinering med HPC. Bruken av dreiing med konvensjonell ekstern "lav" trykkjøling (10–15 bar) gir også bedre ytelse.
Ved sponfraskillende bearbeiding, spesielt i dyp sporfres, har effektiv sponavgang avgjørende betydning. Treffsikker høytrykkskjøling av skjæreeggen reduserer opphoping av spon og begrenser grader. I løpet av det siste året utvidet ISCAR utvalget av sine HPC-produkter ved å introdusere nye planfresingsverktøy med HPC-opsjon (figur 4). Disse verktøyene er egnet for kjølevæsketrykk på opptil 140 bar.
Geometriinnovasjon stopper aldri
Forbedring av skjæregeometrien kjenner ingen grenser. Et solid bevis på dette er mangfoldet av nye løsninger som har oppgradert eksisterende indekserbare skjær. Slike løsninger er tradisjonelt forbundet med avansert sponfraskillelse, forsterket skjæreegg og banebrytende nøyaktighet.
ISCARs nye F3S Chipformer for findreiing av eksotiske superlegeringer (fig. 5) ble designet for populære ISO-type skjær (CNMG, WNMG etc.). En typisk finkjøring karakteriseres av små kuttdybder og lav mating. En vellykket sponavvirking ligger derfor i et lite område som grenser mot skjærets skjæreegg. Kun ekte ingeniørkunst og stor innsats vil muliggjøre redesign av dette området til en mye høyere ytelse, sammenlignet med eksisterende skjær.
ISCAR fortsetter fremgangen
F3F er et eksempel på hvordan man kan lykkes. Den har en forsterket skjæreegg for å forhindre gropslitasje, samt en spesialdesignet sponbryter for effektiv sponbrytning ved ferdigdreiing av HTSA.
Maskinering av eksotiske materialer gir verktøyprodusentene utfordringer. De gjør nesten hva som helst for å utvikle et banebrytende skjæreverktøy. Enkelte ganger er løsningene deres virkelig "eksotiske", og andre ganger går innovativ tenkning videre i tradisjonell retning. I tilfellet ISCAR vises det tydelig at fremgangen til å finne riktig svar på metallindustriens behov for eksotiske materialer ikke har stoppet.
For mer informasjon se: www.iscar.com og www.svea.no