Specyficzne dla branży rozwiązania i strategie obróbki materiałów ISO-S
Innowacyjna inżynieria i technologia napędzają ciągły postęp w krytycznych branżach medycznych, energetycznych i produkcji części lotniczych. Produkcja precyzyjnych komponentów wytwarzanych w tych branżach wymaga materiałów obrabianych, które zapewniają wysoką odporność na ciepło i zużycie, ekstremalną wytrzymałość oraz niezachwianą jakość i niezawodność. Najlepszymi przykładami tych materiałów są stopy ISO-S, a mianowicie superstopy żaroodporne na bazie niklu, kobaltu i żelaza (HRSA) oraz tytany. Twardość, wytrzymałość oraz odporność na pełzanie i korozję tych materiałów skłaniają do ich stosowania w szerokim zakresie kluczowych zastosowań.Innowacyjna inżynieria i technologia napędzają ciągły postęp w krytycznych branżach medycznych, energetycznych i produkcji części lotniczych. Produkcja precyzyjnych komponentów wytwarzanych w tych branżach wymaga materiałów obrabianych, które zapewniają wysoką odporność na ciepło i zużycie, ekstremalną wytrzymałość oraz niezachwianą jakość i niezawodność. Najlepszymi przykładami tych materiałów są stopy ISO-S, a mianowicie superstopy żaroodporne na bazie niklu, kobaltu i żelaza (HRSA) oraz tytany. Twardość, wytrzymałość oraz odporność na pełzanie i korozję tych materiałów skłaniają do ich stosowania w szerokim zakresie kluczowych zastosowań.
Korzystne właściwości stopów sprawiają jednak, że charakterystyka obróbki jest inna niż w przypadku tradycyjnych żeliwa i stali. Obróbka materiałów ISO-S jest trudna, ponieważ stopy słabo przenoszą ciepło, co jest również znane jako niska przewodność cieplna. Ciepło powstające podczas obróbki skrawaniem (od ~1100 stopni Celsjusza do 1300 stopni Celsjusza) jest pochłaniane przez narzędzie i obrabiany przedmiot, zamiast być odprowadzane przez skrawane wióry. W związku z tym cierpi na tym trwałość narzędzia i może dojść do zniekształceń części. Stopy mają również tendencję do odkształcania się i twardnienia wydzieleniowego podczas obróbki, co zwiększa siły skrawania i jeszcze bardziej pogarsza trwałość narzędzia. Wreszcie, lepkie zachowanie tych materiałów powoduje niekontrolowane narosty na krawędzi (BUE) i zużycie karbu. Taka lepkość jest również znana jako plastyczność materiału, cecha powszechna w miękkich materiałach, takich jak aluminium.
Biorąc pod uwagę trudności związane z obróbką materiałów ISO-S i koszt zaangażowanych części, producenci dążą do ulepszeń obróbki, które koncentrują się przede wszystkim na niezawodności i jakości komponentów, a skrócenie czasu cyklu jest drugim priorytetem. Maksymalizacja korzyści płynących z tych wysokowydajnych stopów wymaga zastosowania zaawansowanych narzędzi i strategii aplikacji. Producenci narzędzi dopracowują te narzędzia i techniki, aby zapewnić wydajne i niezawodne rozwiązania dla określonych zastosowań przemysłowych.
Aby prawidłowo funkcjonować i uniknąć odrzucenia przez organizm, implant medyczny musi być chemicznie obojętny i w pełni odporny na korozję powodowaną przez płyny ustrojowe. W związku z tym biokompatybilność i odporność na korozję materiałów ISO-S sprawiają, że stanowią one doskonałą podstawę dla szerokiej gamy komponentów ortopedycznych, dentystycznych i innych elementów medycznych.
Produkcja implantów medycznych rozwija się w szybkim tempie. Średni wiek ludności na obszarach uprzemysłowionych wzrasta, a wraz z nim średnia waga ludności. Oba czynniki mają bezpośredni wpływ na zużycie stawów kolanowych i biodrowych oraz wynikające z tego zapotrzebowanie na ich zamienniki. Popularność implantów dentystycznych wzrosła również wraz ze wzrostem zainteresowania kwestiami kosmetycznymi i zdrowiem zębów.
Na zastępczy staw kolanowy składają się dwa podstawowe elementy. Komponent udowy imituje okrągłą wypukłość kłykcia na końcu kości udowej i przyczepia się do górnej części kości udowej lub kości udowej. Z kolei komponent udowy znajduje się na polimerowej miseczce, która spoczywa w drugim podstawowym elemencie, tytanowej tacy, która jest przymocowana do górnej części kości dolnej części nogi lub kości piszczelowej.
Słabe właściwości wymiany ciepła materiałów ISO-S wymuszają stosowanie chłodziwa w większości operacji obróbki. Jednak medyczne organy regulacyjne mają surowe przepisy dotyczące zanieczyszczenia resztkami chłodziwa i wymagają rygorystycznych i czasochłonnych procesów czyszczenia. W rezultacie producenci narzędzi opracowują sposoby obróbki części medycznych "na sucho", bez chłodziwa i emulsji. Na przykład firma Seco opracowała procesy bez chłodziwa do obróbki tytanowych tacek piszczelowych Ti6Al4V ze specjalnym rowkiem teowym i frezami walcowo-czołowymi. Operacja jest zakończona w mniej niż 10 minut, przy dobrej trwałości narzędzia, doskonałej jakości produktu i częściach wolnych od zanieczyszczeń.
Innym wysiłkiem mającym na celu złagodzenie skutków złych właściwości termotransferowych stopów ISO-S jest zastąpienie operacji szlifowania obróbką skrawaniem. Ciepło wytwarzane podczas długotrwałej operacji szlifowania może wywoływać naprężenia w części i zniekształcać ją; Jeden z producentów odkrył, że elementy kości udowej kolana często nie odpowiadały specyfikacji wymiarowej po szlifowaniu, co skutkowało wskaźnikiem złomu na poziomie 20-30 procent.
Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie Seco opracowali pięcioetapową metodę obróbki elementów kości udowej na centrum obróbczym. W procesie wykorzystuje się frezy kulowe i mocowanie części z systemem centerlock, który umożliwia obracanie części podczas obróbki. To podejście do frezowania kopiowego doskonale nadaje się do mniej sztywnych konfiguracji mocowania części, co często ma miejsce podczas produkcji tych złożonych części 3D. Czas cięcia dla całej operacji wynosi około siedmiu minut. Po obróbce wymagana jest tylko operacja polerowania, a proces polerowania ten zajmuje mniej czasu niż polerowanie wykonywane wcześniej po szlifowaniu.
Specjalistyczne metody obróbki mogą pomóc w przezwyciężeniu wyzwań związanych z obróbką materiałów ISO-S. Strategie frezowania z wysokimi posuwami (patrz pasek boczny) zapewniają produktywność w połączeniu z długą żywotnością narzędzia. W operacji obróbki zgrubnej elementu dentystycznego wykonanego ze stali CoCr zastosowano frez JHF 180 o średnicy 3 mm z linii frezów walcowo-czołowych Seco z prędkością posuwu stołu 4 000 mm/min przy osiowej głębokości skrawania 2 mm, promieniowej głębokości skrawania 0,2 mm i prędkości skrawania 66 m/min. W przypadku stali kobaltowo-chromowej żywotność narzędzia wynosiła 175 minut.
Wiele małych komponentów medycznych i dentystycznych jest obrabianych na kompaktowych, szybkoobrotowych centrach obróbczych w laboratoriach i gabinetach dentystycznych. Małe frezy stosowane w tych maszynach muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymać szybko zmieniające się obciążenia wiórami charakterystyczne dla operacji profilowania małych implantów i innych części. Aby zaspokoić tę potrzebę, firma Seco opracowała frezy Mini JM905 i JM920. Narzędzia są dostępne w wersjach z 4 ostrzami o średnicach od 0,1 mm do 2,0 mm oraz na długich wysięgach do 16 x D. Pomimo niewielkich rozmiarów, narzędzia te oferują wytrzymałość i stabilność wymaganą do specjalistycznej produkcji małych części, o wymiarach spełniających typowe wymagania dotyczące obrabianych elementów.
Materiały ISO-S znajdują również coraz szersze zastosowanie w światowym przemyśle energetycznym. Pomimo obecnego nacisku na "zielone" źródła energii, takie jak wiatr, woda i energia słoneczna, ponad 60 procent światowej energii elektrycznej jest obecnie wytwarzane z paliw palnych. Większość tej produkcji energii elektrycznej opiera się na wykorzystaniu turbin gazowych i parowych. Ponadto trwają prace nad zwiększeniem wydajności turbin. Na przykład mocne, a jednocześnie lekkie komponenty tytanowe zmniejszają siły dośrodkowe przy wysokich obrotach na minutę w dolnych sekcjach sprężania turbin, co skutkuje szybszymi prędkościami obrotowymi. Oprócz komponentów tytanowych, w sekcjach spalania stosowane są części z superstopów żaroodpornych, które radzą sobie z podwyższonymi temperaturami niezbędnymi do uzyskania wyższej wydajności silnika.
W pogoni za wydajnością i zwiększoną wydajnością, stopy ISO-S przechodzą ciągłą ewolucję. Producenci metali opracowują stopy o większych możliwościach, aby sprostać wymaganiom coraz trudniejszych zastosowań. Na przykład uznane superstopy superstopowe Inconel 738 na bazie niklu i SFX414 na bazie kobaltu zostały zaprojektowane do pracy w temperaturach w zakresie od 850 stopni Celsjusza do 1200 stopni Celsjusza. Niektóre z najnowszych kompozycji superstopów żaroodpornych, takie jak GTD 262 i Rene 108, są przeznaczone do pracy w temperaturach od 1200 stopni Celsjusza do 1600 stopni Celsjusza. Nowe stopy stanowią proporcjonalnie większe wyzwanie w zakresie obróbki.
Firma Seco niedawno pomagała w obróbce skrawaniem nowego, wysokowydajnego stopu stosowanego w elementach statycznych turbiny wytwarzającej energię. Wraz z wyższą odpornością termiczną materiału zwiększyła się trudność obróbki; Można było osiągnąć prędkość cięcia tylko 18 m/min, w porównaniu do prędkości 25-35 m/min typowej dla materiału referencyjnego Inconel 718.
Istniejące oprzyrządowanie zużywało się już po jednym segmencie turbiny (długość cięcia 320 mm), a producent turbiny poszukiwał większej trwałości narzędzia. Firma Seco opracowała specjalny frez oparty na geometrii narzędzia 780, który charakteryzuje się dwurdzeniową konstrukcją, która zapewnia większą stabilność w trudnych warunkach skrawania. Narzędzie zostało zastosowane przy pierwotnie stosowanych parametrach: prędkość skrawania 18 m/min, posuw na ostrze 0,015 mm i posuw stołu 43 mm/min. Nowe narzędzie umożliwia obróbkę dwóch segmentów turbiny (640 mm), co pozwala na zwiększenie trwałości narzędzia o 100 procent. Następnie, dzięki zmniejszeniu prędkości skrawania do 16 m/min i zwiększeniu posuwu na ostrze o 0,017 mm, inżynierowie ds. zastosowań byli w stanie jeszcze bardziej wydłużyć żywotność narzędzia do 800 mm (+ 150 procent trwałości narzędzia).
Ponieważ superstopy żaroodporne zachowują wytrzymałość w wysokich temperaturach i zapewniają doskonałą odporność na pełzanie i korozję, stopy te stanowią nawet 50 procent masy nowoczesnego silnika lotniczego.
Zastosowania materiałów ISO-S w turbinach lotniczych są podobne do tych w turbinach wykorzystywanych w produkcji energii. Jednak w wielu przypadkach tolerancje dla przemysłu lotniczego są węższe. Na przykład firma Seco opracowuje specjalne narzędzia do obróbki profilu korzeniowego łopat turbiny w kształcie jodły. Tolerancje profilu korzeniowego dla niektórych zastosowań energetycznych mieszczą się w zakresie 10 mikronów, podczas gdy tolerancje dla niektórych profili lotniczych są tak wąskie, jak 0-5 mikronów (0. – 0,005).
Oprócz zastosowania w niskotemperaturowych sekcjach turbin, niewielka waga i wytrzymałość tytanu jest wykorzystywana w konstrukcyjnych częściach lotniczych, takich jak podwozia. Z natury elementy podwozia są masywne i mocne, ale także bardzo ciężkie, gdy są wykonane ze standardowych materiałów.
Nowsze, lżejsze i mocniejsze stopy tytanu używane do produkcji lżejszych podwozi są trudniejsze w obróbce niż wcześniej stosowane stopy tytanu. Jednym z takich niedawno opracowanych stopów jest tytan 5553, nazwany tak, ponieważ zawiera 5 procent aluminium, 5 procent molibdenu, 5 procent wanadu i 3 procent chromu. Zaletą tytanu 5553 jest jego wysoka wytrzymałość na rozciąganie: 1160 MPa w porównaniu do 910 MPa dla materiału referencyjnego Ti6Al4V. Wyższa wytrzymałość na rozciąganie ogranicza prędkości cięcia do poziomów o 50 procent niższych niż w przypadku Ti6Al4V.
Stopy ułożone warstwowo
Jeśli pojedynczy materiał ISO-S stwarza trudności w obróbce, jednoczesna obróbka dwóch różnych materiałów stanowi jeszcze większe wyzwanie. Niektóre zastosowania w lotnictwie i kosmonautyce obejmują obróbkę elementów składających się ze stosów różnych materiałów. Wyzwanie polega na tym, aby obrabiać "kanapkę" lub "hybrydę" z odpowiednią kontrolą wiórów, bez wibracji i zadziorów.
Typowym przykładem może być połączenie tytanu i stali nierdzewnej. Stal nierdzewna i tytan mają pewne wspólne właściwości; Oba mają stosunkowo wysoką wytrzymałość i właściwości adhezyjne, ponieważ cięty materiał ma tendencję do przyklejania się do frezu palcowego.
Rozwiązaniem firmy Seco do obróbki mocowania silnika z tytanowym stosem 6Al4V/austentycznej stali nierdzewnej było zastosowanie narzędzia JHP 770 z węglika spiekanego zaprojektowanego specjalnie do obróbki tytanu. Narzędzie charakteryzuje się zróżnicowanym rozstawem rowków wiórowych, promieniowym reliefem i specjalnie uformowaną przestrzenią na wióry. Kanał chłodzący przez chłodziwo minimalizuje przywieranie obrabianego przedmiotu i usuwa wióry. Podczas obróbki ułożonych w stos materiałów narzędzie przechodziło najpierw przez stal nierdzewną, a następnie przez tytan. Parametry dla materiału trudniejszego w obróbce (tytanu) zostały zastosowane w całym tekście. Ze względu na niską przewodność cieplną stopu zastosowano umiarkowaną prędkość skrawania wynoszącą 50 m/min, z posuwem 0,036 mm/obr i głębokością skrawania 3 mm, opadającą w interpolacji kołowej.
Pomimo zalet w wielu sytuacjach, oprzyrządowanie z węglików spiekanych nie jest jedynym sposobem efektywnej obróbki materiałów ISO-S. W niektórych przypadkach frezy ze stali szybkotnącej są bardziej produktywnym i opłacalnym wyborem.
Wiele dużych elementów lotniczych, takich jak części podwozia, jest obrabianych z litych kęsów tytanu lub stali nierdzewnej. W przypadku tych części wysokowydajne narzędzia HSS o średnicy do 50 mm są w stanie usunąć duże ilości materiału. Narzędzia HSS są bardzo skuteczne na obrabiarkach o niskiej prędkości obrotowej i wysokim momencie obrotowym, zapewniając efektywną obróbkę zgrubną i równomierną obróbkę wykańczającą tytanu i stali nierdzewnej. Możliwość stosowania dużych średnic i szerokości skrawania sprawia, że narzędzia te zapewniają konkurencyjne tempo skrawania nawet przy niższych prędkościach niż te, które są osiągalne w przypadku narzędzi z węglików spiekanych.
Przykładem zaawansowanego narzędzia HSS jest frez HSS-Co JCO710 o 8-procentowej zawartości kobaltu i twardości 67 HRC. Narzędzie posiada polerowane rowki wiórowe w celu zmniejszenia tarcia i nawarstwiania się krawędzi oraz zmienną geometrię profilu czołowego, która ogranicza światło i zmniejsza ryzyko drgań, które powodują niedopuszczalne wartości chropowatości powierzchni. Frezy te zapewniają ponad 800 minut żywotności narzędzia, gdy są stosowane u producenta produkującego duże części tytanowe.
Konkluzja
Cele producentów w zakresie obróbki skrawaniem materiałów ISO-S stosowanych w krytycznych zastosowaniach to najwyższa jakość, niezawodna spójność i produktywność. W miarę jak producenci metali opracowują nowe stopy, aby sprostać coraz bardziej wymagającym zastosowaniom o wysokiej wydajności, producenci narzędzi skrawających z kolei tworzą nowe materiały i strategie narzędzi skrawających zaprojektowane tak, aby sprostać wyzwaniom związanym z obróbką materiałów ISO-S i umożliwić producentom osiągnięcie ich celów w zakresie obróbki.
Strategie frezowania ISO-S
Starannie zaprojektowane kombinacje narzędzi i strategii skrawania ułatwiają wydajną i ekonomiczną obróbkę materiałów ISO-S.
Jednym z podejść jest frezowanie z wysokim posuwem, metoda, która przenosi siły skrawania z kierunku promieniowego na osiowy, łącząc małe osiowe głębokości skrawania z wysokimi posuwami stołu. Technika ta pozwala uzyskać cieńszy wiór, który odprowadza ciepło z krawędzi skrawającej i zmniejsza siły skrawania, minimalizując drgania i stabilizując obróbkę. Frezowanie z wysokim posuwem nie tylko zmniejsza wytwarzanie ciepła i wydłuża żywotność, ale także zapewnia wysoką wydajność skrawania: do 200 – 300 procent szybciej niż tradycyjne frezowanie.
Frezowanie z wysokimi posuwami może być stosowane przy użyciu różnych narzędzi. Na przykład z globalnej linii frezów walcowo-czołowych Seco oferuje narzędzia JHF180 przeznaczone do obróbki twardszych stali i stopów kobaltowo-chromowych w zakresie 48 - 62 HRC. Narzędzia mają sztywną, zwężającą się pod kątem 0,9 stopnia konstrukcję szyjki, która zmniejsza ugięcie narzędzia, umożliwia frezowanie głębokich wgłębień i poprawia wykończenie powierzchni. Geometria narzędzia została zaprojektowana tak, aby wyrzucać wióry z dala od krawędzi skrawającej. Nadają się do frezowania z wysokimi posuwami, w tym do frezowania czołowego, rowkowania, zagłębiania skośnego, interpolacji śrubowej, zagłębiania skośnego i obróbki na poziomie Z.
Inne strategie frezowania materiałów ISO-S zależą od konkretnej operacji, materiału obrabianego i obsługiwanej maszyny. Podejście konwencjonalne polega na zrównoważeniu 1-1 osiowej i promieniowej głębokości skrawania oraz średnich prędkości posuwu. Wysokowydajna obróbka skrawaniem za pomocą specjalistycznych frezów, takich jak seria HPM firmy Seco, wykorzystuje duże osiowe głębokości skrawania i promieniowe głębokości skrawania na całej szerokości w celu uzyskania dużych objętości skrawania. Inną alternatywą jest obróbka szybkościowa, w której frez pracuje przy dość małych promieniowych głębokościach skrawania i dużych osiowych głębokościach skrawania. Takie podejście pozwala na stosowanie wyższych prędkości skrawania w celu zwiększenia produktywności. Skuteczna implementacja różnych strategii obróbki skrawaniem zależy od kombinacji czynników, w tym możliwości używanej obrabiarki, a także systemu CNC, który będzie obsługiwał duże programy i pliki wymagane do przeprowadzenia procesów obróbki.
Obróbka tytanu ma swój własny zestaw specjalistycznych wymagań dotyczących obsługi i narzędzi. Stosowanie umiarkowanych prędkości skrawania pomaga uniknąć wytwarzania nadmiernego ciepła, które może sprzyjać reakcjom chemicznym między narzędziem a obrabianym przedmiotem. Płyn chłodzący należy stosować, gdy tylko jest to możliwe. Ostre krawędzie tnące zmniejszają siły skrawania, ułatwiając ścinanie wiórów z obrabianego przedmiotu. Również w tym przypadku mają zastosowanie strategie wysokiego podawania.
