Резка титана и жаропрочных металлов:обрабатываемость, охлаждающие жидкости и не только

Обработка таких металлов, как жаропрочные суперсплавы и титан, может быть очень трудной задачей, но при правильном подходе и руководстве при обработке, закреплении инструмента и выборе пластин операторы станка могут решить проблемные области.

Жаропрочные суперсплавы и другие сплавы регулярно используются в основных производственных сегментах — от имплантируемых суставов в человеческом теле до крупных деталей морских сооружений в нефтяной промышленности и турбин двигателей в аэрокосмической отрасли. Но их может быть трудно обрабатывать.

Если цель состоит в том, чтобы изготовить детали высочайшего качества за наименьшее количество времени, важно иметь представление о том, какой инструмент использовать. Никто не хочет прожигать инструменты или вызывать задержки производства из-за сверхплотных твердых металлов, которые ускоряют работу машины, но режут очень медленно или неточно. Понимание возможностей машины также важно, как и знание инструментов, которые лучше всего подходят для твердых материалов.

«Основное применение HRSA — это компоненты турбин в горячей зоне для самолетов и электростанций — такие детали, как лопатки, блиски, кронштейны, клапаны и коллекторы, большинство из которых имеют сложную форму и форму», — пишет Эд Синкора для Advanced Manufacturing в статье « Горячие методы резки жаропрочных сплавов».

«Это означает использование 5-осевого фрезерования для получения требуемых форм и допусков за один зажим. А для мелких деталей необходимы цельнотвердосплавные круглые инструменты, для которых требуются особенно жесткие держатели», — объясняет Синкора.

Многие отрасли находятся под давлением производства. Время, необходимое для получения качественных деталей, действительно имеет значение, особенно на очень конкурентных рынках.

«Основное внимание уделяется надежности процесса, поскольку эти конструкционные компоненты чрезвычайно дороги», — отмечает Уолтер Тулс в статье о фрезеровании карманов титана в аэрокосмической отрасли. «В то же время ценовое давление со стороны рынка требует высокой производительности и производительности».

Чтобы достичь этого комфортного уровня «надежности процесса», существует множество ноу-хау с использованием правильных станков, зажимных приспособлений, инструментов, траекторий движения инструментов и СОЖ — всего вместе — найдите профессионалов в области обработки и инструментов. Мы изучаем лучшие инструменты и руководства по обработке титана, жаропрочных сплавов и сплавов.

Знать рейтинг обрабатываемости металла

При резке титана, нержавеющей стали или жаропрочных сплавов вполне вероятно, что многие из производимых деталей будут содержать никель или хром, а иногда и кобальт. Обычные никелевые сплавы включают Inconel, Waspaloy, Hastelloy, нержавеющие стали, включая 304, 316 и 17-4, и другие.

«[Никель] прочен, устойчив к коррозии и обладает превосходными прочностными и ударными характеристиками», — отмечает Кип Хэнсон, консультант по производству, в статье «5 советов по резке металлов для жаропрочных сплавов на основе никеля».

«При наличии острого инструмента и правильных параметров резания чистый никель не очень сложно точить или фрезеровать, хотя никелевые сплавы, такие как Ni-Span-C 902 и Monel K-500, имеют рейтинг обрабатываемости 15 процентов или меньше», — объясняет Хэнсон. .

И в обрабатываемости все дело. К счастью, многие из современных станков и режущих инструментов могут работать с большинством материалов, но задача состоит в том, чтобы знать правильные инструменты и методы для создания воспроизводимого и своевременного процесса обработки. С этой целью полезно понять, как оценивается материал, поэтому может помочь использование таблицы оценки обрабатываемости.

Но ничто не может заменить реальный опыт и знания:поговорите о проблемах обрабатываемости с людьми, которые делают это сегодня. Присоединяйтесь к форуму металлообработки [требуется регистрация].

Во многих случаях полезно также использовать технические руководства, предоставляемые поставщиками инструментов, например это руководство Sandvik Coromant:

«Руководство по применению:жаропрочные суперсплавы»

В этом руководстве Sandvik Coromant говорит о жаропрочных сплавах следующее:«Физические свойства и поведение при механической обработке каждой [группы сплавов] значительно различаются как из-за химической природы сплава, так и из-за точной металлургической обработки, которую он получает во время производства. Отжигание или старение металла особенно сильно влияет на свойства последующей обработки».

Вот видео пример резки сложного монеля К-500 модернизированным инструментом, предназначенным для него.

Вот другой пример резки Inconel 718.

Хотите узнать больше о составе материалов, которые вы используете? Читать “ Руководство по выбору режущего инструмента:черные и цветные металлы ».

Следите за жарой, используйте охлаждающие жидкости для металлообработки

Трудно недооценить тепло, выделяемое станком с ЧПУ на поверхности материала при скоростях и подачах, необходимых для выполнения точных и надежных резов с соответствующей стружкой. Это может стать настоящим испытанием для вставок и инструментов.

«Плохая теплопроводность и высокая твердость вызывают высокие температуры при обработке», — отмечает Sandvik Coromant в статье «Выбор правильной пластины для токарной обработки для материалов из жаропрочных сплавов». «Высокая прочность, деформационное упрочнение и адгезионное упрочнение приводят к образованию насечки на максимальной глубине резания и чрезвычайно абразивной среде для режущей кромки».

Как машинисту защититься от этого? Во многих случаях используйте режущие пластины на основе карбида, которые сохраняют жесткость кромки, прилипают к основе и помогают избежать деформации.

«Как правило, используйте пластины с большим углом в плане (круглые пластины) и выбирайте пластины с положительной геометрией. В зависимости от области применения при токарной и фрезерной обработке можно использовать керамические сплавы», — поясняет Sandvik Coromant.

И не забывайте о роли покрытий и охлаждающей жидкости, — советует Скотт Этлинг, директор по управлению продуктами Kennametal, в статье «Нагрев труднообрабатываемых металлов».

«У вас должно быть правильное PVD-покрытие, прочная подложка, правильная геометрия, правильная подготовка кромок и геометрия с высоким усилием сдвига», — говорит Этлинг. «Тепло не уходит в стружку, как в сталь. Тепло должно куда-то уходить, поэтому для большинства приложений с титаном вам нужно использовать огромное количество охлаждающей жидкости».

Чтобы узнать больше о СОЖ и жаропрочных сплавах, ознакомьтесь с руководством по применению Sandvik Coromant. Производитель инструментов предлагает следующее:

«СОЖ следует применять во всех операциях, кроме фрезерования с керамикой. Громкость должна быть высокой и хорошо направленной. Подача СОЖ под высоким давлением HPC (до 1160 фунтов на кв. дюйм) показывает положительные результаты с точки зрения стойкости инструмента и стабильной работы».

Сохраняйте заготовку жесткой

«Для обработки жаропрочных сплавов требуется очень стабильный станок, жесткая заготовка и очень жесткий интерфейс между шпинделем и резцедержателем», — отмечает Синкора.

Нужно знать гораздо больше, чем просто материал и режущий инструмент. Существуют также необходимые элементы, которые помогают удерживать заготовку на месте и сохранять сбалансированную прочность, способную выдерживать очень высокие обороты и производительность, с которыми могут справиться современные машины и инновационные режущие инструменты.

«Обработка титана и других жаропрочных суперсплавов создает высокие силы резания не только в радиальном, но и в осевом направлении, что может привести к выдергиванию инструмента», — говорит Хэнсон в статье «Уроки высокопроизводительной обработки:Не забывайте о держателях инструментов». «Еще более важно использовать правильный тип держателей инструмента, чтобы предотвратить поломку инструмента и брак детали. Это может быть немного — может быть, всего несколько тысячных дюйма за раз, но велика вероятность, что этого достаточно, чтобы выбросить некоторые очень дорогие детали».

Если вы используете держатели с боковым замком, возможно, пришло время внести что-то новое и улучшенное. Многие поставщики лицензируют запатентованную Haimer технологию Safe-Lock. Но речь идет не только об увеличении срока службы инструмента за счет уменьшения вырыва. Также речь идет об уменьшении вибраций и гармоник, а также о том, чтобы не повредить шпиндель станка, поэтому стоит оценить гидравлические патроны при изготовлении деталей из жаропрочных сплавов, а также убедиться, что ЧПУ использует HSK, Capto, KM4X или другие технологии.

«Когда вы запускаете станки с такой скоростью, обычно со скоростью более 12 000 об/мин, рекомендуется всегда балансировать всю систему (т. е. резцедержатель с режущим инструментом)», — говорит Рональд Уэст, старший глобальный менеджер по продуктам Kennametal в отношении держателя инструмента. статья. «Это просто увеличивает срок службы инструмента и снижает износ шпинделя… С цанговым патроном или адаптером концевой фрезы немного сложнее поддерживать баланс из-за их конструкции и необходимого оборудования, но, как правило, гидравлические патроны и адаптеры с термозажимом намного легче точно отбалансировать для высокоскоростные приложения».

Чтобы обработать жаропрочные сплавы, попробуйте керамические инструменты; Делайте траектории длинными

«Керамические режущие материалы обеспечивают превосходную производительность при черновых операциях в FSM и ISM. Их применение сильно отличается от твердого сплава…» — отмечает Sandvik Coromant в своем руководстве по применению для работы с жаропрочными сплавами. Причина этого в том, что керамика обеспечивает высокие скорости резания, которые помогают получить «сильно пластифицированную и подверженную сдвигу стружку».

По мнению экспертов, ключ к черновой обработке жаропрочных сплавов заключается в скорости и подаче, чтобы вы могли достичь нужной температуры. Рекомендуется скорость более 3000 футов в минуту.

«Первым шагом является установка правильной скорости для повышения температуры в зоне резки, чтобы создать определенную степень пластификации материала, облегчая его обработку», — говорит Ян Андерссон, глобальный менеджер Greenleaf Corp. «В противном случае , вы боретесь с непредсказуемой стойкостью инструмента. После определения подходящей скорости вы используете скорость подачи для управления термической эвакуацией. Чем выше скорость подачи, тем больше масса стружки. Чем больше масса стружки, тем больше тепла вы отводите от зоны резания. Это контролирует компонент химического износа».

Еще один ключевой момент:траектории должны оставаться в разрезе как можно дольше, чтобы ваши инструменты оставались живыми и полезными как можно дольше. Это означает использование надлежащего программирования в вашей CAM для обеспечения радиуса в каждой траектории.

«Ключевой метод программирования, который мы ищем в Inconel и других суперсплавах, заключается в том, чтобы удерживать инструмент в резке как можно дольше», — говорит Дейл Микельсон, менеджер по продукции Methods Machine Tools, в статье Advanced Manufacturing. «Потому что каждый раз, когда вы входите в рез и выходите из него, вы теряете стойкость инструмента. Таким образом, мы создаем процедуры карманной обработки, которые движутся вниз в деталь по спирали. Если у вас есть плоская поверхность, вы обрезаете ее по спирали, а затем завершаете плоскую поверхность».

Вот видео пример фрезерования керамической лопатки турбины.

Нужен совет от других опытных машинистов и специалистов по металлообработке? Присоединяйтесь к обсуждениям на форуме металлообработки [требуется регистрация].