Обработка суперсплавов:советы экспертов для труднообрабатываемых материалов

Чтобы получить преимущество в современном мире высококонкурентной обработки, необходимо, чтобы мастерские были в курсе технологий режущего инструмента. Вот несколько решений для суперсплавов — металлов, которые, как известно, плохо поддаются механической обработке, но широко используются в аэрокосмической, энергетической и медицинской отраслях.

Инконель считается одним из наименее поддающихся механической обработке металлических сплавов. То же самое относится и к Hastelloy, Nimonic, Waspaloy и Rene. Все они содержат относительно большое количество никеля, кобальта или хрома (иногда всех трех), а также тугоплавких металлов, таких как молибден и тантал.

Учитывая их чрезвычайную прочность, твердость и устойчивость к нагреву и износу, неудивительно, что эти важные металлы носят высокий титул «суперсплавы».
 

Inconel 718, например, широко используется для изготовления компонентов горячей секции газотурбинных двигателей, поэтому он помечен как жаропрочный суперсплав (HRSA).

Monel K-500 обладает высокой устойчивостью к пару и морской воде, что делает его предпочтительным для морских применений.

Кобальт-хром (CoCR), с другой стороны, используется для всего, от зубных мостов и искусственных коленей до ветряных турбин и обручальных колец.

Существуют три основных класса суперсплавов:на основе никеля, на основе кобальта и на основе железа. Большинство из них являются запатентованными и разработаны такими компаниями, как Haynes International и Special Metals Corporation (SMC), для использования в аэрокосмической отрасли, а также для экстремально горячих, холодных или коррозионно-активных сред. Как уже отмечалось, все они сложны в обработке, требуя жесткого оборудования и режущих инструментов, предназначенных для этих сложных материалов.

Концевые фрезы, сверла и токарные пластины

К счастью, в механических мастерских, готовых работать с жаропрочными сплавами и другими суперсплавами, в наши дни есть из чего выбирать.

Три производителя режущего инструмента, с которыми мы беседовали для этой статьи, предлагают концевые фрезы, сверла и токарные пластины, разработанные специально для таких сложных материалов, как и другие поставщики. Однако в каждом случае необходимо предостеречь, что могут потребоваться разные тактики обработки, если мастерские хотят использовать эти инструменты в полной мере.

Например, у KYOCERA SGS Precision Tools Inc. есть свои концевые фрезы серии Multi-Carb, которые, как отмечает инженер по применению Джейкоб Рак, доступны с 7, 9 или 11 зубьями и имеют очень тяжелый сердечник для обеспечения жесткости.

«Много лет назад традиционный подход к суперсплавам заключался в использовании концевых фрез с меньшим количеством канавок и агрессивном воздействии на них», — говорит он. «Но в ходе внутренних испытаний, а также с помощью наших заказчиков из аэрокосмической отрасли мы убедились, что инструменты с большим числом канавок, применяемые при относительно небольшой глубине резания и скоростях резания от низких до умеренных, чрезвычайно эффективны при обработке жаропрочных сплавов».

В зависимости от конкретного материала Rak обычно рекомендует начинать с радиальной глубины резания (DOC) не более 5 процентов от диаметра инструмента. Это, конечно, при условии, что используется стратегия высокоэффективной обработки (HEM) или динамического фрезерования, поскольку они служат для утончения стружки и снижения нагрева в зоне резания.

«Мы подняли DOC до 20 процентов с помощью инструмента с 9 канавками, и это сработало очень хорошо», — говорит он. «Ключевым моментом является использование этих высокоэффективных траекторий обработки для распределения сил резания и предотвращения скачков нагрузки на инструмент».

Использование тяжелого основного инструмента

Рак повторяет необходимость использования тяжелого основного инструмента, так как это уменьшает отклонение, характерное для обработки суперсплавов. Как и Дерек Надинг, инженер по применению в M.A. Ford Mfg. Co. Inc., который обычно начинает с TuffCut XT9 (серия 380) компании, когда сталкивается со сложным применением суперсплавов.

«XT9 — это концевая фреза с 9 зубьями, переменным шагом и углом наклона спирали 37 градусов, которую мы специально разработали для крупного аэрокосмического предприятия несколько лет назад, — говорит он. «Мы быстро обнаружили, что он предлагает непревзойденные характеристики при работе с жаропрочными суперсплавами, поэтому после нескольких дополнительных настроек, в том числе покрытия на основе TiAlSiN (ALtima Xtreme), мы сделали его стандартным предложением».

Как и в случае с SGS и другими производителями режущего инструмента, М.А. Форд также считает, что стратегия трохоидального фрезерования является четким путем к обработке суперсплавов.

«С развитием станков и их систем управления за последние годы технология динамического фрезерования в сочетании с твердым сплавом с покрытием обеспечивает максимально возможную стойкость инструмента и скорость съема металла», — говорит Дирк Дитш, региональный бизнес-менеджер M.A. Ford в регионе Великих озер. .

«Однако это не единственные преимущества динамического фрезерования», — добавляет он. «Он также обеспечивает более низкие силы резания, улучшенное качество поверхности детали, снижение критического тепла в заготовке, а также наиболее надежную защиту процесса от катастрофического отказа режущего инструмента».

Поддержание вашего инструмента в прохладе

Оба специалиста по режущему инструменту подчеркивают необходимость жесткой установки и одинаково надежного станка, как и Стив Аршамбо, региональный менеджер по продукции Kennametal Inc. выделил HARVI 1 TE как свой первый выбор.

«В его конструкции есть некоторые хитрости, которые позволяют HARVI 1 TE работать более плавно и с меньшим трением», — говорит он. «В этих жаропрочных сплавах эта последняя часть — тепло и трение — является огромной проблемой. Благодаря эксцентричному граненому рельефу, специальному разделению стружки и параболическому сердечнику для повышения прочности этот инструмент обладает всеми характеристиками, необходимыми для эффективной резки жаропрочных сплавов».

Грег Сейдж, региональный менеджер по токарной обработке в Kennametal, быстро указывает, что цельный карбид — не единственная возможность для обработки суперсплавов; есть еще керамика.

Сейдж соглашается с советами других относительно жесткости, но добавляет, что это особенно необходимо для таких инструментов, как полностью керамические концевые фрезы Kennametal, а также для токарных операций, где используется керамика или PCBN (поликристаллический кубический нитрид бора).

«Учитывая жесткую установку, такие сплавы, как наша керамика KYS25, могут достигать скорости резания 700 футов в минуту или более в суперсплавах, что значительно увеличивает производительность», — говорит Сейдж. «А для чистовой обработки токарные пластины Kennametal KB1630 PCBN отлично справляются со своей задачей. Однако важно, чтобы магазины помнили, что существует множество вариантов, и они должны обращаться к своему поставщику режущего инструмента за поддержкой, когда решают, какие из них использовать и как их применять».

Как сделать настройки супер

Производители режущего инструмента скажут вам, что для успешной обработки жаропрочных суперсплавов, таких как инконель и хастеллой, необходимы сплав и геометрия для конкретного материала, жесткая настройка и правильный станок.

Конечно, они правы, но в истории с HRSA есть нечто большее.

Если позволяет сверло или концевая фреза, также рекомендуется использовать отфильтрованную охлаждающую жидкость в хорошем состоянии через инструмент при давлении 70 бар или выше (1000 фунтов на кв. дюйм). Конечно, это утверждение в равной степени применимо к менее требовательным материалам, как и к большинству токарных операций.

Конструкция державки также заслуживает тщательного рассмотрения. Поскольку при черновой обработке жаропрочных сплавов, титана и даже алюминия возникает проблема вытягивания инструмента, хорошим вложением средств является Haimer Safe-Lock или аналогичный противоскользящий держатель инструмента. Так же как и система балансировки инструмента. Как известно любому машинисту, устранение биения и вибрации является ключом к увеличению срока службы инструмента и улучшению качества деталей; один из лучших способов добиться этого — в дополнение к использованию высококачественных гидравлических, механических или термоусадочных держателей — это сбалансировать весь узел держателя перед использованием.

Выполните следующие действия, и вскоре вы обнаружите, что суперсплавы не так уж и сложны.

Какие советы и методы обработки суперсплавов вы можете предложить? Поделитесь своими мыслями и идеями в комментариях ниже.

Как вы управляете обработкой труднообрабатываемых материалов?

Поскольку производители стремятся получить преимущество на сложном глобальном рынке, крайне важно понимать, как обрабатывать определенные металлы.

Поэтому полезно знать методы обработки суперсплавов — металлов, которые, как известно, трудно поддаются механической обработке, но широко используются в аэрокосмической, энергетической и медицинской промышленности.

Помогите другим узнать, как обрабатывать эти материалы, приняв участие в нашем опросе.

Какие методы обработки жаропрочных сплавов вы считаете наиболее полезными?