Передовая обработка титана и ВЖС-сплавов: Оптимизация обрабатываемости, СОЖ и оснастки

Металлы вроде термостойких суперсплавов и титана могут быть действительно сложными, но с правильным подходом и руководством по обработке, удержанию инструмента и выбору пластин операторы станков могут преодолеть проблемные зоны.

От имплантируемых суставов в теле человека до крупных деталей для морских сооружений нефтегазовой отрасли до турбин двигателей в авиации — термостойкие суперсплавы и другие сплавы регулярно используются во всех основных производственных сегментах. Но их трудно обрабатывать.

Если цель — изготавливать детали наивысшего качества за минимальное время, то понимание, какую оснастку использовать — критично. Никто не хочет сжигать инструменты или вызывать задержки производства из-за сверхплотных, твердых металлов, которые заставляют станок работать на пределе, но режут очень медленно или неточно. Понимание возможностей станка также важно — как и знание инструментов, которые лучше всего подойдут для трудных материалов.

«Основное применение ВЖС — горячие зоны турбинных компонентов как для авиации, так и для энергетики — лопатки, блиски, кронштейны, клапаны, коллекторы, большинство из которых сложные и контурные», — пишет Эд Синкора для Advanced Manufacturing в статье «Горячие техники резки высокотемпературных сплавов».

«Это означает использование 5-осевого фрезерования для достижения требуемых форм и допусков в одной установке. А для мелких деталей нужны твердосплавные круговые инструменты, требующие особенно жестких держав», — объясняет Синкора.

Многие отрасли находятся под производственным давлением. Время, необходимое для получения качественных деталей, действительно важно, особенно на высококонкурентных рынках.

«Главный фокус — надежность процесса, так как эти структурные компоненты экстремально дороги», — отмечает Walter Tools в статье о карманном фрезеровании титана в авиации. «В то же время рыночное давление по стоимости требует высокой обработки и производительности».

Чтобы достичь комфортного уровня «надежности процесса», нужно много ноу-хау по использованию правильных станков, закрепления, оснастки, траекторий и СОЖ — всё вместе — говорят специалисты по обработке и оснастке. Мы исследуем лучшие рекомендации по оснастке и обработке для титана, ВЖС и сплавов.

Знайте рейтинг обрабатываемости металла

При резке титана, нержавейки или ВЖС, вероятно, многие детали будут содержать никель или хром — иногда кобальт. Распространенные никелевые сплавы: Inconel, Waspaloy, Hastelloy, нержавейки 304, 316, 17-4 и другие.

«Никель — твердый, коррозийностойкий, с отличной прочностью и ударной вязкостью», — отмечает Кип Хэнсон, консультант по производству, в статье «5 советов по резке никелевых высокотемпературных сплавов».

«При наличии острого инструмента и правильных режущих режимов чистый никель не так уж трудно точить или фрезеровать, хотя никелевые сплавы вроде Ni-Span-C 902 и Monel K-500 имеют рейтинг обрабатываемости 15% или ниже», — объясняет Хэнсон.

И обрабатываемость — суть. К счастью, многие современные станки и режущие инструменты справляются с большинством материалов — но вызов в том, чтобы знать правильные инструменты и техники для создания повторяемого и своевременного процесса. К этому концу помогает понимание рейтинга материала — таблица обрабатываемости может помочь.

Но ничто не заменяет реальный опыт и знания: Обсуждайте вопросы обрабатываемости с теми, кто делает это сегодня. Присоединяйтесь к форуму металлообработки [регистрация требуется].

Во многих случаях также помогает использование технических руководств от поставщиков оснастки, например, от Sandvik Coromant:

«Руководство по применению: Термостойкие суперсплавы»

В этом руководстве Sandvik Coromant говорит о ВЖС: «Физические свойства и поведение при обработке каждой [группы сплавов] существенно различаются как из-за химической природы сплава, так и из-за точной металлургической обработки, которую он проходит при изготовлении. Будь металл отожжен или застарив — особенно влияет на последующие свойства обработки».

Видео-пример резки трудного Monel K-500 с улучшенным инструментом, разработанным для него.

Другой пример резки Inconel 718.

Хотите узнать больше о составе используемых материалов? Прочитайте «Руководство по выбору режущего инструмента: Железные vs Незелезные металлы».

Контролируйте тепло, используйте СОЖ для металлообработки

Тепло, генерируемое в ЧПУ-станке на поверхности материала на скоростях и подачах, нужных для точных, надежных резов с правильными стружками, трудно переоценить. Это реальный вызов для пластин и инструментов.

«Плохая теплопроводность и высокая твердость генерируют высокие температуры при обработке», — отмечает Sandvik Coromant в статье «Выбор правильной токарной пластины для материалов ВЖС». «Высокая прочность, закачка при обработке и адгезионное упрочнение создают износ по щелку на макс. глубине резания и экстремально абразивную среду для режущей кромки».

Как защититься? Во многих применениях используют твердосплавные пластины, сохраняющие кромку твердой и прилегающие к субстрату, помогая избежать деформации.

«В общем, используйте пластины с большим углом вхождения (круглые пластины) и выбирайте положительную геометрию пластины. В токарной и фрезерной обработке керамические классы могут применяться в зависимости от приложения», — объясняет Sandvik Coromant.

И не забывайте роль покрытий и СОЖ, советует Скотт Этлинг, директор по управлению продуктами в Kennametal, в статье «Тепло включено: Труднобрабатываемые металлы».

«Нужно правильное PVD-покрытие, твердый субстрат, правильная геометрия, правильная подготовка кромки, высокие сдвиговые геометрии», — говорит Этлинг. «Тепло не уходит в стружку, как в стали. Тепло должно куда-то деваться, поэтому для большинства титановых применений нужно использовать огромное количество СОЖ».

Подробнее о СОЖ и ВЖС — в руководстве Sandvik Coromant. Производитель инструментов рекомендует:

«СОЖ должна подаваться во всех операциях, исключая фрезерование керамикой. Объем должен быть высоким и хорошо направлен. Высокое давление СОЖ (HPC) до 80 бар (1160 psi) показывает положительные результаты по сроку службы инструмента и стабильности».

Обеспечьте жесткость заготовки

«Обработка ВЖС требует очень стабильного станка, жесткого закрепления и очень жесткого интерфейса между шпинделем и державой», — отмечает Синкора.

Нужно знать не только материал и режущий инструмент. Есть также необходимые элементы, помогающие держать заготовку на месте и в сбалансированной силе, выдерживающей очень высокие обороты и пропускную способность современных станков и инновационных режущих инструментов.

«Обработка титана и других термостойких суперсплавов генерирует высокие режущие силы 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 державах». «Еще важнее использовать правильный тип держав для предотвращения отказа инструмента и брака деталей. Это может быть всего несколько тысячных дюйма за раз, но шансы высоки, что этого достаточно, чтобы выбросить очень дорогие детали».

Если используете державы с боковым зажимом (Weldon), возможно, пора принести что-то новое и улучшенное. Многие вендоры лицензируют запатентованную технологию Safe-Lock от Haimer. Но не только в увеличении срока инструмента за счет предотвращения выдергивания. Также в снижении биения и гармоник — и не повреждении шпинделя станка — поэтому гидравлические державы для изготовления деталей из ВЖС заслуживают оценки, как и обеспечение того, что ЧПУ имеет HSK, Capto, KM4X или другую технологию.

«Когда вы запускаете станки так быстро, обычно выше 12 000 об/мин, рекомендуется всегда балансировать полную систему (державу с режущим инструментом)», — говорит Рональд Уэст, старший глобальный менеджер по продуктам в Kennametal в статье о державах. «Это просто увеличивает срок службы инструмента и снижает износ шпинделя… С коллетной державой или переходником для концевой фрезы сложнее поддерживать баланс из-за их дизайна и необходимого железа, но обычно гидравлические державы и термоусадочные переходники гораздо легче точно балансировать для высокоскоростных применений».

Для черновой обработки ВЖС попробуйте керамические инструменты; Держите траектории длинными

«Керамические режущие материалы предлагают отличную продуктивность в черновых операциях в FSM и ISM. Их применение сильно отличается от твердого сплава…» — отмечает Sandvik Coromant в руководстве по работе с ВЖС. Причина в том, что керамика позволяет высокие режущие скорости, помогающие создать «высокопластифицированную и сдвиговую стружку».

Ключ к черновой обработке ВЖС — в скоростях и подачах, чтобы достичь нужной температуры, по мнению экспертов. Рекомендуются скорости выше 3000 футов в минуту (900 м/мин).

«Первый шаг — установить правильную скорость, чтобы поднять температуру в зоне реза до определенной степени пластификации материала, делая его легче для обработки», — говорит Ян Андерссон, глобальный менеджер в Greenleaf Corp. «Иначе вы боретесь с непредсказуемым сроком службы инструмента. После определения подходящей скорости используете подачу для управления теплоотводом. Чем выше подача, тем больше масса в стружке. Чем больше масса в стружке, тем больше тепла вы уводите из зоны реза. Это контролирует химический компонент износа».

Еще один ключевой момент: траектории инструмента должны оставаться в резании максимально долго, чтобы инструменты жили и были полезны дольше. Это означает правильное программирование в САПР для принудительного радиуса в каждой траектории.

«Ключевая программная техника для Inconel и других суперсплавов — держать инструмент в резе как можно дольше», — говорит Дейл Микельсон, менеджер по продуктам в Methods Machine Tools в статье Advanced Manufacturing. «Потому что каждый раз, когда вы входите и выходите из реза, теряете срок службы инструмента. Поэтому создаем карманные подпрограммы, уходящие в деталь по спирали. Если есть плоскость — режете до этой плоскости по спирали, затем дофрезеровываете плоскую поверхность».

Видео-пример керамического фрезерования турбинной лопатки.

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