Освоение обработки суперсплавов: экспертные советы по резке самых твердых материалов

Получение преимущества в современном конкурентном мире обработки требует, чтобы цехи следили за технологией режущего инструмента. Вот несколько решений для суперсплавов — металлов, которые невероятно трудно обрабатывать, но широко используются в авиакосмической, энергетической и медицинской отраслях.

Инконел входит в число наименее обрабатываемых металлических сплавов. То же верно для Хастеллоя, Нимоника, Васпалой и Рене. Все они содержат относительно высокие количества никеля, кобальта или хрома (иногда все три), и рефрактарных металлов, таких как молибден и тантал.

Учитывая их экстремальную вязкость, твердость и устойчивость к теплу и износу, неудивительно, что эти важные металлы носят высокое звание «суперсплавы».

Инконел 718, например, широко используется для изготовления компонентов горячей секции газовых турбинных двигателей, поэтому он классифицируется как жаропрочный суперсплав (HRSA).

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

Кобальт-хром (CoCr), с другой стороны, используется для всего: от дентальных мостиков и искусственных коленей до ветряных турбин и обручальных колец.

Существует три общих класса суперсплавов: никелевые, кобальтовые и железные. Большинство являются проприетарными, разработанными компаниями вроде Haynes International и Special Metals Corporation (SMC) для авиакосмического использования и для экстремально горячих, холодных или коррозионных сред. Как отмечалось, все они сложны в обработке, требуя жесткого оборудования и режущих инструментов, предназначенных для этих требовательных материалов.

Фрезы, сверла и токарные пластины

К счастью, машиностроительные цехи, готовые взяться за HRSA и другие суперсплавы, сегодня имеют большой выбор режущего инструмента.

Три производителя режущего инструмента, с которыми мы говорили для этой статьи, все предлагают фрезы, сверла и токарные пластины, специально разработанные для таких сложных материалов, как и другие поставщики. Оговорка в каждом случае заключается в том, что могут потребоваться другие тактики обработки, если цехи хотят использовать эти инструменты в полной мере.

Например, KYOCERA SGS Precision Tools Inc. имеет свою серию фрез Multi-Carb, которые, как отмечает инженер по приложениям Якоб Рак, доступны с 7, 9 или 11 зубьями и обладают очень толстым ядром для жесткости.

«Раньше обычный подход к суперсплавам — использовать фрезы с меньшим числом зубьев и атаковать агрессивно», — говорит он. «Но мы видели во внутренних тестах и у наших авиакосмических клиентов, что инструменты с большим числом зубьев, применяемые при довольно легких глубинах резания и низких или умеренных скоростях резания, крайне эффективны в суперсплавах».

В зависимости от конкретного материала, Рак обычно рекомендует начинать с радиальной глубины резания (DOC) не более 5% от диаметра инструмента. Это, конечно, при условии, что используется стратегия высокоэффективной обработки (HEM) или динамическая фрезеровка, так как они тончат щепь и снижают тепло в зоне резания.

«Мы достигали 20% DOC с 9-зубьевым инструментом, и это работало очень хорошо», — говорит он. «Ключ — использование траекторий высокоэффективной обработки для распределения сил резания и предотвращения пиков нагрузки на инструмент».

Использование инструмента с тяжелым ядром

Рак повторяет необходимость инструмента с тяжелым ядром, так как это уменьшает дефлекцию, распространенную при обработке суперсплавов. Так думает и Дерек Надинг, инженер по приложениям в M.A. Ford Mfg. Co. Inc., который обычно начинает с фрезы компании TuffCut XT9 (серия 380) при сложном применении суперсплава.

«XT9 — это 9-зубьевая фреза с переменным шагом и спиралью 37 градусов, которую мы разработали для крупного авиакосмического счета как специальный заказ несколько лет назад», — говорит он. «Мы быстро обнаружили, что она предлагает непревзойденную производительность в жаропрочных суперсплавах, поэтому после нескольких дополнительных доработок — среди них покрытие на основе TiAlSiN (ALtima Xtreme) — мы сделали её стандартным предложением».

Как и SGS и другие производители режущего инструмента, M.A. Ford также предполагает, что тройкоидальная стратегия фрезерования — явный путь вперед в обработке суперсплавов.

«С прогрессом в станках и их системах управления за последние годы технология динамической фрезеровки вместе с покрытым твердым сплавом дает лучший возможный срок службы инструмента и скорость удаления металла», — говорит Дерк Дич, региональный менеджер по бизнесу M.A. Ford для региона Озеро.

«Однако это не единственные преимущества динамической фрезеровки», — добавляет он. «Она также обеспечивает более низкие силы резания, улучшенное качество поверхности детали, снижение критического тепла в заготовке, а также самый стабильно безопасный процесс против катастрофического отказа режущего инструмента».

Охлаждение вашего инструмента

Оба специалиста по режущему инструменту подчеркивают необходимость жесткой установки и равномерно надежного станка, как и Стив Арчамбо, региональный менеджер по продуктам Kennametal Inc. Когда его спросили, какая из фрез компании лучше всего подходит для успешной обработки суперсплавов, он перечислил несколько вариантов, но выделил HARVI 1 TE как свой первый выбор.

«В его конструкции есть трюки, позволяющие HARVI 1 TE работать более плавно и с меньшим трением», — говорит он. «В этих высокотемпературных сплавах эта последняя часть — тепло и трение — огромная проблема. С эксцентричной фасеточной задней поверхностью, специальным гашингом щепей и параболическим ядром для прочности, этот инструмент имеет все атрибуты, необходимые для эффективной резки суперсплавов».

Грег Сейдж, региональный менеджер по токарным пластинам в Kennametal, быстро указывает, что твердый сплав не единственная игра в городе для обработки суперсплавов; есть также керамика.

Сейдж поддерживает совет других о жесткости, но добавляет, что она особенно необходима с инструментами вроде полнокерамических фрез Kennametal, и в токарных операциях, где используются керамика или ПКБН (поликристаллический кубический нитрид бор).

«При жесткой установке сорта вроде нашего керамического KYS25 можно достичь скоростей резания 700 sfm (213 м/мин) или более в суперсплавах, что значительно повышает пропускную способность», — говорит Сейдж. «И для финишных операций токарные пластины ПКБН KB1630 Kennametal делают фантастическую работу. Важно, чтобы цехи помнили, что существует множество вариантов, и им стоит обратиться к поставщику режущего инструмента за поддержкой при выборе и применении».

Делаем установки суперскими

Производители режущего инструмента скажут вам, что материально-специфический сорт и геометрия, жесткая установка и правильный станок — все нужно для успешной обработки жаропрочных суперсплавов вроде Инконеля и Хастеллоя.

Они правы, конечно, но в истории HRSA есть больше.

Если сверло или фреза позволяют, использование отфильтрованного, хорошо обслуживаемого СОЖ через инструмент под давлением 70 бар и выше (1000 psi) также рекомендуется. Конечно, это утверждение равно хорошо применяется и к менее требовательным материалам, так же как и для большинства токарных операций.

Конструкция державы также заслуживает тщательного рассмотрения. Поскольку вытягивание инструмента является проблемой при черновой обработке суперсплавов, титана и даже алюминия, держава Haimer Safe-Lock или сравнимая антискользящая держава — хорошая инвестиция. Так же как и система балансировки инструмента. Как знает любой токарь, устранение биения и вибрации — ключ к продлению срока службы инструмента и улучшению качества детали; один из лучших способов достичь этого — помимо использования качественных гидравлических, механических или термоусадочных держав — балансировать всю сборку державы перед использованием.

Следуйте этим шагам, и вы скоро обнаружите, что суперсплавы не так уж супер-сложны.

Какие советы и техники вы можете предложить об обработке суперсплавов? Поделитесь мыслями и наблюдениями в комментариях ниже.

Как вы справляетесь с обработкой труднобрабатываемых материалов?

Поскольку производители ищут преимущество в сложном глобальном рынке, понимание того, как обрабатывать определенные металлы, жизненно важно.

Техники обработки суперсплавов — металлов, невероятно трудно обрабатываемых, но распространенных в авиакосмической, энергетической и медицинской отраслях — поэтому полезно знать.

Помогите другим получить представление об обработке этих материалов, участвуя в нашем опросе.

Какие техники обработки суперсплавов вы считаете наиболее полезными?