Nøglefaktorer ved bearbejdning af rustfrit stål

En nøje gennemtænkt kombination af – eller balance mellem – de
skærende værktøjers egenskaber og geometrier og anvendelsen af
aggressive skæreparametre kan forbedre produktiviteten af
bearbejdningsprocesser i rustfrit stål betydeligt.

Legeringens udvikling
Grundlæggende kategoriseres rustfrie stållegeringer som ferritiske
eller martensitiske. Ferritiske legeringer har 10-12 % krom og kan
ikke hærdes. Martensitiske legeringer har et højere krom- og
kulstofindhold end ferritiske rustfrie ståltyper, samt tilsætning
af mangan og silicium, og giver en legering, der kan hærdes ved
hjælp af en termisk behandling. Ferritiske og martensitiske
rustfrie stållegeringer anvendes generelt ikke så ofte i
industrielle miljøer, men snarere i husholdningsartikler såsom
køkken- eller haveværktøjer.

Alt imens anvendelsen af rustfrit stål har udviklet sig, er
legeringer ofte blevet anvendt i situationer, der kræver mekanisk
styrke og korrosionsbestandighed. Metallurgieksperter har tilsat
nikkel i legeringerne for at øge deres styrke. Jern-/kromlegeringer
er blevet til jern-/krom-/nikkellegeringer. Disse materialer kaldes
austenitiske rustfrie ståltyper, og de er almindeligt anvendt i
industrien i dag, hvor der kræves styrke og modstandsdygtighed over
for korrosion og varme. Legeringerne anvendes typisk inden for
petrokemisk behandling, i fødevareindustrien, hvor
hygiejnestandarderne kræver korrosionsbestandighed, og i
almindelige maskiner beregnet til brug i krævende miljøer.

Ved at øge nyttevirkningen af en legering, som f.eks. rustfrit
stål, vil det nødvendigvis mangedoble udfordringerne i at
maskinbearbejde den. De korrosionsbestandige egenskaber i
ferritiske og martensitiske rustfrie stållegeringer er i bund og
grund kemiske egenskaber, og som følge deraf er disse legeringer
ikke meget vanskeligere at maskinbearbejde end almindeligt stål.
Men tilsætningen af nikkel og andre bestanddele i austenitisk
rustfrit stål giver øget hårdhed, holdbarhed, deformationsmodstand
og termiske egenskaber, der reducerer maskinbearbejdeligheden.

Sådan lærer vi at forstå legeringerne
Indtil for nylig forstod vi os ikke særligt godt på
maskinbearbejdningen af austenitisk rustfrit stål. Maskinoperatører
mente, at eftersom legeringerne blev stærkere, skulle der bruges
større mekaniske skærekræfter, og at det ville være nødvendigt at
anvende stærkere værktøjer med en negativ geometri ved reducerede
skæreparametre. Men denne fremgangsmåde gav kort standtid, lange
spåner, hyppige grater, utilfredsstillende overfladeruhed og
uønskede vibrationer.

I virkeligheden er de mekaniske skærekræfter, der skal anvendes
ved bearbejdning i austenitisk rustfrit stål, ikke meget større end
dem, der typisk anvendes ved maskinbearbejdning af traditionelt
stål. Det meste af det ekstra energiforbrug, der kræves til
maskinbearbejdning af austenitisk rustfrit stål, er forårsaget af
dets termiske egenskaber. Bearbejdning er en deformationsproces, og
når deformationsmodstandsdygtig, austenitisk rustfrit stål bliver
maskinbearbejdet, genereres ekstrem varme.
Det er af største vigtighed at lede denne varme væk fra
skærezonen. Ud over at være modstandsdygtig over for deformation
har austenitisk stål desværre også en lav varmeledningsevne. De
spåner, der dannes ved maskinbearbejdning af almindeligt stål,
absorberer og transporterer varme væk, men austenitiske rustfrie
stålspåner kan kun absorbere varme i et begrænset omfang. Og fordi
arbejdsemnet i sig selv har dårlig varmeledningsevne, fortsætter
overskudsvarmen ind i det skærende værktøj, hvilket medfører
kortere standtid.

Værktøjsproducenter konstruerer underliggende værktøjslag af
hårdmetal med en tilstrækkelig varmehårdhed til at kunne modstå de
høje temperaturer, der dannes ved maskinbearbejdning af rustfrit
stål. Samtidig har skarpheden af værktøjets skæræg mindst lige så
stor betydning som sammensætningen af det underliggende lag. Et
skarpere værktøj skærer i højere grad i rustfrit stål end at
deformere det og reducerer dermed varmedannelsen.

Aggressive skæreparametre
Af hensyn til bortledning af varme fra skærezonen er det mest
effektive middel til maskinbearbejdning af rustfrit stål at anvende
de størst mulige spåndybder og tilspændinger. Målet er at maksimere
den mængde varme, der transporteres væk i spånen. Eftersom rustfrit
ståls dårlige varmeledningsevne begrænser den mængde varme, der kan
optages i hver kubikmillimeter spånmateriale, vil frembringelsen af
større spåner med større kubikmillimetervolumen bortlede mere
varme. Anvendelsen af større spåndybder vil samtidigt reducere
antallet af overløb, der kræves for at færdiggøre en del. Dette er
en vigtig faktor, da austenitisk rustfrit stål udviser
tilbøjelighed til at deformations- eller arbejdshærde, når det
bliver bearbejdet.

Der er praktiske begrænsninger for disse aggressive
fremgangsmåder ved maskinbearbejdning. Kravene til
overfladekvaliteten vil for eksempel begrænse den maksimale
tilspænding. Maskinens styrke, samt de skærende værktøjers og
emnets styrke, udgør også begrænsninger for den aggressivitet, der
kan anvendes for parametrene.

Strategier vedrørende køling
De problematiske termiske egenskaber ved austenitiske, rustfrie
stål tyder på, at anvendelsen af køling næsten altid vil være
afgørende for en vellykket bearbejdning. Kølevæsken skal være af
høj kvalitet, med et indhold af olie på mindst otte eller ni
procent i en olie-/vandemulsion, i forhold til et indhold af olie
på tre eller fire procent, der er typisk for mange
bearbejdningsprocesser.

Den måde, som kølevæsken anvendes på, er ligeledes vigtig. Jo
højere tryk, kølemiddel ledes til skærezonen med, jo større vil
udnyttelsesgraden være. Specialiserede kølesystemer, som f.eks.
Seco Jetstream Tooling®, der leverer en højtryksstråle af kølevæske
direkte til skærezonen, er endnu mere effektiv.

Værktøjsbelægninger kontra slitageprocesser
En hård belægning på overfladen af værktøjets substrat styrker
varmhårdheden af værktøjets overflade og forbedrer standtiden i
miljøer med høje temperaturer. Men en belægning skal generelt være
tyk for at isolere værktøjets underliggende lag fra varmen, og en
tyk belægning vil ikke sidde så godt fast på en meget skarp
geometri. Producenter af skærende værktøjer arbejder på at
konstruere belægninger, der er tynde, men som giver en god barriere
mod varmen.

Austenitisk rustfrit stål udviser stor sejhed og har en tendens
til at klæbe til det skærende værktøj. Anvendelsen af en belægning
kan også hæmme friktionsslitagen, en tilstand, der opstår, når det
afskårne materiale klæber til og ophobes på skæræggen. Det klæbende
emnemateriale kan således trække dele af skæræggen væk og føre til
dårlig overfladefinish og værktøjsdefekt. Belægningen kan give en
smøreevne, der begrænser friktionsslitagen; højere skærehastigheder
medvirker også til at mindske friktionsslitagemekanismen.

Nogle austenitiske, rustfrie stållegeringer indeholder hårde,
slidende indeslutninger, og det kan være en fordel for værktøjets
standtid at øge dets slidstyrke med en hård belægning.

Stråleslitage opstår ved en legerings tendens til at
deformations- og arbejdshærde, når den maskinbearbejdes.
Stråleslitage kan betegnes som ekstrem, meget lokal
friktionsslitage, og det kan afhjælpes ved at anvende egnede
belægninger og andre foranstaltninger såsom varierende spåndybde
for at sprede slitageområderne ud over skæræggen.

Udvikling af værktøjer
Værktøjsproducenter fokuserer løbende på at udvikle de skærende
værktøjer samt at finde en balance mellem værktøjsegenskaberne, der
kan give optimal ydeevne i bestemte arbejdsemnematerialer.
Forskning i hårdmetalkvaliteter søger en balance mellem hårdhed og
holdbarhed, så et værktøj ikke bliver så hårdt, at det går i
stykker, men er hårdt nok til at modstå deformation. Ligeledes
foretrækkes en skarp skæregeometri, men den er ikke så mekanisk
stærk som en afrundet æg. Derfor er udviklingen af skæregeometri
rettet mod at skabe værktøjer, der skaber så stor balance mellem
skarphed og styrke som muligt.

Som en del af udviklingsprocessen reviderer værktøjsproducenter
deres retningslinjer for værktøjsprogrammer. Anbefalinger til de
nuværende bearbejdningsparametre er for størstedelens vedkommende
baseret på sejheds- og hårdhedsegenskaber for traditionelle
ståltyper, uden hensyntagen til de termiske faktorer, der er så
vigtige ved maskinbearbejdningen af austenitisk rustfrit stål og
andre højeffektive legeringer. Værktøjsproducenter er for nylig
begyndt at samarbejde med akademiske institutioner om at revidere
værktøjstestprocedurer, så de inddrager bestemte materialers
termiske egenskaber.

De nye retningslinjer afspejler etableringen af nye
referencematerialer. Standarderne for maskinbearbejdelighed blev
oprindeligt sat ud fra ét referencemateriale, en legeret ståltype,
og var baseret på de mekaniske belastninger, der opstår under
maskinbearbejdningen. Nu er der et separat referencemateriale for
austenitiske, rustfrie ståltyper, der har skabt grundlæggende
værdier for hastighed, fremføring og skæredybde. I forhold til
dette referencemateriale anvendes afbalancerings- eller
kalibreringsfaktorer til at bestemme ændringer i de grundlæggende
værdier, der vil skabe optimal produktivitet i materialer med
forskellige spåntagende egenskaber.

Bestemte geometrier til bestemte materialer
Mange skærende værktøjer opnår yderst acceptable resultater i en
række forskellige materialer og under en lang række
skærebetingelser og maskinbearbejdningsparametre. For enkelt styk
produktion med moderate produktivitets- og kvalitetskrav kan disse
værktøjer være et omkostningseffektivt valg. For at opnå maksimale
resultater er værktøjsproducenter dog nødt til konstant at håndtere
og afveje en bred vifte af elementer for at skabe skærende
værktøjer, der giver den bedste produktivitet og processikkerhed i
bestemte arbejdsemnematerialer.

De grundlæggende bestanddele i et værktøj omfatter det
underliggende lag, overfladebelægningen og geometrien. Hver af dem
er vigtige, og i de bedste værktøjer fungerer de som et system, der
skaber bedre resultater end summen af de enkelte dele.

Der er dog forskelle mellem de roller, værktøjets dele spiller.
Det underliggende lag og overfladebelægningen har passive roller;
de er udviklet til at levere en god balance mellem hårdhed og
holdbarhed, der kan modstå høje temperaturer, og som kan modstå
kemisk slitage, vedhæftnings- og friktionsslitage.
Værktøjsgeometrien spiller på den anden side en aktiv rolle, da en
ændring i geometrien kan ændre mængden af metal, der kan fjernes
inden for et bestemt tidsrum, mængden af varme, der genereres,
måden, hvorpå spåner dannes, samt hvilken overfladekvalitet, der
kan opnås.

Grundlæggende eksempler på forskelle i geometrien, der kan ændre
ydeevnen, omfatter traditionelle drejeskær fra Seco, der kaldes
f.eks. M3 og M5 med negative (0° frivinkel) skæregeometrier og
T-lande mellem skæræggen og værktøjets skæreflade. M3-geometrien er
en alsidig, mellemgrov geometri, som giver god standtid og
spånbrydning i en lang række arbejdsemnematerialer. M5-geometrier
er tiltænkt krævende skrubbebearbejdningsapplikationer med høje
tilspændinger, der kombinerer en høj styrke i skæræggen med
forholdsvist lave skærekræfter.

Selvom de er alsidige, er M3- og M5-geometrierne stærke, men
ikke helt skarpe, og genererer en hel del varme på grund af
deformation ved bearbejdning af austenitisk rustfrit stål.
Værktøjsudformninger, der kan være mere effektive ved
maskinbearbejdning af rustfrit stål, omfatter til sammenligning
Seco MF4- og MF5-geometrierne, der har skarpe, positive geometrier
med mere snævre, positive T-lande, som er med til at opretholde
skarpheden, samtidig med at de giver støtte bag den skarpe æg.
Geometrierne er udviklet til at være åbne og friskærende, så de
letter halvfabrikata- og færdigbehandlingsprocesser i stål og
rustfrit stål. MF5-geometrien er særligt effektiv i applikationer
med høje tilspændinger.