Nye værktøjer og strategier udfordrer ISO S-materialer (superlegeringer)
For at imødekomme dette har producenter af skærende værktøjer
udviklet produkter og bearbejdningsstrategier, som har fokus på
materialernes bearbejdelighed og muliggør en pålidelig, ensartet og
forholdsvis økonomisk bearbejdning af legeringer i ISO S-gruppen.
Værktøjsproducenter vil nu også uddanne producenter i de nye
værktøjer og strategier samt bevise overfor kunderne, at de nye
bearbejdningsteknikker giver en hurtigere og mere økonomisk
bearbejdning end de metoder, der anvendes i dag.
Faktorer med betydning for
bearbejdelighed
Begrebet “bearbejdelighed” beskriver et metals reaktioner på
bearbejdningsprocessen. Bearbejdelighed inkluderer fire
grundlæggende faktorer: De mekaniske kræfter, der genereres under
bearbejdning, spåndannelse og -afgang, varmegenerering og
-overførsel og skæreværktøjets slitage og skader. For store
påvirkninger fra en eller flere af disse faktorer kan betyde, at et
materiale klassificeres som “svært bearbejdeligt.”
Problemer i forhold til bearbejdelighed opstår i forhold til
værktøjets standtid, bearbejdningstid, processikkerhed og
kvaliteten, når der bearbejdes HRSA og titanlegeringer med de samme
værktøjer og teknikker, som har været anvendt i mange årtier på
f.eks. stål og jern. Det er først inden for de sidste par år, at
der er blevet udviklet værktøj specielt til nikkel- og
titanbaserede legeringer. Bearbejdning af disse forholdsvist nye
materialer er ikke nødvendigvis sværere end bearbejdning af
traditionelle materialer – det er bare anderledes.
For eksempel er fremgangsmåden ved bearbejdning af “besværligt”
materiale som regel at gå forsigtigt frem og bruge knap så
aggressive skæreparametre, inklusive reducerede tilspænding,
spåndybder og hastigheder. Nu hvor der er udviklet skærende værktøj
specifikt til disse højtydende emnematerialer, er
tommelfingerreglen i stedet at øge spåndybderne og tilspændingen.
Blandt værktøj, der er designet til at håndtere disse mere
aggressive parametre, kan nævnes finkornede hårdmetalskvaliteter,
som giver en god ægstyrke og god belægning, der ved høje
temperaturer kan modstå stråleslid forårsaget af
deformationshærdede arbejdsemner. Der er også blevet udviklet
keramiske og PCBN-værktøjer til skrubbearbejdning og
sletbearbejdning af disse højtydende legeringer.
Hvad angår specifikke faktorer for bearbejdelighed, udgør HRSA
mekaniske eller effektrelaterede problemer, som ikke adskiller sig
væsentligt fra jern eller stål. Derimod er der en stor forskel i
generering og spredning af varme. Der genereres varme, når
spåntagningen deformerer emnematerialet, og de spåner, der dannes i
skæreprocesserne, kan transportere varmen væk. De segmenterede
spåner fra disse materialer gør det dog ofte ikke særligt godt.
Derudover er de varmebestandige materialer selv dårlige
varmeledere. Temperaturer i skærezoner kan nå op på “1100˚ C til
1300˚ C”, og når varmen ikke kan ledes væk, hober den sig op i
værktøjet og arbejdsemnet. Resultatet er en forringet standtid og
endda deformation af arbejdsemnet og ændringer i dets metallurgiske
egenskaber.
For at hjælpe med at løse dette problem er det nødvendigt at
ændre opfattelse af skæreværktøjets styrke. Skærende værktøjer med
skarpe skærhjørner anses som regel for at være svage. Én måde at
kontrollere ophobningen af varme i værktøjet på er dog at bruge
skarpt skærende værktøj, som skærer i materialet i stedet for at
deformere det og dermed genererer mindre varme. Udførelse af denne
strategi kræver værktøjer med god ægstyrke, stabilitet og
vibrationsmodstand.
Ved bearbejdning af HRSA er der dog også en tendens til
deformationshærdning og udskillelseshærdning. Ved
deformationshærdning bliver materialet i skærezonen hårdere, når
det udsættes for den belastning og de høje temperaturer, som
skæreprocessen medfører. Nikkel- og titanbaserede legeringer
udviser større deformationshærdningstendenser end stål. Ved
udskillelseshærdning dannes der hårde partikler i emnematerialet,
når de høje temperaturer aktiverer et legeringselement, som ellers
var inaktivt. I begge tendenser kan strukturen ændres betydeligt
efter et enkelt overløb med skæreværktøjet, og ved andet overløb
skal der skæres igennem en meget hårdere overflade. En løsning vil
være at minimere antallet af overløb. Eksempelvis vil det i stedet
for at fjerne 10 mm materiale med to 5 mm dybe skæreoverløb være
bedre med ét overløb med en spåndybde på 10 mm. I mange situationer
er det ikke muligt at foretage bearbejdningen i ét overløb, men det
er et teoretisk mål.
Denne tilgang kræver også, at man genovervejer
sletbearbejdningsprocessen, som traditionelt set involverer flere
overløb ved små spåndybder og lette tilspænding. Producenter bør i
stedet forsøge at øge parametrene så meget som muligt, da dette vil
øge standtiden og give en bedre overfladefinish.
En lidt større spåndybde til et sletbearbejdningsoverløb gør
også, at den skarpeste del af skærhjørnet placeres under eventuelle
belastnings- eller udskillelseshærdede områder på emnet. Hvis
spåndybden bliver for stor, kan der dog genereres vibrationer,
hvilket vil få negative konsekvenser for overfladefinishen. Det
afgørende her er at finde den optimale balance mellem aggressivitet
og forsigtighed.
Pålidelighed og økonomi
Med de værkøjer og strategier, der i dag er blevet udviklet
specifikt til nikkel- og titanbaserede legeringer, kan
bearbejdningen stort set udføres uden teknologiske problemer. Den
evige udfordring er ikke blot at få bearbejdet arbejdsemnet, men at
få det bearbejdet korrekt inden for et givent tidsrum og givne
omkostninger. Målet er at gøre behandlingen mere pålidelig og
produktionen mere økonomisk.
Når man tænker på de høje omkostninger ved de avancerede
emnematerialer og de komponenter, der fremstilles af disse
materialer, er det afgørende, at bearbejdningsprocesserne er 100 %
pålidelige. Producenterne har ikke råd til at producere dele, der
bare skal kasseres, mens de forsøger at finde frem til en pålidelig
bearbejdningsproces. Brug af de rette værktøjer og
bearbejdningsparametre er med til at sikre ensartede
bearbejdningsresultater.
Hvad angår bearbejdningsparametre, bidrager større spåndybder og
tilspændinger til produktiviteten. Højere tilspændinger kan også
fremskynde bearbejdsningstiden, men den mulighed er endnu ikke
blevet udforsket til bunds. De hastigheder, der anvendes i nikkel-
og titanbaserede legeringer i dag, er stadig lavere end dem, der
anvendes i stål. Igangværende forskning fokuserer imidlertid på
udvikling af skærende værktøjer med egenskaber, der stadig sikrer
en rimelig standtid.
Ud over skærende værktøjer er der også andre dele af
skæreprocesen – såsom brug af værktøjssystemer med direkte
højtrykskøling (HPDC) – der kan bidrage til en øget produktivitet.
Hvis skærehastighederne for et ISO S-materiale er 50 m/min., kan
HPDC tillade skærehastigheder helt op til 200 m/min. og dermed
firdoble udbyttet.
Standtid er endnu et element af produktiviteten, som kan ses fra
en ny vinkel, når man bearbejder HRSA. Den traditionelle målestok
for standtid tæller, hvor mange minutter et værktøj kan skære,
inden det skal skiftes. En anden måde at måle standtiden på er
omkostningerne.
Hvis det f.eks. tager to timer at producere et bestemt
arbejdsemne, og værktøjerne skal skiftes for hver 20 minutter, skal
der indkøbes seks værktøjer til at fuldføre delen. Hvis man
anvender den tankegang, ville målet være at reducere de samlede
værktøjsomkostninger og få 30 minutters standtid i stedet for
20.
Værktøjsomkostninger er imidlertid en meget lille del af den
samlede værdi af delene i forbindelse med bearbejdning af dyre
komponenter i HRSA eller titanlegeringer. En mere relevant målestok
er værktøjsudnyttelse, også kaldet et værktøjs udnyttelsesindeks.
Hvis man sammenligner to værktøjer, og det ene holder i 10 minutter
og producerer ét arbejdsemne, er værktøjsomkostningen ét værktøj
pr. arbejdsemne. Et andet værktøj, som anvendes på en anden måde,
holder måske kun i fem minutter, men producerer to dele. Selv om
standtiden i minutter for værktøj nr. 2 er halvdelen af standtiden
for nr. 1, er det resulterende antal dele dobbelt så stort. Målet
er at producere så mange korrekte arbejdsemner som muligt på så
kort tid som muligt til en acceptabel pris. Når man tager de høje
omkostninger til dele i HRSA i betragtning, er
værktøjsudnyttelsesindekset en bedre målestok for ægte
produktivitet.
Konklusion
Som altid er viden om, hvordan man bedst anvender en nyudviklet
spåntagningsteknologi til en bestemt opgave, afgørende for, at man
udnytter teknologien maksimalt. Idet der hele tiden sker fremskridt
inden for højtydende emnematerialer som HRSA og titanbaserede
legeringer, vil værktøjsproducenter også fortsætte med at udvikle
nye måder at maksimere produktiviteten i bearbejdningsprocesserne
for de nye legeringer på. Producenter vil drage fordel af kendskab
til tilgængeligheden af de nye værktøjer og værktøjsproducenternes
omfattende viden om, hvordan de bedst anvendes
Løbende værktøjsudvikling
Rustfrit stål, som blev patenteret i forskellige former for omkring
100 år siden, var det første skridt mod moderne HRSA. I de første
rustfrie stållegeringer blev der tilføjet krom til stål for at
modvirke iltning og korrosion – grundlæggende rustfrie
stållegeringer har et kromindhold på minimum 10,5 procent efter
vægt. Senere blev der også tilføjet nikkel for at forbedre
hårdheden og sejheden af rustfrit stål. Procentdelen af nikkel
voksede, efterhånden som legeringerne blev anvendt i mere og mere
krævende miljøer, og nikkel endte med at være det primære
legeringselement i materialerne. HRSA-legering 718, som er
almindeligt kendt i dag og sælges under navnet Inconel 718, har et
nikkelindhold på 50 til 55 procent, et kromindhold på 17 til 21
procent, andre elementer udgør 10 procent af indholdet, og resten
er jern. Moderne HRSA og titanbaserede legeringer giver en
fremragende styrke, varme- og korrosionsbestandighed og
pålidelighed.
Når producenter bliver konfronteret med disse nye, udfordrende
emnematerialer, forsøger de i første omgang at anvende kendte
bearbejdningsmetoder. De opnår dog først en maksimal produktivitet,
når de begynder at anvende værktøjer og teknikker, der er designet
til brug sammen med disse specifikke materialer og funktioner.
I midten af 1980’erne etablerede Seco eksempelvis det, de kaldte
for deres “alfagruppe” af videnskabsmænd og ingeniører for at finde
frem til mere produktive måder at bearbejde rustfrit stål på.
Gruppen samarbejdede med en række producenter af rustfrit stål for
at udvikle nye hårdmetalskvaliteter og geometrier og også
specifikke skæremetoder til rustfrit stål. I 1990’erne blev
projektet udvidet til at inkludere højtydende HRSA-materialer.
Ud over de forskellige hårdmetalskvaliteter, belægninger og
geometrier er der blevet udviklet værktøjer til at optimere
produktiviteten ved HRSA-bearbejdning i specifikke dele af
metalskæreprocessen. Secos CS100 keramiske sialon-kvalitet har
eksempelvis en høj kemisk resistens, slidbestandighed og sejhed,
hvilket gør, at den kan opnå en lang og ensartet standtid. Typiske
skæreparametre ved skrubdrejning inkluderer hastigheder på 150
m/min. til 305 m/min., tilspændinger på 0,2 til 0,4 mm/omdr. og
spåndybder på 0,5 mm til 3,75 mm.
CS100-kvaliteten komplementeres af Secomax CBN170, som er en sej
og slidbestandig PCBN-kvalitet, der er designet til ubrudt drejning
i nikkelbaserede superlegeringer.
CBN170-kvaliteten indeholder et keramisk Whisker-bindemiddel,
som forbedrer standtiden og dermed reducerer antallet af gange,
maskinen skal standses for at skifte skærhjørner. Den er beregnet
til at leve op til kravene til krævende overfladefinisher,
tolerance og indgrebslængde i forbindelse med sletbearbejdninger på
nikkelbaserede superlegeringer. CBN170-værktøjer er designet til at
kunne anvendes i kontinuerlige spånforløb ved at anvende kølemiddel
ved spåndybder op til 0,5 mm og skærehastigheder på 300 m/min. til
400 m/min. Kvalitetens CBN-indhold er 65 procent efter volumen med
en kornstørrelse på 2 µm. Ved levering er skærhjørnet slebet til 25
µm.
Andre udviklinger, som har til formål at øge standtiden og
produktiviteten i forbindelse med HRSA-bearbejdning, inkluderer
teknologi som f.eks. Secos Jetstream Tooling-system, som er et
direkte højtrykskølemiddelsystem (HPDC), der tilfører kølemiddel
tæt på skæræggen. Kølemiddelstrålen løfter spånen væk fra
spånforsiden, hvilket giver bedre spånkontrol og standtid og
muliggør anvendelse af mere aggressive bearbejdningsparametre. I
nogle tilfælde medfører den hurtige afkøling af spånen større
skørhed og dermed god spånkontrol.
Af:
Patrick de Vos, Corporate Technical Education Manager, Seco
Tools
