Eksempler på disse materialer er ISO-S-legeringer, navnlig
nikkel-, kobolt- og jernbaserede, varmebestandige superlegeringer
(HRSA) og titanlegeringer. Disse materialers varmehårdhed, styrke
og krybe- og korrosionsmodstandsevne betyder at de anvendes inden
for en lang række væsentlige applikationer.
Legeringernes fordelagtige egenskaber skaber dog også
bearbejdning karakteristika, der er forskellige fra dem, man ser
blandt traditionelle jern- og ståltyper. Bearbejdning af
ISO-S-materialer er en udfordring, fordi legeringer overfører
varmen dårligt, også kendt som lav varmeledningsevne. Den varme,
der dannes ved bearbejdning (~1100 °C til 1300 °C), absorberes af
værktøjet og arbejdsemnet i stedet for at blive bortledt med
spånerne. Derved går det ud over standtiden og kan medføre
forvredne dele. Legeringerne er også tilbøjelige til at deformere
og ældningshærde, når de bearbejdes, hvilket øger skærekræfterne og
forværrer standtiden yderligere. Sidst, men ikke mindst, skaber
disse materialers klæbrige adfærd ukontrolleret løsægsdannelse
(BUE) og stråleslid. En sådan klæbrighed er også kendt som
materialets strækbarhed, et karakteristisk fællestræk blandt bløde
materialer som aluminium.
Med vanskelighederne ved bearbejdning af ISO-S-materialer og
udgifterne til de anvendte dele i tankerne, søger producenterne
bearbejdningsforbedringer, der primært fokuserer på
komponentpålidelighed og -kvalitet, med reduktioner i cyklustiden
som den næsthøjeste prioritet. En maksimering af disse højtydende
legeringer kræver brug af avancerede værktøjer og
applikationsstrategier. Værktøjsmagere finjusterer disse værktøjer
og teknikker for at opnå produktive og pålidelige løsninger til
specifikke industriapplikationer.
Medicinske applikationer
For at fungere ordentligt og undgå afvisning af kroppen skal et
medicinsk implantat være kemisk inaktivt og fuldt modstandsdygtigt
over for korrosion forårsaget af kropsvæsker. I overensstemmelse
hermed gør ISO-S-materialernes biokompatibilitet og
korrosionsbestandighed dem til et udmærket grundlag for en lang
række ortopædiske, dentale og andre medicinske komponenter.
Fremstillingen af medicinske implantater er i hurtigt stigende
vækst. Gennemsnitsalderen for befolkningen i industrialiserede
områder stiger, og det gør befolkningens gennemsnitsvægt også.
Begge faktorer har direkte konsekvenser for slid på knæ- og
hofteled og deraf følgende efterspørgsel på substitution.
Tandimplantaters popularitet er også steget i takt med en øget
opmærksomhed på kosmetiske og dentale sundhedsproblemer.
Komponenter til udskiftning af knæ
To grundlæggende komponenter udgør et udskiftningsknæ.
Lårbenskomponenten efterligner den runde, fremtrædende ledknude for
enden af lårbensknoglen og fastgøres på den øverste benknogle eller
femuren. Til gengæld holder lårbenskomponenten på en polymerkop,
som hviler på den anden grundlæggende komponent, en titanbakke, der
er fastgjort på toppen af den nederste benknogle eller
skinnebenet.
ISO-S-materialernes dårlige varmeledningsegenskaber giver
grundlag for brugen af et kølemiddel inden for de fleste
bearbejdningsarbejdsgange. De medicinske tilsynsmyndigheder har dog
strenge regler for forurening fra restkølemiddel og kræver
vidtgående og tidskrævende rensningsprocesser. Som følge deraf
udvikler værktøjsmagere nye måder at bearbejde medicinske dele
“tørt” på, uden kølemiddel eller emulsion. For eksempel har Seco
udviklet processer uden brug af kølemiddel til at bearbejde
tibialbakker af Ti6Al4V-titan med særlige T-spors- og notfræsere.
Arbejdsgangen færdiggøres på mindre end 10 minutter, med god
standtid, fremragende produktkvalitet og forureningsfri dele.
Dette Jabro-sortiment, som omfatter fire brugertilpassede
løsninger og to standardløsninger, er velegnet til producenter af
medicinske dele, der bearbejder tibialbakkekomponenter.
Et andet forsøg på at begrænse virkningerne af ISO-S-legeringers
dårlige varmeledningsegenskaber er at erstatte slibearbejde med
maskinbearbejdning. Varmedannelsen ved et længerevarende
slibearbejde kan medføre spændinger i en del og forvride den. En
fabrikant fandt ud af, at femorale knækomponenter ofte lå uden for
målspecifikationen, hvilket endte med en skrotningsprocent på 20-30
%.
For at løse problemet udviklede Secos applikationsingeniører en
femtrinsmetode til at bearbejde femoralkomponenter i et
bearbejdningscenter. Processen anvender kuglefræsere og et
opspændingsværktøj til dele med et centerlåsesystem, der tillader
delen at rotere under bearbejdningen. Denne kopifræsningsmetode er
velegnet til ustabile opstillinger til fastspænding af dele,
hvilket ofte er tilfældet ved produktionen af disse komplekse
3D-dele. Bearbejdningstiden for hele arbejdsgangen er ca. syv
minutter. Efter bearbejdningen er det kun nødvendigt med en
polering, og den poleringsproces forbruger mindre tid end den
tidligere polering efter slibning.
Små dentale dele
Specialiserede bearbejdningsmetoder kan hjælpe med at løse
udfordringerne ved bearbejdning af ISO-S-materialer. Strategier om
fræsning med høj tilspænding (se underartikel) giver produktivitet
med lang standtid. Ved en skrubbearbejdningsoperation på en dental
komponent fremstillet af CoCr-stål, blev der anvendt en 3
mm-diameter JHF 180-fræser fra Secos produktserie af
Jabro-endefræsere med en tilspændingshastighed på 4000 mm/min. og
en 2 mm aksial spåndybde, 0,2 mm radial spåndybde, og en
fræsehastighed på 66 m/min. I kobolt-krom-stål var standtiden 175
minutter.
Mange små medicinske og dentale komponenter bearbejdes på
kompakte højhastighedsbearbejdningscentre i laboratorier og
tandlægeklinikker. De små fræsere, som disse maskiner anvender,
skal konstrueres, så de kan modstå den hurtigt skiftende
spånbelastningskarakteristik ved profileringsoperationer på små
implantater og andre dele. For at opfylde dette behov har Seco
udviklet Jabro Mini JM905- og JM920-fræserne. Værktøjerne fås i
udgaver med 4 spånrum i diametre fra 0,1 mm til 2,0 mm, og i lange
overhængslængder på op til 16 x D. På trods af deres lille
størrelse giver værktøjerne den styrke og stabilitet, der kræves
til en specialiseret produktion af små dele, med dimensioner, der
opfylder kravene til et typisk arbejdsemne.
Energiproduktion
ISO-S-materialer finder også øget anvendelse inden for den globale
energiproduktionsindustri. På trods af den nuværende fokus på
“grønne” energikilder som vind, vand og sol produceres 60 procent
af verdens elektricitet i øjeblikket via brændsler. Størstedelen af
energiproduktionen omfatter brugen af gas- og dampturbiner.
Derudover er der igangværende bestræbelser på at gøre turbinerne
mere effektive. For eksempel reducerer stærke, og alligevel lette,
titankomponenter centripetalkræfterne ved høje omdrejningstal pr.
minut i turbinernes nederste kompressionsafsnit, hvilket giver
højere hastigheder. Ud over titankomponenter anvendes HRSA-dele i
forbrændingssektionerne til at håndtere de øgede temperaturer, der
er nødvendige for at skabe en større energieffektivitet.
Nyere legeringer, større udfordringer
I jagten på effektivitet og øget ydeevne gennemgår
ISO-S-materialer en konstant udvikling. Metalfabrikanter udvikler
legeringer med bedre egenskaber til at opfylde kravene fra stadigt
strengere applikationer. For eksempel er etablerede HRSA-produkter,
såsom nikkelbaseret Inconel 738 og koboltbaseret SFX414, udviklet
til at kunne fungere ved temperaturer i området omkring 850 °C til
1200 °C. Nogle af de nyeste HRSA-sammensætninger, som f.eks. GTD
262 og Rene 108, skal kunne anvendes ved temperaturer på 1200 °C
til 1600 °C. De nye legeringer udgør forholdsmæssigt større
bearbejdningsudfordringer.
Seco har for nyligt hjulpet med bearbejdningen af en ny legering
med højere ydeevne, der skal bruges i en elproduktionsturbines
statiske komponenter. Med materialets større varmebestandighed
opstod der øgede bearbejdningsvanskeligheder. Man opnåede en
fræsehastighed på kun 18 m/min. sammenlignet med en hastighed på
25-35 m/min., som er typisk for Inconel
718-referencematerialet.
Eksisterende værktøjer blev slidt op efter kun ét turbinesegment
(320 mm spåndybde), og turbineproducenten søgte en øget standtid.
Seco udviklede en særlig fræser baseret på værktøjsgeometrien i
Jabro 780, som har et “dual-core” design med øget stabilitet under
seje fræsebetingelser. Værktøjet blev anvendt ved de oprindelige
parametre: En fræsehastighed på 18 m/min., en tilspænding pr. tand
på 0,015 mm og en bordtilspænding på 43 mm/min. Det nye værktøj
bearbejdede to turbinesegmenter (640 mm), en stigning i standtid på
100 procent. Så ved at reducere fræsehastigheden til 16 m/min. og
øge tilspændingen pr. tand med 0,017 mm var
applikationsingeniørerne i stand til at øge standtiden yderligere
til 800 mm (+ 150 procent standtid).
Flykomponenter
Fordi HRSA opretholder styrken ved høje temperaturer og giver en
overlegen krybe- og korrosionsbestandighed, udgør legeringerne så
lidt som 50 procent af en moderne flymotors vægt.
Applikationer med ISO-S-materialer inden for flyturbiner svarer
til dem, der anvendes inden for energiproduktion. I mange tilfælde
er flyindustriens tolerancer dog mindre. Seco udvikler for eksempel
specialværktøjer til bearbejdning af turbinevingernes
grantræsformede rodprofil. Rodprofiltolerancerne for nogle
energiapplikationer ligger inden for et område på 10 mikrometer,
mens tolerancerne for nogle flyprofiler er så små som 0-5
mikrometer (0-0,005).
Strukturel titan
Ud over anvendelsen i turbinernes sektioner med lave temperaturer
udnyttes titans lette vægt og styrke i flykonstruktionsdele såsom
landingsstel. Komponenter til landingsstel er af natur massive og
stærke, men også meget tunge, når de fremstilles af almindelige
materialer.
Nyere, lettere og stærkere titanlegeringer, der bruges til at
fremstille lettere landingsstel, er vanskeligere at bearbejde, end
tidligere anvendte titanlegeringer. En sådan nyudviklet legering er
titan 5553, hvis navn er opstået ud fra det faktum, at den har et
indehold på 5 procent aluminium, 5 procent molybdæn, 5 procent
vanadium og 3 procent krom. Fordelen ved titan 5553 er dens høje
brudstyrke: 1160 MPa sammenlignet med 910 MPa for
Ti6Al4V-referencematerialet. Den højere brudstyrke begrænser
fræsehastigheder til niveauer på 50 procent lavere end dem, der
anvendes til Ti6Al4V.
Lagdelte legeringer
Hvis et enkelt ISO-S-materiale indebærer
bearbejdningsvanskeligheder, udgør samtidig bearbejdning af to
forskellige materialer en endnu større udfordring. Nogle
flyapplikationer indebærer bearbejdning af komponenter sammensat af
flere lag af forskellige materialer. Udfordringen er at bearbejde
denne “sandwich” eller “hybrid” med passende spånkontrol og uden
vibrationer og grater.
Et typisk eksempel er en kombination af titan og rustfrit stål.
Rustfrit stål og titan deler nogle af de samme egenskaber. De er
begge af høje styrke og har klæbende egenskaber, idet det fræsede
materiale har en tendens til at klæbe sig til fræseren.
Secos løsning til bearbejdning af et motorophæng med en
lagdeling af titan 6Al4V/austenitisk rustfrit stål var anvendelsen
af en Jabro JHP 770-fræser, der er specielt designet til
bearbejdning af titan. Værktøjet omfatter differentieret afstand
mellem spånrummene, radial frigang og et særligt udformet spånrum.
En gennemgående kølekanal minimerer arbejdsemnets klæbeevne og
fjerner spånerne. Ved bearbejdningen af lagdelte materialer kørte
værktøjet først gennem den rustfrie stål og derefter gennem
titanen. Parametrene for det vanskeligere bearbejdelige materiale
(titan) blev anvendt hele veje igennem. I erkendelse af legeringens
lave varmeledningsevne, anvendtes en moderat fræsehastighed på 50
m/min. med en tilspænding på 0,036 mm/omdr. og en 3 mm spåndybde,
faldende i cirkulær interpolation.
HSS-alternativ
På trods af dets fordele i mange situationer er bearbejdning med
hårdmetalværktøjer ikke den eneste måde at bearbejde
ISO-S-materialer effektivt på. I nogle tilfælde er
high-speed-fræsere et mere produktivt og omkostningseffektivt
valg.
Mange store flykomponenter, såsom dele til landingsstel,
bearbejdes af massive titan- eller rustfri stålbarrer. For sådanne
dele er højtydende HHS-værktøjer på op til 50 mm i diameter i stand
til at fjerne store mængder materiale. HSS-værktøjer er meget
effektive på maskiner med lave omdrejningshastigheder og højt
drejningsmoment til effektiv skrubbebearbejdning og endda
sletbearbejdning af titan og rustfrit stål. Muligheden for at
anvende store fræsediametre og -bredder gør værktøjerne i stand til
at opnå konkurrencedygtige spåntagningshastigheder, selv når de
kører ved lavere hastigheder end dem, som kan opnås med
hårdmetalværktøjer.
Et eksempel på et avanceret HSS-værktøj er Jabro JCO710
HSS-Co-fræseren med 8 procent koboltindhold og en hårdhed på 67
HRC. Værktøjet har polerede spånrum, der reducerer friktion og
løsægsdannelse, og en varierende profilgeometri af spånfladen, der
fræser let og reducerer risikoen for vibrationer, som forårsager
uacceptable værdier for overfladeruheden. Disse fræsere har givet
mere end 800 minutters standtid, når de anvendes af fabrikanter,
der producerer store dele i titan.
Konklusion
Fabrikanternes mål for bearbejdningsoperationer med
ISO-S-materialer, der anvendes i kritiske applikationer, er
førsteklasses kvalitet, pålidelig ensartethed og produktivitet. Da
producenter udvikler nye legeringer for at opfylde stadig mere
krævende, højtydende applikationer, producerer værktøjsproducenter
skiftevis nye fræseværktøjer og strategier, der skal imødekomme
ISO-S-materialernes bearbejdningsudfordringer og sikre, at
fabrikanterne kan opfylde deres bearbejdningsmål.
