Geavanceerde Bewerking van Titanium & HRSA Metalen: Machinability, Koelmiddelen en Tooling Optimaliseren

Metalen zoals warmtebestendige superlegeringen en titanium kunnen echt lastig zijn, maar met de juiste aanpak en begeleiding in bewerking, gereedschaphouding en plaatselectie, können machineoperators de probleemgebieden overwinnen.

Van implanteerbare gewrichten in het menselijk lichaam tot grote onderdelen voor offshore installaties in de olie-industrie tot motorturbines in de luchtvaart – warmtebestendige superlegeringen en andere legeringen worden regelmatig gebruikt in grote productiesectoren. Maar ze zijn moeilijk te bewerken.

Als het doel is om onderdelen van de hoogste kwaliteit in de kortste tijd te maken, is begrip van welke tooling te gebruiken essentieel. Niemand wil door gereedschappen heen branden of productievertragingen veroorzaken door superdichte, harde metalen die de machine op een hogere toer brengen maar langzaam of onnauwkeurig snijden. Het begrijpen van de mogelijkheden van een machine is even essentieel – evenals het weten welke gereedschappen het beste werken voor de zware materialen.

"De primaire toepassing voor HRSAs is hete-zone turbinecomponenten voor zowel vliegtuigen als stroomopwekking – onderdelen als bladen, blisks, beugels, kleppen en manifolds, waarvan de meeste complex en gecontoureerd zijn," schrijft Ed Sinkora voor Advanced Manufacturing in het artikel "Hot Techniques for Cutting High-Temperature Alloys."

"Dat betekent 5-as frezen om de vereiste vormen en toleraties in één spanning te bereiken. En voor kleinere onderdelen zijn massieve hardmetaal ronde gereedschappen nodig, wat bijzonder stijve gereedschaphouders vereist," legt Sinkora uit.

Veel industrieën zitten onder productiedruk. De tijd die het kost om kwalitatieve onderdelen te maken, is cruciaal, zeker in zeer competitieve markten.

"De hoofdfocus ligt op procesbetrouwbaarheid omdat deze structurele componenten extreem duur zijn," merkt Walter Tools op in een artikel over zakfrezen van titanium in de luchtvaart. "Tegelijkertijd eist marktdruk hoge bewerkings- en productiviteitsprestaties."

Om dat comfortabele niveau van "procesbetrouwbaarheid" te bereiken, is veel know-how nodig met de juiste machines, spannen, tooling, toolpaden en koelmiddel – allemaal samen, vinden bewerkings- en toolingprofessionals. We verkennen de top tooling en bewerkingsrichtlijnen voor titanium, HRSAs en legeringen.

Ken het Machinability Cijfer van het Metaal

Bij het frezen van titanium, roestvrij staal of HRSAs, zullen veel van de te produceren onderdelen nikkel of chroom – en soms kobalt – bevatten. Veelvoorkomende nikkel-legeringen zijn Inconel, Waspaloy, Hastelloy, roestvrije stalen zoals 304, 316 en 17-4, en anderen.

"[Nikkel is] zacht, corrosiebestendig en vertoont uitstekende sterkte en slagvastigheid," merkt Kip Hanson, productieconsulent, op in het artikel "5 Metal-Cutting Tips for Nickel-Based High-Temp Alloys."

"Gegeven een scherp gereedschap en de juiste snijparameters, is zuiver nikkel niet terecht moeilijk te draaien of frezen, hoewel nikkel-legeringen als Ni-Span-C 902 en Monel K-500 machinability ratings van 15% of lager hebben," legt Hanson uit.

En machinability is het hele punt. Gelukkig kunnen veel van de huidige machines en snijgereedschappen de meeste materialen aan – maar de uitdaging is om de juiste gereedschappen en technieken te kennen voor een herhaalbare en tijdige bewerkingsproces. Daartoe helpt het begrijpen hoe een materiaal gewaardeerd wordt, dus een machinability rating grafiek kan helpen.

Maar niets kan echte ervaring en kennis vervangen: Praat over machinability-issues met mensen die het vandaag doen. Doe mee aan het metaalbewerkingsforum [registratie vereist].

In veel gevallen helpt het ook de technische gidsen van toolingleveranciers te gebruiken, zoals deze van Sandvik Coromant:

"Application Guide: Heat Resistant Superalloys"

In deze gids zegt Sandvik Coromant over HRSAs: "De fysieke eigenschappen en bewerkingsgedrag van elke [legeringsgroep] verschillen aanzienlijk, zowel door de chemische aard van de legering als de precies metalurgische verwerking die het tijdens de productie ondergaat. Of het metaal geanneald of geaged is, is bijzonder bepalend voor de daaropvolgende bewerkingseigenschappen."

Let op de Warmte, Gebruik Metaalbewerkingskoelmiddelen

De warmte die ontstaat in een CNC-machine op het oppervlak van het materiaal bij de benodigde snelheden en voedingen voor nauwkeurige, betrouwbare sneden met de juiste spannen, is niet te onderschat. Het kan een echte uitdaging zijn voor platen en gereedschappen.

"Slechte warmteleiding en hoge hardheid genereren hoge temperaturen tijdens bewerking," merkt Sandvik Coromant op in "Selecting the Right Turning Insert for HRSA Materials." "De hoge sterkte, werkverharding en aankleefverharding creëren notch-slijtage bij maximale snijdiepte en een extreem abrasieve omgeving voor de snijrand."

Hoe moet een machinist hiertegen beschermen? Voor veel toepassingen: gebruik hardmetaal-gebaseerde snijplaten die de rand zacht houden, aan het substraat hechten en deformatie voorkomen.

"In het algemeen: gebruik platen met een grote insteekhoek (ronde platen) en selecteer een positieve plaatgeometrie. Bij draaien en frezen kunnen keramische graden gebruikt worden, afhankelijk van de toepassing," legt Sandvik Coromant uit.

En vergeet niet de rol van coatings en koelmiddel, adviseert Scott Etling, productmanagementdirecteur bij Kennametal, in "The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals."

"Je moet de juiste PVD-coating hebben, een zacht substraat, de juiste geometrie, juiste randvoorbereiding, en hoge-schergemeetrieën," zegt Etling. "De warmte gaat niet in de spaan zoals bij staal. De warmte moet ergens heen, dus voor de meeste titanium-toepassingen moet u een enorme hoeveelheid koelmiddel gebruiken."

Voor meer over koelmiddel en HRSAs, lees de applicatiegids van Sandvik Coromant. De toolmaker suggereert:

"Koelmiddel moet in alle operaties toegepast worden, behalve frezen met keramiek. Het volume moet hoog en goed gericht zijn. Hoogdruk koelmiddel HPC (tot 80 bar / 1160 psi) toont positieve resultaten voor standtijd en consistentie."

Houd het Werkstuk Stijf

"Bewerking van HRSAs vereist een heel stabiele machine, stijf spannen en een heel stijve interface tussen spindel en gereedschaphouder," merkt Sinkora op.

Er is veel meer te weten dan alleen het materiaal en het snijgereedschap. Er zijn ook de benodigde elementen die een werkstuk op zijn plek houden en in een gebalanceerde sterkte die de hoge toeren en doorvoeren van de huidige machines en innovatieve snijgereedschappen kan weerstaan.

"Bewerking van titanium en andere warmtebestendige superlegeringen genereren hoge snijkrachten niet alleen in radiale richting, maar ook in axiale richting, wat kan leiden tot uittrekken van het gereedschap," zegt Hanson in "Lessons in High-Performance Machining: Don't Forget the Tool Holders." "Het is nog belangrijker om het juiste type gereedschaphouders te gebruiken om gereedschapsfalen en schrotonderdelen te voorkomen. Het is misschien niet veel – misschien slechts een paar duizendsten inch per keer – maar de kans is groot dat het genoeg is om heel dure onderdelen te schrotten."

Als zijde-klem houders gebruikt worden, is het misschien tijd voor iets nieuws en verbeterds. Veel leveranciers licentiëren Haimer's gepatenteerde Safe-Lock technologie. Maar het gaat niet alleen om standtijdverlenging door uittrekken te verminderen. Het gaat ook om chatter en harmonica's te reduceren – en de machinespindel niet te beschadigen – dus hydraulische spannen in HRSA-onderdeelproductie zijn de evaluatie waard, evenals het verzekeren dat de CNC HSK, Capto, KM4X of andere technologie heeft.

"Als u machine tools zo snel draait, meestal boven 12.000 toeren, wordt aanbevolen om het complete systeem altijd te balanceren (d.w.z. gereedschaphouder met snijgereedschap)," zegt Ronald West, senior global product manager bij Kennametal in het houder-artikel. "Het verhoogt de standtijd en vermindert spindelslijtage ... Het is iets moeilijker met een colletspan of freesspanadapter om balans te behouden vanwege hun ontwerp en benodigde hardware, maar typisch zijn hydraulische spannen en krimpadapters veel makkelijker fijn te balanceren voor hoge-snelheidstoepassingen."

Bij Ruwfrezen van HRSAs, Probeer Keramische Gereedschappen; Houd Toolpaden Lang

"Keramische snijmaterialen bieden uitstekende productiviteit bij ruwfrezen in FSM en ISM. Hun toepassing verschilt sterk ten opzichte van hardmetaal ..." merkt Sandvik Coromant op in de applicatiegids voor HRSA. De reden is dat keramiek hoge snijsnelheden toestaat die helpen een "hoog plasticiseer en geschaard spaan" te produceren.

De sleutel tot ruwfrezen van HRSAs zit in de snelheden en voedingen om de juiste temperatuur te bereiken, volgens experts. Snelheden van meer dan 900 meter per minuut (3.000 surface feet per minuut) worden aanbevolen.

"[D]e eerste stap is de juiste snelheid instellen om de temperatuur in de snijzone te verhogen tot een zekere mate van plasticisering van het materiaal, wat het makkelijker te bewerken maakt," zegt Jan Andersson, global manager bij Greenleaf Corp. "Anders worstelt u met onvoorspelbare standtijd. Na bepaling van de juiste snelheid, gebruikt u de voeding om thermische evacuatie te managen. Hoe hoger de voeding, hoe meer massa in de spaan. Hoe meer massa in de spaan, hoe meer warmte u van de snijzone afvoert. Dat controleert de chemische slijtagecomponent."

Nog een sleutelpunt: Toolpaden moeten zo lang mogelijk in de snede blijven om uw gereedschappen zo lang mogelijk levend en bruikbaar te houden. Het betekent juiste programmering in uw CAM om straal in elke toolpad te forceren.

"De sleutelprogrammeringstechniek die we zoeken in Inconel en andere superlegeringen is het gereedschap zo lang mogelijk in de snede houden," zegt Dale Mickelson, productmanager bij Methods Machine Tools in een Advanced Manufacturing artikel. "Want elke keer dat u de snede in- en uittrekt, verliest u standtijd. Dus we creëren zakfreesroutines die helicodaal in het onderdeel bewegen. Als u een vlak heeft, freest u helicodaal naar dat vlak en werkt u het vlakke oppervlak af."

Advies nodig van ervaren machinisten en metaalbewerkingsspecialisten? Doe mee aan de gesprekken op het metaalbewerkingsforum [registratie vereist].