For øjeblikkelig frigivelse Kontakt: Seco Tools A/S Park Allé 350A 2605 Brøndby Jannie CHRISTIANSEN Telefon: +45-23453464 E-mail: jannie.christiansen@secotools.com www.secotools.com Nye værktøjer og strategier udfordrer ISO S-materialer (superlegeringer) Brøndby, September 2014 - ISO S-klassifikationen af emnematerialer inkluderer varmebestandige superlegeringer (HRSA) og titanlegeringer. Varmehårdheden og styrken i disse materialer gør dem velegnede til brug i en bred vifte af vigtige opgaver inden for luftfart, energiproduktion og andet. De nyttige egenskaber ved legeringerne medfører imidlertid også bearbejdningsegenskaber, der adskiller sig fra egenskaberne for jern og stål. 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." 1/6
HQ_ILL_Workpiece_Material_Tool_Characteristics.jpg HQ_ILL_Workpiece_Cutting_Conditions.jpg HQ_ILL_Workpiece_Material_Wear_Patterns.jpg 2/6
HQ_ILL_Super_Alloy_Alloy_718.jpg 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 (see sidebar below). 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 3/6
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. (Sidebar) Løbende værktøjsudvikling 4/6
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 Seco Tools, der har sit hovedkvarter i Fagersta, Sverige, har et verdensomspændende ry for at udvikle innovative løsninger til skærende bearbejdning og at arbejde tæt sammen med kunder for effektivt at kunne forstå og imødekomme deres behov. Vi har mere end 5.000 medarbejdere ansat i 50 lande og giver alle i vores team indflydelse via trænings-, udviklings- og anerkendelsesprogrammer samt et åbent kommunikationsmiljø. Vores medarbejdere står for tre kerneværdier - en passion for kunder, familieånd og personligt engagement - som definerer vores virksomhed, og hvordan vi interagerer med hinanden samt med vores kunder, leverandører og andre partnere. Besøg os på www.secotools.com for at få mere at vide. 5/6
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) 6/6