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 Værktøjer og strategier til bearbejdning af ISO S-materialer (superlegeringer) Brøndby, april 2015 - Innovativ teknik og teknologi er drivkraften bag den fortsatte udvikling inden for industrier som medicinsk produktion, energiproduktion og produktion af flydele. Fremstillingen af præcisionskomponenter inden for disse brancher kræver emnematerialer, der yder stor modstandsdygtighed over for varme og slitage, ekstrem sejhed og vedholdende kvalitet og pålidelighed. 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 1/7
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. HQ_IMG_Jabro_Tool_Assortment.jpg 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 2/7
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. HQ_IMG_Jabro_Mini_Application.jpg 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 3/7
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. 4/7
000559_HQ_IMG_Jabro_JHP770_JHP780.jpg 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. HQ_IMG_Jabro_JCO710.jpg 5/7
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. Underartikel ISO-S-fræsestrategier Omhyggeligt konstruerede kombinationer af værktøjer og fræsestrategier letter den produktive og omkostningseffektive bearbejdning af ISO-S-materialer. En fremgangsmåde er fræsning med høj tilspænding. En metode, der overfører fræsekræfterne fra den radiale til den aksiale retning, hvorved små aksiale spåndybder kombineres med fræsning med stor bordtilspænding. Teknikken danner en tyndere spån, der bortleder varmen fra skæræggen og reducerer skærekræfterne, hvorved vibrationerne og stabiliseringen af bearbejdningsoperationen minimeres. Ud over at reducere varmeudviklingen og forlænge standtiden, giver fræsning med høj tilspænding også høje spåntagningshastigheder: Op til 200 300 procent hurtigere end ved traditionel fræsning. Fræsning med høj tilspænding kan anvendes med en lang række værktøjer. Blandt deres produktserie af Jabro-endefræsere tilbyder Seco for eksempel JHF180-fræsere, der er designet til bearbejdning af hårdere ståltyper og kobolt-krom-legeringer i intervallet 48-62 HRC. Værktøjerne har et stabile 0,9-graders design med konisk frigang, der reducerer værktøjsafbøjning, giver en sikker fræsning af dybe lommer og forbedrer overfladekvaliteten. Værktøjsgeometrien er designet til en sikker spånafgang fra skæræggen. De er velegnede til fræsningsapplikationer med høj tilspænding, herunder planfræsning, sporfræsning, ramping, spiralinterpolation, lommefræsning og dykfræsning. Andre strategier til fræsning af ISO-S-materialer afhænger af den specifikke operation, arbejdsemnemateriale og den anvendte maskine. En traditionel fremgangsmåde omfatter en 1-1-balance af den aksiale og radiale spåndybde og gennemsnitlige tilspændingshastigheder. Bearbejdning med høj ydeevne, der udføres med specialfremstillede fræsere, såsom Secos HPM-produktserie, anvender store spåndybder i fuld bredde for at opnå store spåntagningshastigheder. Højhastighedsbearbejdning er et andet alternativ, hvor fræseren kører med små spånbredder (ae) og store spåndybder. Denne fremgangsmåde tillader anvendelse af højere fræsehastigheder for at fremme produktiviteten. En effektiv implementering af de forskellige bearbejdningsstrategier afhænger af kombinationen af faktorer, herunder det anvendte bearbejdningsværktøjs egenskaber samt det cam-system, der skal håndtere de store programmer og filer, som kræves til at udføre den dynamiske fræsningsprocess. Titanbearbejdning kræver specifikke strategier og værktøjer. Anvendelsen af moderate skærehastigheder er med til at undgå en overdreven varmeudvikling, der kan fremprovokere kemiske reaktioner mellem værktøjet og emnet. Der bør anvendes kølemiddel, når det er muligt. Skarpe skærægge reducerer skærekræfterne ved at minimerer snitmodstanden i materialet. Strategier med høj tilspænding kan også anvendes her. Af: Teun van Asten MSc., Engineer Marketing Services Solid Milling, 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 6/7
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) 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. 7/7