Speciální nástroje a strategie pro obrábění materiálů ISO-S
Inovativní konstrukční řešení a technologie neustále ženou vpřed vývoj strategických odvětví průmyslu, jako jsou zdravotnictví, energetika a letecký průmysl. Výroba přesných součástí v těchto odvětvích vyžaduje materiály s vysokou odolností proti žáru a opotřebení, extrémní pevností a spolehlivostí. Mezi významné představitele těchto materiálů patří slitiny ISO-S, zejména pak žáruvzdorné superslitiny na bázi niklu, kobaltu a železa (HRSA) a titanové slitiny. Tvrdost za tepla, pevnost a odolnost proti tečení a korozi předurčuje použití těchto materiálů v široké škále klíčových aplikací.Úvod
Inovativní konstrukční řešení a technologie neustále ženou vpřed vývoj strategických odvětví průmyslu, jako jsou zdravotnictví, energetika a letecký průmysl. Výroba přesných součástí v těchto odvětvích vyžaduje materiály s vysokou odolností proti žáru a opotřebení, extrémní pevností a spolehlivostí. Mezi významné představitele těchto materiálů patří slitiny ISO-S, zejména pak žáruvzdorné superslitiny na bázi niklu, kobaltu a železa (HRSA) a titanové slitiny. Tvrdost za tepla, pevnost a odolnost proti tečení a korozi předurčuje použití těchto materiálů v široké škále klíčových aplikací.
Výhodné vlastnosti těchto slitin ale zároveň přinášejí odlišné požadavky na jejich obrábění, než mají tradiční litiny a oceli. Obrábění materiálů ISO-S je náročné, protože slitiny špatně přenášejí teplo - mají nízkou tepelnou vodivost. Teplo vznikající při obrábění (přibližně 1 100 až 1 300 stupňů Celsia) je absorbováno nástrojem a obrobkem namísto jeho odvodu do třísky. Tím trpí břity nástroje a může docházet k deformaci dílů. Slitiny mají také tendenci k deformačnímu a precipitačnímu zpevnění, čímž se zvyšují řezné síly a dochází k dalšímu snížení životnosti nástroje. V neposlední řadě přilnavost těchto materiálů způsobuje nekontrolovatelnou tvorbu nárůstků na břitu (BUE) a vznik vrubů. Tato přilnavost se také označuje jako tvárnost, což je běžná vlastnost měkkých materiálů, jako je hliník.
Při zvážení obtížnosti obrábění materiálů ISO-S a souvisejících nákladů na díly výrobci neustále usilují o zdokonalení obrábění. Zaměřují se primárně na spolehlivost a kvalitu součástí, zatímco další prioritou je zkrácení doby cyklu. Zpracování těchto vysoce výkonných slitin vyžaduje použití pokročilých nástrojů a aplikačních strategií. Výrobci nástrojů proto ladí tyto nástroje a postupy k dokonalosti, aby zajistili produktivní a spolehlivá řešení pro konkrétní průmyslové použití.
Použití ve zdravotnictví
Aby zdravotnické implantáty fungovaly správě a nedošlo k jejich odmítnutí organismem, musí být chemicky inertní a plně odolné proti korozi způsobované tělesnými tekutinami. V souladu s tím představuje biokompatibilita a odolnost vůči korozi materiálů ISO-S vynikající základ pro širokou škálu použití v oblasti ortopedických, stomatologických a jiných zdravotnických součástí.
Výroba zdravotnických implantátů prudce vzrůstá. Průměrný věk populace v průmyslových oblastech stoupá a zároveň roste průměrná tělesná hmotnost. Oba tyto faktory mají přímý vliv na opotřebení kolenních a kyčelních kloubů a výslednou poptávku po kloubních náhradách. Popularita zubních implantátů rovněž narůstá ruku v ruce s narůstajícím zájmem o vzhled a dentální zdraví.
Součásti kolenních kloubních náhrad
Kloubní náhrady se skládají ze dvou základních součástí. Femorální část imituje vystupující zakulacenou kloubovou hlavici stehenní kosti a upíná se k horní kosti nohy, femuru. Femorální část představuje polymerová hlavice, která dosedá na další část, titanové lůžko, které je spojeno s horní částí kosti holenní, tibie.
Špatná tepelná vodivost materiálů ISO-S znamená nutnost používat u většiny procesů obrábění chlazení. Zdravotnické předpisy ale mají striktní pravidla týkající se kontaminace reziduálním chladivem a vyžadují přísné a časově náročné procesy čištění. Ve výsledku výrobci nástrojů vyvíjejí cesty, jak vyrábět zdravotnické díly suchou cestou bez potřeby chladiva nebo emulze. Společnost Seco například vyvinula procesy nevyžadující chladivo pro obrábění titanových kloubních pouzder z materiálu Ti6Al4V využívající speciální nástroj pro t - drážku a tvarové čelní frézy. Proces obrábění je hotový za méně než 10 minut s dobrou životností nástroje, vynikající kvalitou výrobku a absolutně nekontaminovanými díly.
Řada nástrojů Jabro, která zahrnuje čtyři speciální a dvě standardní řešení, je vhodná pro výrobce zdravotnických dílů produkujících součásti tibiálních lůžek. Dalším způsobem, jak zmírnit vliv špatné tepelné vodivosti slitin ISO-S, je náhrada operace broušení procesem klasického obrábění. Teplo vznikající při dlouhém broušení může způsobovat namáhání dílů a následnou deformaci; dle zjištění jednoho výrobce femorální části kolenního kloubu po broušení často neodpovídaly rozměrové specifikaci, což mělo za následek zmetkovitost 20 až 30 procent.
Pro vyřešení tohoto problému vyvinuli odborníci společnosti Seco pětistupňový postup obrobení femorálních součástí na obráběcím centru. Proces používá kulové frézy a upnutí systémem Centerlock, který umožňuje otáčení dílu během obrábění. Toto kopírovací frézování je vhodné pro obrábění dílů s nižší stabilitou upnutí, která je častá při výrobě takto komplexních 3D dílů. Čas obrábění pro celou operaci je přibližně sedm minut. Po obrobení je vyžadováno pouze leštění, které není tak časově náročné jako leštění prováděné po broušení.
Malé stomatologické díly
Specializované výrobní metody mohou pomoci překonat problémy s obráběním materiálů ISO-S. Frézování vysokým posuvem (viz postranní panel) přináší produktivitu kombinovanou s delší životností nástroje. Při hrubovacích operacích na stomatologických součástech z oceli CoCr byla použita fréza JHF 180 řady Seco Jabro s průměrem 3 mm při posuvu stolu 4 000 mm/min s 2mm axiální hloubkou řezu, 0,2mm radiální hloubkou řezu a řeznou rychlostí 66 m/min. U kobalt-chromové oceli byla životnost nástroje 175 minut.
Množství malých zdravotnických a stomatologických součástí se vyrábí na kompaktních vysokorychlostních obráběcích centrech v laboratořích a zubních ordinacích. Malé řezné nástroje, které tyto stroje používají, musí být zkonstruovány tak, aby dokázaly odolávat rychle se měnícím charakteristikám profilovacích operací na malých implantátech a jiných dílech. Pro uspokojení tohoto požadavku společnost Seco vyvinula frézy Jabro Mini JM905 a JM920. Tyto nástroje jsou dostupné v 4břité verzi s průměry od 0,1 do 2,0 mm a v dlouhých délkách vyložení až 16 x D. Navzdory malé velikosti nabízí tyto nástroje pevnost a stabilitu potřebnou pro specializovanou produkci malých dílů s rozměry odpovídajícími požadavkům na typický obrobek.
Výroba energie
Materiály ISO-S také nachází čím dál větší uplatnění v globálním energetickém průmyslu. Pokud pomineme současné zaměření na „zelenou“ energii ze zdrojů, jako je vítr, voda nebo slunce, více než 60 procent celosvětové produkce elektřiny se vyrábí spalováním paliv. Většina z toho zahrnuje použití plynových a parních turbín. Zároveň s tím pokračují snahy o zefektivnění provozu turbín. Pevné a zároveň lehké titanové součásti omezují působení dostředivých sil při vysokých otáčkách v nízkotlaké části turbíny, čímž je umožněna vyšší rychlost otáčení. Kromě titanových součástí se díly HRSA používají ve spalovacích komorách, kde pomáhají zvládat zvýšené teploty potřebné pro vyšší účinnost zařízení.
Novější slitiny, náročnější výzvy
Ve snaze o účinnost a vyšší výkon prochází slitiny ISO-S neustálým vývojem. Výrobci kovů vyvíjí slitiny s lepšími vlastnostmi pro splnění požadavků stále náročnějších aplikací. Například zavedené žáruvzdorné slitiny HRSA (například Inconel 738 na bázi niklu a SFX414 na bázi kobaltu) byly zkonstruovány pro provoz při teplotách v rozsahu od 850 do 1 200 °C. Některé z nejnovějších superslitin HRSA, jako jsou GTD 262 a Rene 108, jsou určeny pro provoz o teplotách od 1 200 do 1 600 °C. Obrábění těchto nových slitin je úměrně náročnější.
Společnost Seco nedávno asistovala při obrábění nové vysoce výkonné slitiny používané ve statických součástech turbíny pro výrobu elektrické energie. S vyšší tepelnou odolností materiálu se pojí obtížnější obrábění, kdy lze dosáhnout řezné rychlosti pouze 18 m/min v porovnání s typickou rychlostí 25 až 35 m/min u referenčního materiálu Inconel 718.
U stávajících nástrojů došlo k opotřebení hned na prvním segmentu turbíny (řezná délka 320 mm) a výrobce turbíny hledal nástroj s delší životností. Společnost Seco vyvinula speciální frézu založenou na geometrii nástroje Jabro 780 v provedení s dvojitým jádrem, které poskytuje 3/7 zvýšenou stabilitu při náročných podmínkách obrábění. Nástroj byl použit s originálními parametry: řezná rychlost 18 m/min, posuv na zub 0,015 mm a posuv stolu 43 mm/min. Nový nástroj obrobil dva segmenty turbíny (640 mm), což je stoprocentní nárůst životnosti nástroje. Pak se za pomoci snížení rychlosti obrábění na 16 m/min a zvětšení posuvu na zub na 0,017 mm podařilo odborníkům dále prodloužit životnost nástroje na 800 mm (o 150 procent delší životnost).
Součásti pro letecký průmysl
Jelikož si superslitiny HRSA zachovávají pevnost při vysokých teplotách a nabízí vynikající odolnosti proti tečení, tvoří tyto slitiny až 50 procent hmotnosti moderního leteckého motoru.
Použití materiálů ISO-S v turbínách leteckých motorů je podobné použití v turbínách pro výrobu elektrické energie. V mnoha případech jsou ale tolerance v leteckém průmyslu přísnější. Společnost Seco například vyvíjí speciální nástroje pro obrábění stromečkového profilu závěsu lopatek turbíny. Tolerance profilu závěsu pro určité energetické aplikace jsou v rozsahu 10 mikronů, zatímco tolerance pro některé profily v letectví je až mezi 0 a 5 mikrony (0 až 0,005).
Konstrukční titan
Kromě použití v nízkoteplotních částech turbín se lehkosti a pevnosti titanu využívá u konstrukčních leteckých dílů, jako jsou přistávací zařízení. Součásti podvozků jsou přirozeně masivní a pevné, ale také velmi těžké, pokud se vyrábí ze standardních materiálů.
Vyrobit nové, lehčí a pevnější titanové slitiny vhodné pro výrobu lehčích podvozkových systémů je obtížnější, než tomu bylo u dříve používané titanové slitiny. Jednou takovou nedávno vyvinutou slitinou je titan 5553, který dostal své jméno po obsahu 5 procent hliníku, 5 procent molybdenu, 5 procent vanadu a 3 procent chromu. Výhodou titanu 5553 je jeho vysoká pevnost v tahu: 1 160 MPa v porovnání s 910 MPa referenčního materiálu Ti6Al4V. Vyšší pevnost v tahu limituje obráběcí rychlosti na poloviční hodnoty, než jaké se používají u materiálu Ti6Al4V.
Vrstvené slitiny
Pokud jeden materiál ISO-S představuje problém s obráběním, současné zpracování dvou různých materiálů je ještě větší výzvou. Některé aplikace v leteckém průmyslu zahrnují obrábění součástí skládajících se z vrstev různých materiálů. Problém nastává, pokud je potřeba obrábět tento sendvičový (hybridní) materiál s adekvátním odvodem třísky bez vibrací a otřepů.
Typickým příkladem je kombinace titanu a nerezové oceli. Nerezová ocel a titan mají podobné vlastnosti: oba materiály mají relativně vysokou pevnost a adhezivní vlastnosti způsobující ulpívání obráběného materiálu na břitu nástroje.
Řešením společnosti Seco pro obrábění uložení motoru z kombinace titanu 6Al4V a austenitické nerezové oceli bylo použití karbidového nástroje Jabro JHP 770 speciálně navrženého pro obrábění titanu. Nástroj využívá diferencované rozmístění břitů, radiální podbroušení a speciálně tvarovaný prostor pro odvod třísky. Chladivo přiváděné kanálkem minimalizuje ulpívání materiálu obrobku na břitu a napomáhá lepšímu odvodu třísek. Při obrábění vrstvených materiálů nástroj prochází nejprve nerezovou ocelí a pak titanem. Parametry obtížněji zpracovatelného materiálu (titan) se zohledňují ve všech fázích. Kvůli nízké tepelné vodivosti slitiny se používá střední rychlost obrábění 50 m/min s posuvem 0,036 mm/ot. a 3mm hloubkou řezu v sestupné kruhové interpolaci.
Alternativa - nástroj z rychlořezné oceli (HSS)
Navzdory přínosu ve formě zvýšeného výkonu v mnoha situacích nejsou karbidové nástroje jediným způsobem, jak účinně obrábět materiály ISO-S. V některých případech jsou efektivnější a cenově výhodnější možností nástroje z rychlořezné oceli.
Množství součástí letadel, jako jsou díly podvozku, se obrábí z monolitických titanových nebo nerezových ocelových bloků. V případě těchto dílů jsou nejúčinnější nástroje z rychlořezné oceli s průměrem do 50 mm schopné odebírat velké objemy materiálu. Nástroje z rychlořezné oceli jsou velmi efektivní při použití ve strojích s nízkými otáčkami a vysokým krouticím momentem pro účinné hrubování a dokončování titanu a nerezové oceli. Schopnost použití velkého průměru a šířky řezu umožňuje těmto nástrojům dosáhnout atraktivní hodnoty úběru materiálu i při nižších rychlostech, než jaké lze dosáhnout s karbidovými nástroji.
Příkladem pokročilého nástroje z rychlořezné oceli je Jabro JCO710 HSS-Co s 8procentním obsahem kobaltu a pevností 67 HRC. Nástroj je vybaven leštěnými drážkami, které snižují tření a tvorbu nárůstků, a proměnnou geometrií profilu řezné části. Tím je zajištěn snadný řez a omezeno riziko chvění, které by mělo za následek nepřijatelnou drsnost povrchu. Tyto frézy dosáhly více než 800 minut životnosti nástroje při výrobě velkých titanových dílů.
Závěr
U materiálů ISO-S používaných v kritických aplikacích je cílem výrobců špičková kvalita, vysoká spolehlivost a produktivita obráběcích operací. Zatímco výrobci kovů vyvíjí nové slitiny ve snaze pokrýt stále se zvyšující požadavky na materiály pro náročná použití, výrobci nástrojů se snaží připravovat nové řezné materiály a strategie, které pomohou překonat problémy s obráběním materiálů ISO-S a umožní výrobcům splnění všech nároků na obrábění.
Strategie frézování materiálů ISO-S
Pečlivě navržené kombinace nástrojů a strategií frézování zajistí produktivní a ekonomické obrábění materiálů ISO-S.
Jedním přístupem je frézování s vysokým posuvem, což je metoda, která přenáší řezné síly z radiálního do axiálního směru a kombinuje malé axiální hloubky řezu s vysokým posuvem stolu. Tato metoda produkuje tenčí třísku, která odvádí teplo od řezné hrany, a redukuje řezné síly, čímž minimalizuje vibrace a stabilizuje obráběcí proces. Kromě redukce tvorby tepla a prodloužení životnosti nástroje poskytuje frézování vysokým posuvem rovněž vysokou rychlost úběru kovu, která je až o 200 až 300 procent vyšší než při tradičním frézování.
Frézování vysokým posuvem lze provádět s použitím nejrůznějších nástrojů. Společnost Seco například ve své globální řadě fréz Jabro nabízí nástroje JHF 180 určené pro obrábění tvrdších ocelí a kobalt-chromových slitin v rozsahu 48 až 62 HRC. Krček těchto nástrojů je kuželovitý (pod úhlem 0,9°), což snižuje průhyb nástroje, umožňuje frézování hlubokých dutin a zlepšuje jakost povrchu. Geometrie nástroje je navržena tak, aby odhazovala třísku od řezné hrany. Jsou vhodné pro rychloposuvové frézovací aplikace zahrnující čelní frézování, drážkování, postupné zafrézování, šroubovou interpolaci a obrábění po vrstvách (Z-level).
Ostatní strategie pro frézování materiálů ISO-S závisí na konkrétní operaci, materiálu obrobku a používaném stroji. Konvenční přístup zahrnuje vyvážení axiální a radiální hloubky řezu 1:1 a průměrný posuv. Vysoce výkonné obrábění prováděné specializovanými frézami, jako je řada HPM společnosti Seco, využívají velké axiální hloubky řezu a radiální hloubku řezu plné šířky k dosažení vysokého úběru materiálu. Další alternativou je vysokorychlostní obrábění, u kterého fréza pracuje při velmi nízkých radiálních hloubkách řezu a velkých axiálních hloubkách řezu. Tento přístup umožňuje použití vyšších rychlostí obrábění ke zlepšení produktivity. Efektivní implementace různých strategií obrábění závisí na kombinaci faktorů, mezi které patří schopnosti používaného obráběcího nástroje a systém CNC umožňující zvládat velké programy a soubory potřebné pro provedení procesů obrábění.
Obrábění titanu má vlastní speciální požadavky na provoz a nástroje. Použití středních rychlostí obrábění pomáhá zabránit tvorbě nadměrného tepla působícího na vznik chemických reakcí mezi nástrojem a obrobkem. Je velmi důležité pamatovat na potřebu co nejúčinnějšího chlazení. Ostré břity nástrojů redukují řezné síly při oddělování třísky od obrobku. I v tomto případě je výhodná strategie strategie obrábění vysokým posuvem.
