Industri-Spesifik Tools dan Strategi untuk Machining Material ISO-S
Inovatif engineering dan teknologi yang membawa kemajuan secara berkesinambungan pada medical industri yang sangat kritis, power generation dan produksi bagian pesawat terbang. Manufactur komponen yang presisi yang dibuat di industri tersebut membutuhkan material benda kerja yang sangat tahan terhadap panas dan aus, ketangguhan yang ekstrim, dan kualitas yang sangat kokoh dan handal. Contoh utama dari material itu adalah ISO-S alloy yaitu nikel-, cobalt- dan iron-based heat resistant superalloys (HRSA), dan titanium. Sangat keras, kuat dan creep dan tahan korosi dari material ini sehingga penggunaannya pada aplikasi yang sangat penting.
Sifat yang menguntungkan dari alloy, bagaimanapun juga, juga menghasilkan karateristik machining yang berbeda dari tradisiional iron dan stell. Machining material ISO-S sangat menantang karena alloy tidak mudah panas, dan juga dikenal sebagai thermal konduktivity rendah. Panas yang dihasilkan pada saat machining (~1100 derajat Selsius sampai 1300 derajat Selsius) diserap oleh tool dan benda kerja bukan terbawa pada chip. Dengan demikian tool life pendek dan part distorsi dapat terjadi. Alloy juga memiliki kecenderungan strain dan mengeras ketika dimachining, meningkatkan cutting force dan menurunkan tool life. Terakhir sifatnya yang lengket dari material ini menciptakan built-up edge (BUE) dan notch wear. Seperti itu juga dikenal sebagai material duktility. karakteristik yang umum pada material seperti aluminium.
Mengingat sulitnya machining material ISO-S dan mengorbankan part yang terlibat, produsen melakukan peningkatan dalam hal manufacturing yang berfokus kepada kehandalan komponen dan kualitas, dengan mengurangi cycle time sebagai prioritas kedua. Memaksimalkan keuntungan dari high-performance alloy memerlukan pengunaan tool berteknologi tinggi dan strategi aplikasi. Toolmaker menyempurnakan tool dan teknik untuk memberikan solusi yang produktif dan terpercaya untuk spesifik industri.
Aplikasi Kedokteran
Untuk berfungsi dengan baik dan tidak terjadi penolakan oleh tubuh, implant medis harus sepenuhnya bebas kimia dan harus tahan terhadap korosi oleh cairan tubuh. Dengan demikian biokompatibilitas dan tahan korosi dari material ISO-S membuatnya luar biasa sebagai bahan dasar dari bebagai jenis orthopedic, dental, dan komponen medis lainnya.
Pembuatan implan medis berkembang pesat. Rata-rata usia penduduk disekitar industri meningkat, dan begitu juga dengan rata-rata berat badan mereka. Kedua faktor tersebut memiliki implikasi langsung terhadap kerusakan lutut dan pinggul dan membutuhkan pengganti. Popularitas dari implan gigi juga cukup berkembang dikarenakan meningkatnya keperdulian masyarakat akan kecantikan dan kesehatan gigi.
KOMPONEN PENGGANTI LUTUT
Dua komponen dasar pengganti lutut. Komponen femoral meniru kondolas menonjol disekitar tulang paha dan menempel pada tulang kaki bagian atas atau femur. Pada akhirnya, komponen femoral yang beruang pada polimer cup yang melekat pada komponen dasar kedua, titanium tray yang melekat pada bagian atas tulang kaki bagian bawah atau tibia.
Sifat sebagai penghantar panas yang buruk dari material ISO-S mengharuskan penggunaan coolant disemua proses machining. Namun regulator medis memiliki aturan yang sangat ketat mengenai kontaminasi oleh residual coolant dan permintaan yang cepat dan waktu yang diperlukan untuk proses pembersihan. Sebagai hasilnya, toolmaker mengembangkan cara lain untuk machining medical part "kering" tanpa coolant atau emulsion. Seco, sebagai contoh, telah mengembangkan proses tanpa coolant untuk mesin Ti6AI4V titanium tibal tray dengan spesial t-slot dan bentuk end mills. Pekerjaan selesai dalam waktu kurang dari 10 menit, dengan tool life yang baik, kualitas produk yang luar biasa, dan part bebas kontaminasi.
Upaya lain untuk mengurangi dampak dari sifat ISO-S alloy sebagai penghantar panas yang buruk adalah merubah pekerjaan grinding dengan machining. Panas yang dihasilkan dari pekerjaan griding dalam waktu lama dapat menyebabkan stress pada part dan terjadi distorsi; salah satu produsen menemukan komponen femoral lutut yang sering keluar dari spesifikasi dimensi setelah proses grinding, hasilnya adalah tingkat kerusakan sekitar 20-30 persen.
Untuk mengatasi masalah itu, Seco application engineer mengembangkan metode five-step untuk machining komponen femoral pada machining center. Proses menggunakan ball end mill dan part fixture dengan sistem centerlock dimana part dapat diputar selama proses machining. Copy milling ini cocok untuk less rigid part-clamping setup, yang sering terjadi pada produksi part 3D yang kompleks. Cutting time untuk seluruh proses adalah tujuh menit. Setelah machining, hanya polishing yang dibutuhkan, dan proses polishing memakan waktu lebih sedikit dari yang sebelumnya setelah grinding.
Part Gigi Kecil
Metode pemesanan khusus dapat membantu mengatasi tantangan machining material ISO-S. Strategi High Feed Milling (lihat sidebar) menawarkan produktivity dikombinasikan dengan tool life yang panjang. Pada pekerjaan roughing pada komponen gigi dibuat dari CoCr steel, 3mm-diameter JHF 180 cutter dari Seco’s endmill diterapkan pada table feed rate dari 4,000mm/min dengan 2mm axial depth of cut, 0.2mm radial depth of cut, dan cutting speed of 66 m/min. Pada cobalt-shrome steel, tool life 175 menit.
Banyak komponen medis dan gigi yang di machining pada kompek hig-speed machining center di laboratorium dan dental office. Cutter kecil pada mesin ini harus di engineer untuk menahan perubahan pada karakteristik chip yang berubah dari profiling pada implan kecil dan part lainnya. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, Seco mengembangkan cutter Mini JM905 dan JM920. Tool tersedia dalam versi 4 flute dengan diameter dari 0.1mm sampai 2.0mm, dan dengan overhang panjang hingga 16 x D. Meskipun ukurannya kecil, tool tersebut menawarkan kekuatan dan kestabilan yang dibutuhkan untuk produksi special part kecil, dengan dimensi yang sesuai dengan benda kerja yang dibutuhkan.
Power Generation
Material ISO-S juga ditemukan meningkat pada industri power generation secara global. Meskipun penekanan saat ini pada 'green' energi seperti angin, air, dan solar, lebih dari 60 persen dari elektrik seluruh dunia saat ini diproduksi melalui bahan bakar yang mudah terbakar. Mayoritas produksi listrik melibatkan pengguna gas dan turbin uap. Selain itu terdapat upaya lain untuk membuat turbin lebih efisien. Kuat, komponen titanium namum ringan, sebagai contoh, mengurangi kekuatan centripetal pada rotasi tinggi per menit pada bagian kompresi rendah dari turbin, menghasilkan kecepatan rotasi yang lebih cepat. Selain komponen titanium, part HRSA digunakan pada bagian pembakaran untuk menangani peningkatan temperatur yang diperlukan untuk efisiensi engine yang lebih tinggi.
Alloy yang terbaru, Tantangan yang lebih besar
Dalam mengejar efisiensi dan meningkatkan performance, ISO-S alloy mengalami evolusi konstan. Produsen metal mengembangkan alloy dengan kapabilitas yang lebih besar untuk memenuhi kebutuhan meningkatnya aplikasi yang lebih kuat. Sebagai contoh, dibuatnya HRSA seperti nickel-base Inconel 738 dan cobalt-based SFX414 digunakan untuk pekerjaan dengan temperatur antara 850 derajat Selsius sampai 1200 derajat Selsius. Beberapa komposisi HRSA sebelumnya seperti GTD 262 dan Rene 108 dimaksudkan untuk digunakan pada temperatur 1200 derajat Selsius sampai 1600 derajat Selsius. Alloy yang baru hadir untuk memenuhi tantangan machining yang lebih besar.
Seco baru-baru ini dibantu dengan machining baru, higher-performance alloy digunakan pada komponen statik dari power generation turbine. Dengan material yang tahan panas lebih tinggi hadir meningkatkan machining yang sulit; hanya 18 m/min cutting speed dapat dicapai, dibandingkan dengan speed 25-35 m/min tipical dengan material Inconel 718.
Tooling yang saat ini digunakan aus setelah hanya satu segment turbin (320mm cutting length), dan produsen turbin mencari tool life yang lebih lama. Seco mengembangkan special cutter berdasarkan geometri Tool 780, yang dilengkapi dengan dual-core yang dapat meningkatkan kestabilan pada kondisi pemotongan yang sulit. Tool ini diaplikasikan pada parameter original: cutting speed 18 m/min, feed per tooth 0.015mm dan table feed 43 mm/min. Tool baru dimachine dua turbin (640 mm), meningkat 100% pada tool life. Kemudian, dengan mengurangi cutting speed sampai 16 m/min, dan menaikkan fee per tooth 0.017 mm, application engineer dapat memperpanjang tool life sampai 800 mm (+ 150 persen tool life).
Komponen Aerospace
Karena HRSA mempertahankan temperatur tinggi dan menawarkan superior creep dan tahan korosi, alloys membuat sampai 50 persen dari berat mesin modern aerospace.
Aplikasi dari material ISO-S pada aerospace turbin sama seperti turbin yang digunakan pada produksi energi. Dalam beberapa kasus, bagaimanapun, tolerasi aerospace sangat ketat. Sebagai contoh, Seco mengembangkan special tool untuk mesin fir-tree-shaped root profile dari turbin blade. Toleransi root profile untuk beberapa aplikasi energi direntang 10 mikron, dimana toleransi untuk beberapa aerospace profile lebih ketat yaitu 0-5 mikron (0.-0.005).
Structural Titanium
Selain aplikasi pada bagian temperatur rendah dari turbin, titanium ringan dan kuat digunakan pada struktural aerospace part seperti landing gears. Secara alami komponen landing gear besar dan kuat, dan juga sangat berat ketika diproduksi dari material standar.
Terbaru, titanium alloy lebih ringan dan lebih kuat digunakan untuk memproduksi landing gear yang lebih ringan dimana lebih sulit untuk dimachining dibandingkan titanium alloy sebelumnya. Salah satu yang baru ini dikembangkan adalah titanium 5553, dinamakan demikian karena berisikan 5 persen aluminium, 5 persen molybdenum, 5 persen vanadium, dan 3 persen chromium. Keuntungan dari titanium 5553 adalah daya tarik yang tinggi: 1160 MPa dibandingkan dengan 910 MPa untuk material Ti6Al4V. Semakin tinggi batas daya tarik cutting speed sampai 50 persen lebih rendah dari yang diaplikasin dengan Ti6Al4V.
Stacked Alloys
Jika satu material ISO-S mengalami kesulitan dalam proses machining, memproses dua material berbeda secara bersama memberikan tantangan yang lebih besar. Beberapa aplikasi aerospace menggunakan komponen machining terdiri dari tumpukan beberapa material. Tantangan melakukan machining "sandwich" atau "hybrid" dengan kontrol chip yang memadai dan tanpa vibrasi atau burr.
Sebuah contoh kombinasi titanium dan stainless steel. Stainless steel dan titanium berbagi beberapa sifat: keduanya cukup kuat dan memiliki sifat perekat pada saat pemotongan dan cenderung menempel pada endmill.
Solusi Seco untuk machining mesin dengan titanium 6Al4V/austentic stainless steel menumpuk adalah menggunakan carbide tool JHP 770 yang secara khusus didesain untuk machining titanium. Tool ini menggabungkan jarak flute yang berbeda, radial relief dan bentuk special untuk ruang chip. Through-coolant channel meminimalkan daya rekat benda kerja dan membersihkan chip. Pada machining material menumpuk, tool melewati stainless steel terlebih dahulu kemudian melewati titanium. Parameter untuk more difficult-to-machine material (titanium) yang diterapkan seluruhnya. Pengakuan atas alloy konduktifity termal rendah, cutting speed yang digunakan 50 m/min, dengan feed 0.036mm/rev, dan 3mm depth of cut, circular interpolation.
Aternatif HSS
Meskipun keuntungan kinerjanya dalam beberapa keadaan, carbide tooling bukan satu satunya cara yang efektif untuk proses machining material ISO-S, Dalam beberapa kasus, high-speed cutter merupakan pilihan yang lebih produktif dan cost-effective.
Banyak komponen aerospace besar, seperti landing gear part, dimachining dari titanium solid billet atau stainless steel. Untuk part ini, high-performance HSS tool sampai diameter 50 mm mampu menghapus material dalam jumlah besar. HSS tool sangat efektif pada rpm rendah, mesin dengan torque tinggi untuk proses roughing yang efektif dan bahkan finishing titanium dan stainless steel. Kemampuan untuk memotong diameter besar dan lebar menjadikan tool sangat kompetitif dalam metal removal rate bahkan ketika berjalan pada speed rendah dari pada yang dicapai dengan carbide tool.
Contoh dari HSS tool yang canggih ini adalah cutter JCO710 HSS-Co dengan 8 persen cobalt dan harden 67 HRC. Flute pada tool di polish untuk mengurangi friksi dan edge build-up, dan variable face profile geometry untuk memotong dan mengurangi resiko chatter yang menyebabkan nilai surface roughness yang tidak diterima. Cutter ini bisa lebih dari 800 menit tool life ketika digunakan pada produksi titanium part besr.
Kesimpulan
Tujuan produsen untuk pekerjaan machining material ISO-S digunakan pada aplikasi kritis adalah kualitas baik, konsistensi yang handal, dan produktifity. Para pembuat metal mengembangkan alloy baru untuk memenuhi meningkatnya permintaan aplikasi high-performance, giliran para pembuat cutting tool menciptakan material cutting tool baru dan strategi engineer untuk memenuhi tantangan machining material ISO-S dan membuat para produsen mampu memenuhi tujuan mereka.
Strategi ISO-S Milling
Kombinasi tool dan strategi pemotongan memfasilitasi produktif dan cost-effective machining material ISO-S
Salah satu pendekatannya adalah high-fee milling, metode dengan men-transfer cutting force dari radial ke axial, mengkombinasikan small axial depth of cut dengan high table feed. Teknik ini menghasilkan chip lebih tipis yang membawa panas dari cutting edge dan mengurangi cutting force, meminimalkan vibrasi dan memperpanjang tool life, high feed milling juga menghasilkan metal removal tinggi: sampai 200-300 persen lebih cepat dari tradisional milling.
High-feed milling dapat digunakan dengan beberapa jenis tool. Dari Global endmill line, sebagai contoh, Seco menawarkan tool JHF180 yang didesain untuk machining harder steel dan cobalt chrome alloy pada range 48-62 HRC. Tool fitur rigid 0.9 derajat dengan desain taper neck dapat mengurangi tool deflection, mampu deep cavity milling, dan meningkatkan surface finish. Tool geometri didesain untuk membuang chip fari cutting edge. Sesuai untuk aplikasi high-feed milling termasuk face milling, slotting, ramping, helical interpolation, ramping dan Z-level machining.
Strategi lain untuk milling material ISO-S bergantung pada spesifik pekerjaan, material benda kerja, dan mesin yang digunakan. Pendekatan konvensional melibatkan 1-1 balance of axial dan radial depth of cut dan rata-rata feed rate. High performace machining, menggunakan special cutter seperti Seco HPM, memanfaatkan axial depth of cut besar dan full-widht radial depth of cut untuk mencapai volume metal removal besar. High-speed machining adalah alternatif lain, dimana cutter berjalan dengan radial depth of cut yang cukup rendah dan axial depth of cut besar. Pendekatan ini memperbolehkan penggunaan cutting speed lebih tinggi untuk mencapai produktivity. Implementasi yang efektif dari beberapa strategi machining yang berbeda bergantung kepada beberapa faktor termasuk kemampuan mesin tool yang digunakan seperti sistem CNC yang dapat meng-handle program dan file besar yang dibutuhkan untuk digunakan pada proses machining.
Machining titanium memiliki operation specialist dan kebutuhan tooling tersendiri. Menggunakan moderat cutting speed membantu menghindari menghasilkan panas yang berlebihan dimana dapat mengembangkan reaksi kimia antara tool dan bendakerja. Coolant harus digunakan bila memungkinkan. Cutting edge tajam mengurangi cutting force dengan memfasilitasi penggeseran chip dari bendakerja. Strategi high-feed dapat digunakan juga.
