Schneiden von Titan und HRSA-Metallen:Bearbeitbarkeit, Kühlmittel und mehr

Metalle wie hitzebeständige Superlegierungen und Titan können wirklich schwierig sein, aber mit der richtigen Herangehensweise und Anleitung bei der Bearbeitung, Werkzeugaufnahme und Auswahl der Wendeschneidplatten können Maschinenbediener die Problembereiche überwinden.

Von implantierbaren Gelenken im menschlichen Körper über große Teile für Schiffsanlagen in der Ölindustrie bis hin zu Triebwerksturbinen in der Luft- und Raumfahrt werden hitzebeständige Superlegierungen und andere Legierungen regelmäßig in wichtigen Fertigungssegmenten verwendet. Aber sie können mühsam zu bearbeiten sein.

Wenn das Ziel darin besteht, Teile in höchster Qualität in kürzester Zeit herzustellen, ist es unerlässlich, die Art der zu verwendenden Werkzeuge zu verstehen. Niemand möchte Werkzeuge durchbrennen oder Produktionsverzögerungen verursachen, weil superdichte, harte Metalle die Maschine auf Touren bringen, aber superlangsam oder ungenau schneiden. Ein Verständnis der Fähigkeiten einer Maschine ist ebenfalls unerlässlich – ebenso wie die Kenntnis der Werkzeuge, die für die harten Materialien am besten geeignet sind.

„Die Hauptanwendung für HRSAs sind Heißzonen-Turbinenkomponenten sowohl für Flugzeuge als auch für die Stromerzeugung – Teile wie Schaufeln, Blisks, Halterungen, Ventile und Verteiler, von denen die meisten komplex und konturiert sind“, schreibt Ed Sinkora für Advanced Manufacturing in dem Artikel „ Heiße Techniken zum Schneiden von Hochtemperaturlegierungen.“

„Das bedeutet, mit 5-Achs-Fräsen die geforderten Formen und Toleranzen in einer Aufspannung zu erreichen. Und für kleinere Teile werden Vollhartmetall-Rundwerkzeuge benötigt, die besonders steife Werkzeughalter erfordern“, erklärt Sinkora.

Viele Branchen stehen unter Produktionsdruck. Die Zeit, die benötigt wird, um qualitativ hochwertige Teile zu erhalten, ist wirklich wichtig, insbesondere in sehr wettbewerbsintensiven Märkten.

„Das Hauptaugenmerk liegt auf der Prozesssicherheit, da diese Strukturbauteile extrem teuer sind“, stellt Walter Tools in einem Artikel über das Taschenfräsen von Titan in der Luft- und Raumfahrt fest. „Gleichzeitig verlangt der Kostendruck des Marktes eine hohe Zerspanungs- und Produktivitätsleistung.“

Um dieses komfortable Maß an „Prozesssicherheit“ zu erreichen, ist viel Know-how bei der Verwendung der richtigen Maschinen, Spannmittel, Werkzeuge, Werkzeugwege und Kühlmittel erforderlich – alles zusammen – finden Sie Zerspanungs- und Werkzeugspezialisten. Wir erkunden die besten Werkzeug- und Bearbeitungsleitlinien für Titan, HRSAs und Legierungen.

Kennen Sie die Bearbeitbarkeitsbewertung des Metalls

Beim Schneiden von Titan, Edelstahl oder HRSAs ist es wahrscheinlich, dass viele der hergestellten Teile Nickel oder Chrom – und manchmal Kobalt – enthalten. Übliche Nickellegierungen umfassen Inconel, Waspaloy, Hastelloy, rostfreie Stähle einschließlich 304, 316 und 17-4 und andere.

„[Nickel ist] zäh, korrosionsbeständig und weist hervorragende Festigkeits- und Schlageigenschaften auf“, bemerkt Kip Hanson, ein Fertigungsberater, in dem Artikel „5 Tipps zum Schneiden von Metallen für hochtemperaturbeständige Legierungen auf Nickelbasis.“

„Mit einem scharfen Werkzeug und den richtigen Schnittparametern ist reines Nickel nicht besonders schwer zu drehen oder zu fräsen, obwohl Nickellegierungen wie Ni-Span-C 902 und Monel K-500 Zerspanbarkeitswerte von 15 Prozent oder weniger aufweisen“, erklärt Hanson .

Und die Bearbeitbarkeit ist der springende Punkt. Glücklicherweise können viele der heutigen Maschinen und Schneidwerkzeuge die meisten Materialien verarbeiten – aber die Herausforderung besteht darin, die richtigen Werkzeuge und Techniken zu kennen, um einen wiederholbaren und zeitnahen Bearbeitungsprozess zu schaffen. Zu diesem Zweck ist es hilfreich zu verstehen, wie ein Material bewertet wird, daher kann die Verwendung eines Bewertungsdiagramms für die Bearbeitbarkeit hilfreich sein.

Aber nichts kann Erfahrung und Wissen aus der Praxis ersetzen:Sprechen Sie mit den Menschen, die sich heute damit befassen, über Bearbeitbarkeitsprobleme. Treten Sie dem Metallbearbeitungsforum bei [Registrierung erforderlich].

In vielen Fällen hilft es auch, die technischen Leitfäden von Werkzeuglieferanten zu verwenden, wie z. B. diesen von Sandvik Coromant:

„Anwendungsleitfaden:Hitzebeständige Superlegierungen“

In diesem Leitfaden sagt Sandvik Coromant über HRSAs:„Die physikalischen Eigenschaften und das Bearbeitungsverhalten jeder [Legierungsgruppe] variieren erheblich, sowohl aufgrund der chemischen Natur der Legierung als auch der präzisen metallurgischen Verarbeitung, die sie während der Herstellung erfährt. Ob das Metall geglüht oder gealtert wird, hat vor allem Einfluss auf die späteren Zerspanungseigenschaften.“

Hier ist ein Videobeispiel für das Schneiden des schwierigen Monel K-500 mit einem dafür entwickelten verbesserten Werkzeug.

Hier ist ein anderes Beispiel für das Schneiden von Inconel 718.

Möchten Sie mehr über die Zusammensetzung der von Ihnen verwendeten Materialien erfahren? Lesen Sie „ Ein Leitfaden zur Auswahl von Schneidwerkzeugen:Eisen- und Nichteisenmetalle .“

Achten Sie auf die Hitze, verwenden Sie Kühlmittel für die Metallbearbeitung

Die Wärme, die in einer CNC-Maschine auf der Oberfläche des Materials bei den Geschwindigkeiten und Vorschüben erzeugt wird, die für genaue, zuverlässige Schnitte mit den richtigen Spänen erforderlich sind, ist kaum zu unterschätzen. Es kann eine echte Herausforderung für Einsätze und Werkzeuge sein.

„Schlechte Wärmeleitfähigkeit und hohe Härte erzeugen hohe Temperaturen während der Bearbeitung“, bemerkt Sandvik Coromant im Artikel „Selecting the Right Turning Insert for HRSA Materials“. „Die hohen Festigkeits-, Kaltverfestigungs- und Haftverfestigungseigenschaften erzeugen Kerbverschleiß bei maximaler Schnitttiefe und eine extrem abrasive Umgebung für die Schneidkante.“

Wie sollte sich ein Maschinist davor schützen? Verwenden Sie für viele Anwendungen Hartmetall-basierte Schneideinsätze, die die Schneide hart halten und am Substrat haften und Verformungen vermeiden helfen.

„Verwenden Sie generell Wendeschneidplatten mit großem Einstellwinkel (runde Wendeschneidplatten) und wählen Sie eine positive Plattengeometrie. Beim Drehen und Fräsen können je nach Anwendung Keramiksorten verwendet werden“, erklärt Sandvik Coromant.

Und vergessen Sie nicht die Rolle von Beschichtungen und Kühlmitteln, rät Scott Etling, Product Management Director bei Kennametal, in dem Artikel „The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals.“

„Sie brauchen die richtige PVD-Beschichtung, ein zähes Substrat, die richtige Geometrie, die richtige Kantenvorbereitung und Geometrien mit hoher Scherung“, sagt Etling. „Die Wärme dringt nicht wie bei Stahl in den Chip ein. Irgendwo muss die Wärme hin, daher muss für die meisten Titananwendungen eine enorme Menge an Kühlmittel verwendet werden.“

Weitere Informationen zu Kühlmitteln und HRSAs finden Sie im Anwendungsleitfaden von Sandvik Coromant. Der Werkzeughersteller schlägt Folgendes vor:

„Kühlmittel sollte bei allen Operationen angewendet werden, außer beim Fräsen mit Keramik. Die Lautstärke sollte hoch und gut gerichtet sein. HPC mit Hochdruckkühlung (bis zu 1160 psi) zeigt positive Ergebnisse in Bezug auf Standzeit und Konsistenz.“

Halten Sie das Werkstück starr

„Die Bearbeitung von HRSAs erfordert eine sehr stabile Maschine, eine starre Werkstückhalterung und eine sehr steife Schnittstelle zwischen Spindel und Werkzeughalter“, bemerkt Sinkora.

Es gibt viel mehr zu wissen als nur das Material und das Schneidwerkzeug. Es gibt auch die notwendigen Elemente, die dazu beitragen, ein Werkstück an Ort und Stelle und mit einer ausgewogenen Festigkeit zu halten, die den sehr hohen Drehzahlen und Durchsätzen standhalten kann, die heutige Maschinen und innovative Schneidwerkzeuge bewältigen können.

„Die Bearbeitung von Titan und anderen hitzebeständigen Superlegierungen erzeugt hohe Schnittkräfte nicht nur in radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung, was zum Herausziehen des Werkzeugs führen kann“, sagt Hanson im Artikel „Lessons in High-Performance Machining:Vergessen Sie nicht die Werkzeughalter.“ „Noch wichtiger ist es, die richtige Art von Werkzeughaltern zu verwenden, um Werkzeugversagen und Teileausschuss zu vermeiden. Es ist vielleicht nicht viel – vielleicht nur ein paar Tausendstel Zoll auf einmal, aber die Chancen stehen gut, dass es ausreicht, um einige sehr teure Teile zu verschrotten.“

Wenn Sie Halter mit Seitenschloss verwenden, ist es möglicherweise an der Zeit, etwas Neues und Verbessertes einzuführen. Viele Anbieter lizenzieren Haimers patentierte Safe-Lock-Technologie. Aber es geht nicht nur darum, die Standzeit durch die Reduzierung des Auszugs zu erhöhen. Es geht auch darum, Rattern und Oberschwingungen zu reduzieren – und die Spindel einer Maschine nicht zu beschädigen – daher sind Hydrodehnspannfutter in der HRSA-Teilefertigung eine Bewertung wert, ebenso wie sicherzustellen, dass die CNC über HSK, Capto, KM4X oder eine andere Technologie verfügt.

„Wenn Sie Werkzeugmaschinen so schnell laufen lassen, normalerweise über 12.000 U/min, wird empfohlen, immer das komplette System (d. h. Werkzeughalter mit dem Schneidwerkzeug) auszugleichen“, sagt Ronald West, Senior Global Product Manager bei Kennametal im Werkzeughalter Artikel. „Es erhöht lediglich die Standzeit des Werkzeugs und verringert den Spindelverschleiß … Bei einem Spannzangenfutter oder einem Schaftfräseradapter ist es aufgrund ihrer Konstruktion und der erforderlichen Hardware etwas schwieriger, das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, aber normalerweise sind Hydrodehnspannfutter und Schrumpfadapter viel einfacher auszuwuchten Hochgeschwindigkeitsanwendungen.“

Für grobe HRSAs versuchen Sie es mit Keramikwerkzeugen; Werkzeugwege lang halten

„Keramische Schneidstoffe bieten eine hervorragende Produktivität beim Schruppen in FSM und ISM. Ihre Anwendung unterscheidet sich stark von Hartmetall …“, stellt Sandvik Coromant in seinem Anwendungsleitfaden für die Arbeit mit HRSA fest. Der Grund dafür ist, dass Keramik hohe Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht, die dazu beitragen, einen „stark plastifizierten und gescherten Span“ zu erzeugen.

Der Schlüssel zum Schruppen von HRSAs liegt laut Experten in den Geschwindigkeiten und Vorschüben, damit Sie die richtige Temperatur erreichen können. Geschwindigkeiten von über 3.000 Fuß pro Minute werden empfohlen.

„Der erste Schritt besteht darin, die richtige Geschwindigkeit einzustellen, um die Temperatur in der Schneidzone zu erhöhen, um einen gewissen Grad an Plastifizierung des Materials zu erreichen, wodurch es einfacher zu bearbeiten ist“, sagt Jan Andersson, Global Manager bei Greenleaf Corp. „Ansonsten , kämpfen Sie mit unvorhersehbaren Standzeiten. Nachdem Sie die geeignete Geschwindigkeit bestimmt haben, verwenden Sie die Vorschubgeschwindigkeit, um die thermische Evakuierung zu steuern. Je höher der Vorschub, desto mehr Masse im Span. Je mehr Masse im Span, desto mehr Wärme transportieren Sie von der Schnittzone weg. Das steuert die chemische Verschleißkomponente.“

Ein weiterer wichtiger Punkt:Werkzeugwege müssen so lange wie möglich im Schnitt bleiben, damit Ihre Werkzeuge so lange wie möglich lebendig und nützlich bleiben. Es bedeutet, dass Sie die richtige Programmierung in Ihrem CAM verwenden, um den Radius in jedem Werkzeugweg zu erzwingen.

„Die wichtigste Programmiertechnik, nach der wir bei Inconel und anderen Superlegierungen suchen, besteht darin, das Werkzeug so lange wie möglich im Schnitt zu halten“, sagt Dale Mickelson, Produktmanager bei Methods Machine Tools, in einem Artikel zu Advanced Manufacturing. „Denn jedes Mal, wenn Sie in den Schnitt ein- und ausfahren, verlieren Sie Standzeit. Also erstellen wir Taschenbearbeitungsroutinen, die sich spiralförmig nach unten in das Teil bewegen. Wenn Sie eine Ebene haben, schneiden Sie spiralförmig auf diese Ebene und beenden dann die Ebene.“

Hier ist ein Videobeispiel für das Keramikfräsen beim Schneiden einer Turbinenschaufel.

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