Bearbeitung von Superlegierungen:Experten geben Tipps für schwer zerspanbare Werkstoffe

Um in der heutigen wettbewerbsintensiven Welt der Zerspanung einen Vorteil zu erlangen, müssen Werkstätten mit der Schneidwerkzeugtechnologie auf dem Laufenden bleiben. Hier sind einige Lösungen für Superlegierungen – Metalle, die notorisch schwer zu bearbeiten sind, aber in der Luft- und Raumfahrt, der Energie- und Medizinindustrie weit verbreitet sind.

Inconel gehört zu den am wenigsten zerspanbaren Metalllegierungen. Dasselbe gilt für Hastelloy, Nimonic, Waspaloy und Rene. Alle enthalten relativ hohe Mengen an Nickel, Kobalt oder Chrom (manchmal alle drei) und hochschmelzende Metalle wie Molybdän und Tantal.

Angesichts ihrer extremen Zähigkeit, Härte und Beständigkeit gegen Hitze und Verschleiß sollte es nicht überraschen, dass diese wichtigen Metalle den hochtrabenden Titel „Superlegierungen“ tragen.
 

Inconel 718 zum Beispiel wird häufig zur Herstellung von Komponenten des heißen Abschnitts von Gasturbinentriebwerken verwendet, weshalb es als hitzebeständige Superlegierung (HRSA) bezeichnet wird.

Monel K-500 ist sehr beständig gegen Dampf und Meerwasser, was es zu einem Favoriten für Schiffsanwendungen macht.

Kobalt-Chrom (CoCR) hingegen wird für alles verwendet, von Zahnbrücken und künstlichen Knien bis hin zu Windrädern und Eheringen.

Es gibt drei allgemeine Klassen von Superlegierungen:auf Nickelbasis, auf Kobaltbasis und auf Eisenbasis. Die meisten sind proprietär und wurden von Unternehmen wie Haynes International und Special Metals Corporation (SMC) für die Luft- und Raumfahrt sowie für extrem heiße, kalte oder korrosive Umgebungen entwickelt. Wie bereits erwähnt, sind alle anspruchsvoll zu bearbeiten und erfordern eine starre Ausrüstung und Schneidwerkzeuge, die für diese anspruchsvollen Materialien ausgelegt sind.

Schaftfräser, Bohrer und Dreheinsätze

Glücklicherweise haben Maschinenwerkstätten, die bereit sind, sich mit HRSAs und anderen Superlegierungen zu befassen, heutzutage eine große Auswahl an Schneidwerkzeugen.

Die drei Hersteller von Schneidwerkzeugen, mit denen wir für diesen Artikel gesprochen haben, bieten alle Schaftfräser, Bohrer und Wendeschneidplatten an, die speziell für solche anspruchsvollen Materialien entwickelt wurden, ebenso wie andere Anbieter. Der Vorbehalt in jedem Fall ist jedoch, dass möglicherweise andere Bearbeitungstaktiken erforderlich sind, wenn Werkstätten diese Werkzeuge voll ausschöpfen sollen.

Zum Beispiel hat KYOCERA SGS Precision Tools Inc. seine Schaftfräser der Multi-Carb-Serie, die laut Anwendungstechniker Jacob Rak mit 7, 9 oder 11 Schneiden erhältlich sind und einen sehr schweren Kern für Steifigkeit aufweisen.

„Vor Jahren bestand der herkömmliche Ansatz bei Superlegierungen darin, Schaftfräser mit weniger Spannuten zu verwenden und sie aggressiv anzugreifen“, sagt er. „Aber wir haben sowohl bei internen Tests als auch bei unseren Luft- und Raumfahrtkunden gesehen, dass Werkzeuge mit einer höheren Schneidenzahl bei relativ geringen Schnitttiefen und niedrigen bis mäßigen Schnittgeschwindigkeiten in Superlegierungen äußerst effektiv sind.“

Abhängig vom jeweiligen Material empfiehlt Rak im Allgemeinen, mit einer radialen Schnitttiefe (DOC) von nicht mehr als 5 Prozent des Werkzeugdurchmessers zu beginnen. Dies setzt natürlich voraus, dass eine hocheffiziente Bearbeitung (HEM) oder eine dynamische Frässtrategie verwendet wird, da diese dazu dienen, den Span zu verdünnen und die Hitze in der Schneidzone zu reduzieren.

„Wir sind mit einem 9-Nuten-Werkzeug auf 20 Prozent DOC gestiegen und es hat sehr gut funktioniert“, sagt er. „Der Schlüssel liegt in der Nutzung dieser hocheffizienten Bearbeitungs-Werkzeugwege, um die Schnittkräfte zu verteilen und Spitzen in der Werkzeugbelastung zu vermeiden.“

Ein schweres Kernwerkzeug verwenden

Rak wiederholt die Notwendigkeit eines schweren Kernwerkzeugs, da dies die bei der Superlegierungsbearbeitung übliche Durchbiegung reduziert. So auch Derek Nading, Anwendungsingenieur bei M.A. Ford Mfg. Co. Inc., der normalerweise mit dem TuffCut XT9 (Serie 380) des Unternehmens beginnt, wenn er mit einer schwierigen Superlegierungsanwendung konfrontiert wird.

„Der XT9 ist ein 9-Nuten-Schaftfräser mit variabler Steigung und 37-Grad-Spirale, den wir vor einigen Jahren als Sonderanfertigung für einen großen Luft- und Raumfahrtkunden entwickelt haben“, sagt er. „Wir haben schnell festgestellt, dass es eine unübertroffene Leistung in hitzebeständigen Superlegierungen bietet, also haben wir es nach ein paar zusätzlichen Optimierungen – darunter eine Beschichtung auf TiAlSiN-Basis (ALtima Xtreme) – zu einem Standardangebot gemacht.“

Wie bei SGS und anderen Herstellern von Schneidwerkzeugen schlägt auch M.A. Ford vor, dass eine trochoidale Frässtrategie der klare Weg nach vorne bei der Bearbeitung von Superlegierungen ist.

„Mit den Fortschritten bei Werkzeugmaschinen und ihren Steuerungssystemen in den letzten Jahren bietet Ihnen die dynamische Frästechnologie zusammen mit beschichtetem Hartmetall die bestmögliche Werkzeuglebensdauer und Zerspanungsrate“, sagt Dirk Dietsch, Regional Business Manager für die Region Great Lakes von M.A. Ford .

„Das sind aber nicht die einzigen Vorteile des dynamischen Fräsens“, ergänzt er. „Außerdem bietet es geringere Schnittkräfte, eine verbesserte Oberflächenqualität der Teile, eine Reduzierung der kritischen Wärme im Werkstück sowie den durchgängig sichersten Prozess gegen einen katastrophalen Ausfall des Schneidwerkzeugs.“

Halten Sie Ihr Werkzeug kühl

Beide Zerspanungsspezialisten betonen die Notwendigkeit eines starren Aufbaus und einer ebenso robusten Werkzeugmaschine, ebenso wie Steve Archambault, regionaler Produktmanager bei Kennametal Inc. Auf die Frage, welcher der Schaftfräser des Unternehmens für die erfolgreiche Bearbeitung von Superlegierungen am besten geeignet ist, kreuzte er mehrere Möglichkeiten an, aber hob den HARVI 1 TE als seine erste Wahl hervor.

„Es gibt einige Tricks in seinem Design, die es dem HARVI 1 TE ermöglichen, ruhiger und mit weniger Reibung zu laufen“, sagt er. „Bei diesen Hochtemperaturlegierungen ist dieser letzte Teil – Hitze und Reibung – ein großes Problem. Mit einem exzentrischen facettierten Relief, einer speziellen Spanaussparung und einem parabolischen Kern für mehr Festigkeit hat dieses Werkzeug alle Attribute, die für ein effizientes Schneiden von Superlegierungen erforderlich sind.“

Greg Sage, regionaler Produktmanager für Drehen bei Kennametal, weist schnell darauf hin, dass Vollhartmetall nicht das einzige Spiel in der Stadt für die Bearbeitung von Superlegierungen ist; Es gibt auch Keramik.

Sage folgt den Ratschlägen der anderen zur Steifigkeit, fügt aber hinzu, dass dies besonders bei Werkzeugen wie den Vollkeramik-Schaftfräsern von Kennametal und bei Drehanwendungen erforderlich ist, bei denen Keramik oder PCBN (polykristallines kubisches Bornitrid) verwendet wird.

„Bei einem starren Aufbau können Sorten wie unsere KYS25-Keramik Schnittgeschwindigkeiten von 700 sfm oder mehr in Superlegierungen erreichen, was den Durchsatz erheblich erhöht“, sagt Sage. „Und für Schlichtoperationen leisten die Wendeschneidplatten KB1630 PCBN von Kennametal fantastische Arbeit. Wichtig ist jedoch, dass sich die Werkstätten daran erinnern, dass es viele Möglichkeiten gibt, und sie sollten sich an ihren Lieferanten von Schneidwerkzeugen wenden, um Unterstützung bei der Entscheidung zu erhalten, welche sie verwenden und wie sie sie anwenden.“

Setups super machen

Hersteller von Schneidwerkzeugen werden Ihnen sagen, dass für die erfolgreiche Bearbeitung von hitzebeständigen Superlegierungen wie Inconel und Hastelloy eine materialspezifische Sorte und Geometrie, eine starre Einrichtung und die richtige Werkzeugmaschine erforderlich sind.

Sie haben natürlich Recht, aber die HRSA-Geschichte hat noch mehr zu bieten.

Wenn es der Bohrer oder Schaftfräser zulässt, ist es auch ratsam, gefiltertes, gut gewartetes Kühlmittel mit einem Druck von 70 bar oder mehr (1.000 psi) durch das Werkzeug zu leiten. Diese Aussage gilt natürlich genauso für weniger anspruchsvolle Materialien wie für die meisten Drehoperationen.

Auch die Werkzeughalterkonstruktion verdient eine sorgfältige Betrachtung. Da der Werkzeugauszug beim Schruppen von Superlegierungen, Titan und sogar Aluminium ein Problem darstellt, ist ein Haimer Safe-Lock oder ein vergleichbarer rutschfester Werkzeughalter eine gute Investition. Ebenso ein Werkzeugauswuchtsystem. Wie jeder Maschinist weiß, sind die Beseitigung von Unrundheit und Vibration der Schlüssel zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer und einer verbesserten Teilequalität; Eine der besten Möglichkeiten, dies zu erreichen – neben der Verwendung hochwertiger hydraulischer, mechanischer oder Schrumpf-Werkzeughalter – ist das Auswuchten der kompletten Werkzeughalter-Baugruppe vor dem Einsatz.

Befolgen Sie diese Schritte und Sie werden bald feststellen, dass Superlegierungen doch nicht so super schwierig sind.

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Wie verwalten Sie die Bearbeitung schwer zu schneidender Materialien?

Da Hersteller versuchen, sich in einem herausfordernden globalen Markt einen Vorteil zu verschaffen, ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie bestimmte Metalle bearbeitet werden.

Techniken zur Bearbeitung von Superlegierungen – Metalle, die notorisch schwer zu bearbeiten sind, aber in der Luft- und Raumfahrt-, Energie- und Medizinindustrie üblich sind – sind daher nützlich zu kennen.

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