Bearbeitung von HRSAs:Wissen, wann Hartmetall nicht ausreicht

Hitzebeständige Superlegierungen (HRSAs) wie Inconel 718 sind darauf ausgelegt, Festigkeit und Stabilität unter extremer Hitze und mechanischer Belastung aufrechtzuerhalten. Diese Materialien werden häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Medizintechnik, der Energieerzeugung sowie der Öl- und Gasindustrie eingesetzt, wo extreme Temperaturen herrschen und/oder die Beständigkeit gegenüber Druck, Verschleiß und ätzenden Umgebungen von entscheidender Bedeutung ist. Dieselben Eigenschaften, die HRSAs wertvoll machen, machen sie jedoch auch extrem schwierig zu bearbeiten.

Hartmetallwerkzeuge sind seit vielen Jahren die Standardlösung für die Bearbeitung dieser Materialien. Hartmetall bleibt eine effektive und weit verbreitete Option, da es wirtschaftlich, vielseitig und mit den meisten Werkzeugmaschinen kompatibel ist. Wenn jedoch die Reduzierung der Zykluszeit Priorität hat, bieten fortschrittliche Schneidstoffe wie Keramik und kubisches Bornitrid (CBN) erhebliche Vorteile.

Empfohlener Inhalt

Durch die strategische Kombination von Hartmetall, Keramik und CBN können Hersteller die Schnittgeschwindigkeiten drastisch steigern, Bearbeitungszyklen verkürzen und die für kritische Komponenten erforderliche Oberflächenintegrität aufrechterhalten.

Hartmetall:Eine vielseitige, kostengünstige Option

Hartmetalleinsätze bleiben eine zuverlässige Wahl für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen. Ihre Zähigkeit ermöglicht es ihnen, unterbrochene Schnitte und instabile Bedingungen besser zu bewältigen als viele fortschrittliche Schneidmaterialien. Hartmetallwerkzeuge sind in der Regel auch kostengünstiger als Keramik- oder CBN-Wendeschneidplatten, was sie für Betriebe attraktiv macht, die die Werkzeugkosten sorgfältig verwalten müssen.

Allerdings weist Hartmetall bei der Bearbeitung von HRSAs Einschränkungen auf. Da Materialien wie Inconel 718 erhebliche Hitze erzeugen und sich während der Bearbeitung leicht verfestigen, müssen Hartmetalleinsätze mit relativ konservativen Schnittgeschwindigkeiten betrieben werden, um die Standzeit des Werkzeugs aufrechtzuerhalten. Dies führt häufig zu längeren Bearbeitungszyklen beim Schruppen.

Trotz dieser Einschränkung spielt Hartmetall weiterhin eine wichtige Rolle in HRSA-Bearbeitungsstrategien. Tatsächlich werden bei einigen Anwendungen Hartmetallwerkzeuge für den letzten Schlichtdurchgang verwendet, wenn hohe Präzision und hochwertige Oberflächengüte erforderlich sind.

Keramikwerkzeuge für die Hochgeschwindigkeitsschruppbearbeitung

Keramische Schneidwerkzeuge können die Produktivität beim Schruppen von HRSAs deutlich steigern. Im Gegensatz zu Hartmetall sind Keramiken in der Lage, mit extrem hohen Schnittgeschwindigkeiten zu arbeiten und gleichzeitig die Stabilität bei erhöhten Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Anstatt Hitze zu vermeiden, erzielen Keramikwerkzeuge ihre beste Leistung, wenn die Hitze im Span und nicht in der Schneidkante konzentriert ist. Dadurch können Keramikeinsätze um ein Vielfaches schneller arbeiten als Hartmetalleinsätze bei gleichbleibender Leistung.

Keramik eignet sich besonders gut für Schruppbearbeitungen, da sie im Vergleich zu CBN-Wendeschneidplatten größere Schnitttiefen bewältigen kann. Dadurch können große Materialmengen schnell abgetragen werden, was die Schruppzykluszeiten erheblich verkürzt.

Mehrere Keramiksorten wurden speziell für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen entwickelt. Beispielsweise sind die fortschrittlichen Keramikverbundwerkstoffe BIDEMICS und die SiAlON-Keramiksorten SX7, SX3, SX9 und SX5 von NTK für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Superlegierungen auf Nickelbasis konzipiert.

Innerhalb dieses Bereichs bietet SX9 eine höhere Zähigkeit und wird oft zum Schruppen und schwereren Schnitten verwendet, während SX7 und SX3 Hochgeschwindigkeitsdreh- und Halbschlichtanwendungen unterstützen, bei denen stabile Schnittbedingungen höhere Geschwindigkeiten ermöglichen. Diese Keramiksorten ermöglichen es Maschinenbauern, die Schnittgeschwindigkeiten drastisch zu erhöhen und die Bearbeitungszeit beim Schruppen zu verkürzen.

Keramikwerkzeuge erfordern jedoch stabile Bearbeitungsbedingungen. Maschinensteifigkeit, sichere Befestigung und gleichmäßiger Werkzeugeingriff sind von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus sind einige Maschinen möglicherweise nicht in der Lage, die Spindelgeschwindigkeiten zu erreichen, die für die vollständige Nutzung von Keramikwerkzeugen erforderlich sind.

CBN für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

CBN-Wendeschneidplatten werden häufig für Schlichtbearbeitungen in Hochtemperaturlegierungen verwendet, bei denen Oberflächengüte und Maßgenauigkeit von entscheidender Bedeutung sind. CBN ist einer der härtesten verfügbaren Schneidstoffe und bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit bei erhöhten Temperaturen. Bei der Bearbeitung von Materialien wie Inconel 718 können CBN-Wendeschneidplatten mit ähnlichen Schnittgeschwindigkeiten wie Keramikwerkzeuge arbeiten, jedoch mit geringeren Schnitttiefen, typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm. Diese Kombination ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bei gleichzeitig hervorragender Oberflächenqualität.

Die CBN-Sorte BX815 von Tungaloy eignet sich beispielsweise gut für die Schlichtbearbeitung von Inconel 718. Die Sorte ist für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Superlegierungen konzipiert und soll während der Schlichtdurchgänge eine erhebliche Verschleißfestigkeit und Oberflächenstabilität bieten.

In Produktionsumgebungen ermöglicht dies Herstellern, Endbearbeitungsvorgänge schneller als mit Hartmetall abzuschließen und gleichzeitig eine verbesserte Oberflächenqualität zu erzielen.

Hybride Bearbeitungsstrategien

Doch anstatt sich auf ein einziges Schneidwerkzeugmaterial zu verlassen, kombinieren viele Hersteller mehrere Werkzeuglösungen, um sowohl die Produktivität als auch die Oberflächenqualität zu optimieren.

Eine typische Bearbeitungsstrategie für HRSAs könnte Folgendes umfassen:

1. Schruppen mit Keramikwerkzeugen. Keramiksorten wie BIDEMICS, SiAlon oder ähnliche Lösungen ermöglichen einen aggressiven Materialabtrag bei hohen Schnittgeschwindigkeiten.
2. Halbbearbeitung mit Keramik oder hitzebeständigem PVD-Hartmetall. In Situationen, in denen Maschinen nicht die optimalen Keramikgeschwindigkeiten erreichen können, können fortschrittliche PVD-Hartmetallsorten wie AH8005 und AH8015 eine dauerhafte Alternative für Vorschlichtbearbeitungen darstellen.
3. Endbearbeitung mit CBN. CBN-Sorten wie BX815 ermöglichen eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit hochwertiger Oberflächengüte und Maßkontrolle.
4. Letzter Reinigungsdurchgang mit Hartmetall (falls erforderlich). In einigen Anwendungen kann ein leichter Hartmetall-Schlichtdurchgang verwendet werden, wenn hohe Präzision, hochwertige Oberflächenbeschaffenheit und Teilemerkmale die Anforderungen an spezielle Geometrien erfordern.

Überlegungen zur Programmierung

Beim Übergang von Hartmetall- zu Keramik- oder CBN-Werkzeugen müssen möglicherweise auch die Programmierstrategien angepasst werden. Keramikwerkzeuge erzielen die beste Leistung bei gleichmäßigem Werkzeugeingriff und stabilen Schnittbedingungen. Werkzeugwege sollten Unterbrechungen minimieren, einen gleichmäßigen Eingriff gewährleisten und einen reibungslosen Eintritt in den Schnitt ermöglichen. Plötzliche Lastwechsel oder starke Unterbrechungen können zu einem vorzeitigen Werkzeugausfall führen. Da Keramikwerkzeuge mit deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten arbeiten als Hartmetallwerkzeuge, müssen Vorschübe und Geschwindigkeiten sorgfältig angepasst werden, um stabile Schnittbedingungen aufrechtzuerhalten.

CBN-Endbearbeitungsvorgänge profitieren außerdem von einem stabilen Eingriff und kontrollierten Schnitttiefen, um die Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu maximieren.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Maschinenfähigkeit. Einige Geräte sind möglicherweise nicht in der Lage, die Spindelgeschwindigkeiten zu erreichen, die für eine optimale Leistung von Keramik oder CBN erforderlich sind. In diesen Situationen bleiben Hartmetallwerkzeuge eine praktische und effektive Lösung.

Ein typisches Beispiel:Die Umwandlung von Inconel 718

Stellen Sie sich einen Drehvorgang an Inconel 718 vor, bei dem vor dem letzten Schlichtdurchgang eine erhebliche Menge Material entfernt werden muss. Ein typischer Prozess könnte Folgendes umfassen:

• Keramikschruppen mit einer Sorte wie SX3 oder BIDEMICS, um den Großteil des Materials bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu entfernen.
• Halbschlichten mit einer hitzebeständigen Hartmetallsorte wie AH8005 oder AH8015, wenn Einschränkungen der Maschinengeschwindigkeit eine weitere Keramikbearbeitung verhindern.
• Hochgeschwindigkeitsschlichten mit einer CBN-Wendeschneidplatte wie BX815, um enge Toleranzen und eine hervorragende Oberflächengüte zu erzielen.

Im Vergleich zu einem reinen Hartmetallprozess kann dieser Multitool-Ansatz die Gesamtzykluszeit erheblich verkürzen und gleichzeitig eine hohe Teilequalität beibehalten.

Verbesserung der Produktivität bei der HRSA-Bearbeitung

HRSA-Materialien werden aufgrund ihrer Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Tendenz zur Kaltverfestigung weiterhin eine Herausforderung für Maschinenbauer sein. Allerdings ermöglichen Fortschritte bei Schneidwerkzeugmaterialien den Herstellern nun eine deutliche Verbesserung der Bearbeitungseffizienz.

Hartmetall bleibt für viele Anwendungen eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung. Wenn die Produktivität jedoch entscheidend wird, bieten Keramik- und CBN-Werkzeuge die Möglichkeit, die Schnittgeschwindigkeit deutlich zu erhöhen und die Bearbeitungszeit zu verkürzen. Durch die Kombination von Keramikschruppen, CBN-Schlichten und Hartmetall-Reinigungsdurchgängen können Hersteller bei Bedarf hocheffiziente Bearbeitungsstrategien für Materialien wie Inconel 718 entwickeln.