Stopy na bazie tytanu i niklu należą do najbardziej wymagających materiałów w obróbce skrawaniem. Łączą wysoką wytrzymałość, niską gęstość oraz doskonałą odporność na korozję i wysoką temperaturę. Te właściwości sprawiają, że są niezastąpione w lotnictwie, jednocześnie jednak znacznie utrudniają obróbkę. Dla produkcji oznacza to krótkie czasy eksploatacji narzędzi, wysokie obciążenia termiczne i rosnące koszty. ISCAR stawia czoła tym wyzwaniom, stosując dostosowane strategie narzędziowe, które koncentrują się na stabilnych procesach i powtarzalnych wynikach.
Stopy tytanu i niklu są preferowane w lotnictwie ze względu na swoją wysoką wytrzymałość mechaniczną, bardzo dobrą odporność na korozję oraz stabilność termiczną w ekstremalnych warunkach eksploatacji. Mimo tych zalet, w obróbce skrawaniem stawiają one duże wyzwania, które wpływają bezpośrednio na trwałość narzędzi, jakość powierzchni oraz stabilność procesu. Przy opracowywaniu nowych systemów narzędziowych skupia się na zwiększeniu trwałości oraz poprawie opłacalności produkcji.
Części lotnicze są wytwarzane z materiałów, które zostały specjalnie zaprojektowane do pracy w warunkach wysokich obciążeń mechanicznych, podwyższonych temperatur oraz agresywnych warunków otoczenia. Stopy tytanu i niklu oferują doskonały stosunek wytrzymałości do wagi oraz znakomitą odporność na ciepło. Dzięki temu są niezbędne w przypadku elementów konstrukcyjnych, komponentów silników oraz innych zespołów krytycznych dla bezpieczeństwa. Jednocześnie te same właściwości w porównaniu do stali lub stopów aluminium prowadzą do trudności w obróbce. Niskie tempo usuwania materiału, zwiększone zużycie narzędzi oraz wysokie wymagania jakościowe w znaczący sposób przyczyniają się do rosnących kosztów produkcji.
Wysoki wprowadzenie temperatury do narzędzia
Stopień tytanu łączy wytrzymałość z niską gęstością i doskonałą odpornością na korozję. Dzięki tej niezwykłej kombinacji właściwości tytan, pomimo ceny, znajduje zastosowanie w wielu technicznych dziedzinach specjalistycznych. Właściwości mechaniczne stopów tytanu, w szczególności wysoka wytrzymałość specyficzna przy bardzo małej wydłużeniu przy zerwaniu, połączone z niską przewodnością cieplną, stawiają duże wymagania przed procesem obróbki skrawaniem.
Aby to wyjaśnić: podczas obróbki stali stosunek odprowadzania ciepła z wióra do narzędzia skrawającego z węglika tungstenowego wynosi około 50 procent. Oznacza to, że połowa powstającej temperatury jest przekazywana przez wiór do ostrza, a druga połowa pozostaje w wiórze. W przypadku skrawania tytanu 80 procent powstającej temperatury trafia do ostrza. Dlatego stabilność termiczna używanego materiału skrawającego ma ogromne znaczenie.
Ponadto tytan wykazuje wysoką chemiczną afinitetę do narzędzi skrawających. Szczególnie przy niskich prędkościach skrawania sprzyja to powstawaniu wiórów i przyleganiu materiału.
Z powodu tych wyzwań ISCAR stosuje drobnoziarniste podłoża węglikowe oraz innowacyjne powłoki PVD. Znajdują one zastosowanie między innymi w rodzinach narzędzi takich jak HELIDO, CHATTERFREE oraz w różnych frezach pełnowęglikowych. Zwiększają one stabilność ostrzy oraz redukują tarcie i rozwój ciepła.
Specjalne przygotowanie krawędzi i termicznie stabilne powłoki
Stopy na bazie niklu stawiają inne, ale równie wymagające wyzwania dla stosowanych narzędzi skrawarskich. Materiały Ni zachowują swoją wytrzymałość nawet w wysokich temperaturach i wykazują wyraźne zachowanie w zakresie utwardzania w wyniku odkształcenia plastycznego – stają się twardsze i mocniejsze, ale także bardziej kruche.
W obróbce skrawaniem prowadzi to do zwiększonych sił skrawania, utwardzenia w wyniku zimnego formowania oraz zużycia spowodowanego wżerami, dyfuzją i korozją. Aby ograniczyć rozwój ciepła, operatorzy skrawania zazwyczaj pracują z obniżonymi prędkościami skrawania. Ma to jednak negatywny wpływ na wydajność.
ISCAR stawia czoła tym wyzwaniom dzięki wkładkom skrawającym z specjalną obróbką krawędzi oraz termicznie stabilnymi powłokami. Znajdują one szczególne zastosowanie w sortach materiałów skrawających SUMOTEC, w tym w rodzinach narzędzi HELITURN i LOGIQTURN. Są one konkretnie zaprojektowane z myślą o przewidywalnym zachowaniu w zakresie zużycia przez dłuższy czas użytkowania.
Odpowiedni materiał skrawający jest kluczowy.
Procesy obróbcze komponentów lotniczych podlegają surowym wymaganiom, które wykraczają daleko poza czystą dokładność wymiarową. Typowe tolerancje często mieszczą się w zakresie od pięciu do dziesięciu mikrometrów. Jednocześnie należy zapewnić wysoką jakość powierzchni. Celem jest unikanie mikropęknięć, nawarstwień materiału i naprężeń własnych, ponieważ mogą one negatywnie wpływać na wytrzymałość zmęczeniową. Dodatkowo często występują cienkościenne struktury komponentów, złożone geometrie i przerywane cięcia, które zwiększają podatność na drgania i wypieranie narzędzi. Narzędzia frezarskie o zmiennej skoku i helisie, takie jak te stosowane w rodzinach ISCAR CHATTERFREE i HELIMILL, są specjalnie zaprojektowane w celu redukcji drgań i zwiększenia stabilności procesu.
Aby wytrzymały obciążenia mechaniczne i termiczne oraz aby zredukować odpryski na krawędzi skrawającej, stosowane materiały skrawające muszą mieć zrównoważony stosunek między twardością a odpornością na pękanie. Najczęściej wykorzystuje się drobnoziarniste gatunki węglika tungstenowego, ponieważ są one bardzo odporne na zużycie i wystarczająco kruche nawet w niestabilnych warunkach skrawania.
Do obróbki stopów na bazie tytanu i niklu często stosuje się powłoki PVD. Charakteryzują się one wysoką przyczepnością, stabilnością termiczną i zmniejszonym tarciem. Jednocześnie działają jako bariera termiczna, spowalniają wprowadzenie ciepła do narzędzia i sprzyjają równomiernemu oraz przewidywalnemu zużyciu.
Rozwiązania do frezowania, toczenia i wiercenia
Podczas frezowania – szczególnie cienkościennych elementów – potrzebne są narzędzia o zmiennej podziale i spiralnych ostrzach, aby zminimalizować drgania.
Podczas obróbki stopów tytanu systemy o wysokim posuwie, takie jak narzędzie HELIMILL-HFM, umożliwiają zmniejszenie promieniowego zaangażowania przy jednoczesnym zwiększeniu posuwu na ząb. To zmniejsza występujące siły skrawania i ogranicza rozwój ciepła.
W przypadku stopów na bazie niklu skupia się na stabilnym wprowadzeniu narzędzia i równomiernej grubości wióra, aby zminimalizować lokalne zużycie - w szczególności zużycie w okolicach przejść.
Aby wytrzymać wysokie obciążenia mechaniczne podczas procesów toczenia i wytaczania, narzędzia wymagają szczególnie stabilnych systemów mocowania wkładek skrawających. Systemy takie jak HELITURN, JETCUT i LOGIQTURN są odpowiednio zaprojektowane. Dysponują stabilnymi miejscami na wkładki oraz zoptymalizowanymi przygotowaniami krawędzi skrawających dla optymalnych warunków cięcia.
Podczas obróbki stopów tytanu niezawodna kontrola wiórów jest bardzo ważna. Długie wióry zakłócają proces skrawania i mogą powodować uszkodzenia elementu oraz narzędzia. Przy toczeniu superstopów geometria ostrzy i przygotowanie krawędzi odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu zużyciu krawędzi i umożliwiają dłuższe czasy eksploatacji.
Jakość otworów ma bezpośredni wpływ na integralność montażu i wytrzymałość zmęczeniową elementów lotniczych. Systemy takie jak SUMOCHAM, QUICK-3-CHAM oraz systemy z wymiennymi wkładkami, takie jak DRTWIST i TRIDEEP, oferują zoptymalizowane geometrie ostrzy oraz wewnętrzne zasilanie chłodziwem. To poprawia odprowadzanie wiórów i redukuje obciążenie termiczne. Użytkownicy korzystają z niezmiennie wysokiej jakości otworów przy różnych materiałach i geometriach.
Bezpieczeństwo procesu i czas eksploatacji w centrum uwagi
Złożona interakcja parametrów skrawania, geometrii narzędzi, strategii chłodzenia i sztywności maszyny decyduje o czasie eksploatacji narzędzi. Już umiarkowane zmniejszenie prędkości skrawania o zaledwie dziesięć do dwudziestu procent może prowadzić do znacznie dłuższych czasów eksploatacji przy obróbce stopów na bazie niklu. ISCAR koncentruje się na powtarzalnym i przewidywalnym zachowaniu zużycia, zamiast na maksymalnym teoretycznym czasie eksploatacji. Dzięki temu użytkownicy unikają awarii narzędzi i zwiększają bezpieczeństwo procesu.
Przykłady z codziennej pracy skrawaczy pokazują, że użytkownicy mogą znacznie zwiększyć czasy eksploatacji dzięki zastosowaniu zoptymalizowanych geometrii narzędzi, dostosowanych powłok i odpowiednich parametrów skrawania. Użytkownik zdołał zwiększyć czas eksploatacji o 30 procent dzięki zastosowaniu frezarki o zmiennej helisie. Jednocześnie znacznie poprawiła się jakość powierzchni, a on zyskał wyższą stabilność procesu oraz mniejsze wskaźniki odpadów.
Integracja cyfrowych bibliotek narzędzi w systemach CAM zyskuje na znaczeniu w lotnictwie. ISCAR oferuje cyfrowe platformy z ustandaryzowanymi danymi narzędziowymi, które umożliwiają spójną selekcję i definicję parametrów. To redukuje wahania w czasie przezbrojenia i skraca czasy rozwoju procesu. Narzędzia symulacyjne i weryfikacyjne pozwalają również na ocenę i optymalizację strategii obróbczych jeszcze przed wdrożeniem w produkcji. To minimalizuje ryzyko przy produkcji wysokiej jakości elementów.
Poprawione czasy eksploatacji i stabilne procesy mają bezpośredni wpływ na rentowność. Redukują odpady i obniżają zużycie energii na element. Biorąc pod uwagę wysokie koszty materiałów przy produkcji skomplikowanych elementów lotniczych, już niewielkie zwiększenia efektywności prowadzą do dużych oszczędności. Jednocześnie zoptymalizowane procesy przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju poprzez mniejsze zużycie materiałów i lepsze wykorzystanie narzędzi.
Kontakt:
www.iscar.de
