Innowacyjna inżynieria i nowatorskie technologie są motorem stałego postępu w wytwarzaniu części w przemysłach o kluczowym znaczeniu: medycznym, energetycznym i lotniczym. Produkowane w tych branżach precyzyjne podzespoły wykonywane są z materiałów o wysokiej wytrzymałości cieplnej i odporności na ścieranie, ekstremalnej ciągliwości oraz niezmiennej jakości i niezawodności. Głównymi przykładami tych materiałów są stopy ISO-S, a mianowicie: żaroodporne superstopy na bazie niklu, kobaltu i żelaza oraz tytan, które z powodu swoich właściwości w wysokich temperaturach: twardości, wytrzymałości oraz odporności na pełzanie i korozję, są wykorzystywane w różnych krytycznych zastosowaniach. 
Jednak korzystne właściwości tych stopów powodują również, że ich skrawalność różni się od skrawalności tradycyjnego żelaza i stali. Skrawanie materiałów ISO-S jest trudne, ponieważ stopy charakteryzują się niską przewodnością cieplną (są złymi przewodnikami ciepła). Ciepło wytwarzane podczas obróbki skrawaniem (temperatura wynosi wówczas od 1100 do 1300 stopni Celsjusza) nie są odprowadzane przez wióry, lecz są pochłaniane przez ostrze. Powoduje to zmniejszenie trwałości narzędzia i możliwość odkształcenia obrabianej części. Stopy te podczas skrawania mają również tendencję do umocnienia zgniotowego i utwardzenia wydzieleniowego, co skutkuje wzrostem sił skrawania i dalszym zredukowaniem trwałości narzędzia. Wreszcie przywieranie tych materiałów do ostrza jest przyczyną tworzenia się niekontrolowanego narostu na krawędzi (BUE) i zużycia karbowego. Taka przywieralność jest również znana jako plastyczność materiału, która jest właściwością charakterystyczną dla miękkich materiałów, takich jak aluminium.
Ze względu na trudność skrawania materiałów ISO-S oraz koszty wytwarzanych części producenci domagają się udoskonaleń w dziedzinie obróbki skrawaniem pozwalających po pierwsze zwiększyć niezawodność i jakość komponentów, a po drugie skrócić czas jednostkowy. Maksymalne wykorzystanie właściwości tych wysokojakościowych stopów wymaga zaawansowanych narzędzi i strategii obróbkowych. Producenci narzędzi dostosowują precyzyjnie te narzędzia i techniki, dzięki czemu mogą oferować wydajne i niezawodne rozwiązania przeznaczone do określonych zastosowań branżowych.
Zastosowania medyczne
Aby implant medyczny funkcjonował prawidłowo i nie został odrzucony przez organizm, musi być obojętny chemicznie i całkowicie odporny na korozję powodowaną przez płyny ustrojowe. Biozgodność i odporność na korozję materiałów ISO-S czyni je doskonałą bazą różnych komponentów medycznych: ortopedycznych, stomatologicznych itp.
Szybko wzrasta liczba wytwarzanych wszczepów medycznych. Zwiększa się średni wiek i średnia waga ludności zamieszkującej uprzemysłowione obszary. Oba te czynniki mają bezpośredni wpływ na zużywanie się stawów kolanowych oraz biodrowych i wynikające z tego zapotrzebowanie na zamienniki. Ponadto większa dbałość o wygląd i zdrowie zębów powoduje wzrost popularności implantów dentystycznych.
Komponenty zamiennego stawu kolanowego
Zamienne kolano składa się z dwóch podstawowych komponentów: komponent udowy imituje zaokrąglony występ kłykciowy na końcu kości udowej i jest mocowany do górnej kości nogi, czyli kości udowej. Komponent udowy podtrzymywany jest z kolei przez czaszę polimerową spoczywającą na drugim podstawowym komponencie, jakim jest podstawka tytanowa mocowana do górnej części dolnej kości nogi, czyli kości piszczelowej.
Niska przewodność cieplna materiałów ISO-S wymusza użycie chłodziwa w większości operacji obróbkowych. Jednakże medyczne organy nadzorcze wydają rygorystyczne przepisy dotyczące zanieczyszczenia resztkowym chłodziwem i wymagające przeprowadzania dokładnych i czasochłonnych procedur oczyszczania. W efekcie producenci narzędzi opracowują metody obróbki części medycznych „na sucho”, bez użycia chłodziwa czy emulsji. Na przykład firma Seco opracowała bezchłodziwowe procesy obróbki podstawek piszczelowych ze stopu tytanowego Ti6Al4V za pomocą specjalnych frezów do rowków teowych i niestandardowo ukształtowanych frezów trzpieniowych walcowo-czołowych. Operacja trwa krócej niż 10 minut, narzędzie ma odpowiednią trwałość, jakość produktu jest doskonała i wytworzone części nie są zanieczyszczone.
Innym sposobem zminimalizowania skutków złego przewodzenia ciepła przez stopy ISO-S jest zastąpienie szlifowania obróbką wiórową. Ciepło wytwarzane podczas długotrwałej operacji szlifowania może spowodować powstanie naprężenia w obrabianej części i jej odkształcenie — jeden z producentów wykrył, że wymiary udowych komponentów stawu kolanowego wykraczały po szlifowaniu poza zakres tolerancji, co powodowało, że odsetek wybrakowanych wyrobów wynosił 20–30 procent.
Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie firmy Seco ds. zastosowań opracowali pięciostopniową metodę obróbki komponentów udowych na centrum obróbczym. W procedurze używane są frezy trzpieniowe walcowo-czołowe z kulistą końcówką oraz uchwyt mocujący obrabianą część z systemem blokującym ją w położeniu środkowym umożliwiający obracanie części podczas obróbki. Ta metoda frezowania kopiowego idealnie nadaje się do mniej sztywnych układów mocowania części, które są często spotykane w przypadku wytwarzania tych złożonych części trójwymiarowych. Czas wykonania całej operacji obróbki wiórowej wynosi około siedmiu minut. Po obróbce wiórowej wymagane jest tylko polerowanie trwające krócej niż polerowanie wykonywane poprzednio po szlifowaniu.
Małe części stomatologiczne
Specjalne metody obróbki skrawaniem mogą pomagać przezwyciężać wyzwania związane z obróbką materiałów ISO-S. Strategie frezowania z dużymi posuwami (patrz pasek boczny) zapewniają zarówno wydajność, jak i trwałość narzędzia. W operacji obróbki zgrubnej komponentu stomatologicznego wykonanego ze stali kobaltowo-chromowej użyto frezu JHF 180 o średnicy 3 mm z serii frezów trzpieniowych walcowo-czołowych Jabro firmy Seco przy prędkości posuwu stołu wynoszącym 4000 mm/min, osiowej głębokości skrawania równej 2 mm, promieniowej głębokości skrawania równej 0,2 mm i prędkości skrawania równej 66 m/min. Trwałość narzędzia skrawającego tę stal kobaltowo-chromową wyniosła 175 minut.
Wiele małych komponentów medycznych i dentystycznych obrabia się w niewielkich wysokoprędkościowych centrach obróbkowych znajdujących się w pracowniach i gabinetach stomatologicznych. Małe frezy używane na tych obrabiarkach powinny być tak skonstruowane, aby wytrzymywały szybko zmieniające się obciążenia wiórami charakterystyczne dla operacji obróbki kształtowej małych implantów i innych części. Aby spełnić ten warunek, firma Seco opracowała frezy Jabro Mini JM905 i JM920. Narzędzia te są wyposażone w cztery rowki wiórowe, ich średnica wynosi od 0,1 do 2,0 mm i mają długie wystawienia wynoszące do 16 x D. Mimo swych małych wielkości charakteryzują się wytrzymałością i stabilnością, które są wymaganymi cechami w przypadku specjalizowanej produkcji małych części, i wymiarami spełniającymi wymagania typowego elementu obrabianego.
Przemysł energetyczny
Materiały ISO-S są coraz częściej wykorzystywane w ogólnoświatowym przemyśle wytwarzania energii elektrycznej. Pomimo dzisiejszego nacisku na korzystanie z „zielonych” źródeł energii, takich jak wiatr, woda i promieniowanie słoneczne, ponad 60 procent globalnej energii elektrycznej wytwarza się poprzez spalanie paliw. Większość tej energii jest generowana przy użyciu turbin gazowych i parowych. Ponadto podejmowane są ciągłe próby zwiększenia sprawności turbin. Przykładowo, wysokowytrzymałe, a zarazem lekkie komponenty tytanowe powodują zmniejszenie sił dośrodkowych w obracających się z wysokimi prędkościami obrotowymi sekcjach turbiny niskiego ciśnienia, co umożliwia zwiększenie prędkości obrotowych. Oprócz komponentów tytanowych, w komorach spalania wykorzystywane są części z superstopów HRSA wytrzymujące podwyższone temperatury konieczne do uzyskania wyższej sprawności silnika.
Nowsze stopy — większe wyzwania
W dążeniu do zwiększenia sprawności i wydajności stopy ISO-S są stale rozwijane. Wytwórcy metali opracowują stopy o większych możliwościach pozwalających używać ich w coraz bardziej wymagających zastosowaniach. Na przykład uznane superstopy HRSA, takie jak Inconel 738 na bazie niklu i SFX414 na bazie kobaltu, są przeznaczone do pracy w temperaturach z przedziału od 850 do 1200 stopni Celsjusza. Niektóre z najnowszych superstopów HRSA, takie jak GTD 262 i Rene 108, są przeznaczone do pracy w temperaturach od 1200 do 1600 stopni Celsjusza. Te nowe stopy są dla obróbki skrawaniem odpowiednio większym wyzwaniem.
Firma Seco pomagała niedawno pokonać problemy związane ze skrawaniem nowego stopu o korzystniejszych właściwościach używanego w nieruchomych komponentach turbiny wchodzącej w skład turbozespołu generującego energię elektryczną. Wraz ze wzrostem wytrzymałości cieplnej materiału zwiększyła się trudność jego obróbki skrawaniem: można go było skrawać z prędkością wynoszącą tylko 18 m/min w porównaniu z prędkością skrawania 25–35 m/min z jaką zazwyczaj skrawa się materiał referencyjny: stop Inconel 718.
Dotychczasowe narzędzia zużywały się po obróbce zaledwie jednego segmentu turbiny (długość skrawania wynosiła 320 mm) i producent turbin poszukiwał bardziej trwałego narzędzia. Firma Seco, bazując na geometrii narzędzia Jabro 780, opracowała specjalny frez, który dzięki dwurdzeniowej budowie jest bardziej stabilny w trudnych warunkach skrawania. Wykonano nim skrawanie z zastosowanymi pierwotnie parametrami: prędkość skrawania 18 m/min, posuw na ostrze 0,015 mm i posuw stołu 43 mm/min. Nowym narzędziem obrobiono dwa segmenty turbiny (długość skrawania wynosiła 640 mm), co oznacza, że trwałość narzędzia zwiększyła się o 100%. Następnie inżynierowie ds. zastosowań, poprzez zmniejszenie prędkości skrawania do 16 m/min i zwiększenie posuwu na ostrze do 0,017 mm, zwiększyli długość skrawania do 800 mm, a więc zwiększyli trwałość narzędzia (w stosunku do dotychczasowych narzędzi) o 150%.
Komponenty używane w przemyśle lotniczym
Ponieważ superstopy HRSA zachowują w wysokich temperaturach wytrzymałość oraz są odporne na pełzanie i korozję, stanowią one aż 50 procent masy nowoczesnego silnika lotniczego.
Zastosowania materiałów ISO-S w turbinach lotniczych są podobne do zastosowań w turbinach używanych w przemyśle energetycznym, jednak w wielu przypadkach tolerancje lotnicze są węższe. Przykładowo, firma Seco konstruuje specjalne narzędzia do obróbki profili zamków jodełkowych łopatek turbinowych. Tolerancje profili zamków w niektórych zastosowaniach energetycznych wynoszą 10 mikrometrów, natomiast tolerancje niektórych profili lotniczych wynoszą 0–5 mikrometrów (0–0,005 mm).
Tytan konstrukcyjny
Ze względu na lekkość i wytrzymałość tytan jest wykorzystywany w niskotemperaturowych sekcjach turbin, a także w lotniczych elementach konstrukcyjnych, takich jak podwozie samolotu. Komponenty podwozia samolotu są z natury masywne i wysokowytrzymałe, ale również bardzo ciężkie, gdy są wykonane ze standardowych materiałów.
Obróbka skrawaniem nowszych, lżejszych i wytrzymalszych stopów tytanu używanych do produkcji lżejszych podwozi samolotów jest trudniejsza niż taka obróbka poprzednio stosowanych stopów tytanu. Jednym z takich niedawno opracowanych stopów jest tytan 5553, nazwany w ten sposób, ponieważ zawiera on 5% aluminium, 5% molibdenu, 5% wanadu i 3% chromu. Jego zaletą jest wysoka wytrzymałość na rozciąganie wynosząca 1160 MPa w porównaniu z wytrzymałością na rozciąganie materiału referencyjnego Ti6Al4V równą 910 MPa. Wyższa wytrzymałość na rozciąganie ogranicza prędkości skrawania do poziomów o 50% niższych niż w przypadku materiału Ti6Al4V.
Stopy warstwowe
Podczas gdy obróbka skrawaniem materiału ISO-S jest trudna, jednoczesna obróbka dwóch materiałów jest jeszcze większym wyzwaniem. W przypadku niektórych zastosowań lotniczych wykonywane jest skrawanie komponentów składających się z różnych materiałów ułożonych warstwowo. Wyzwaniem jest obróbka skrawaniem tych wielowarstwowych lub hybrydowych materiałów z właściwą kontrolą wióra oraz bez wibracji i zadziorów.
Typowym przykładem jest materiał złożony z tytanu i stali nierdzewnej. Stal nierdzewna i tytan mają niektóre właściwości wspólne: oba materiały są względnie wysokowytrzymałe i mają właściwości adhezyjne, co oznacza, że skrawany materiał ma tendencję do przywierania do ostrza frezu.
Rozwiązaniem firmy Seco zastosowanym podczas obróbki skrawaniem łoża silnika wykonanego z warstwowego materiału złożonego z tytanu 6Al4V i austenitycznej stali nierdzewnej było narzędzie węglikowe Jabro JHP 770 specjalnie zaprojektowane do obróbki tytanu i posiadające następujące cechy: zróżnicowana podziałka ostrza, promieniowe zatoczenie ostrzy, specjalnie ukształtowany rowek wiórowy i przelotowy kanał przepływu chłodziwa minimalizujący przywieranie materiału obrabianego i usuwający wióry. Podczas skrawania materiałów warstwowych narzędzie przechodziło najpierw przez stal nierdzewną, a następnie przez tytan. Przez cały czas skrawano z parametrami właściwymi dla materiału trudniejszego do obróbki tj. tytanu. Ze względu na niską przewodność cieplną stopu zastosowano umiarkowaną prędkość skrawania 50 m/min oraz posuw 0,036 mm/obr. i głębokość skrawania 3 mm.
Alternatywa ze stali szybkotnącej
Pomimo przewagi wydajnościowej jaką mają w wielu sytuacjach narzędzia węglikowe, skrawanie nimi nie jest jedynym sposobem efektywnej obróbki materiałów ISO-S. W niektórych przypadkach frezy ze stali szybkotnącej są wydajniejsze i bardziej opłacalne.
Wiele dużych komponentów lotniczych, takich jak elementy podwozia samolotu, powstaje poprzez obróbkę skrawaniem pełnych kęsów tytanu lub stali nierdzewnej. Podczas skrawania tych elementów wysokowydajne narzędzia ze stali szybkotnącej o średnicy do 50 mm mogą usuwać materiał o dużej objętości. Narzędzia ze stali szybkotnącej są bardzo efektywne, gdy są eksploatowane na niskoobrotowych obrabiarkach o dużym momencie obrotowym wykonujących obróbkę zgrubną, a nawet obróbkę wykańczającą tytanu i stali nierdzewnej. Dzięki możliwości usuwania za ich pomocą materiału o dużych średnicach i szerokościach można uzyskiwać konkurencyjne wydajności skrawania, nawet podczas pracy z niższymi prędkościami niż osiągalne przy wykorzystaniu narzędzi węglikowych.
Przykładem zaawansowanego narzędzia ze stali szybkotnącej jest frez Jabro JCO710 HSS-Co o twardości 67 HRC zawierający 8% kobaltu. Narzędzie charakteryzuje się wypolerowanymi rowkami wiórowymi redukującymi tarcie i narost na krawędzi oraz zmienną geometrią profilu czołowego, dzięki czemu skrawanie jest lżejsze i zmniejszone jest ryzyko występowania wibracji powodujących niedopuszczalną chropowatość powierzchni. Trwałość tych frezów zastosowanych u producenta wytwarzającego duże elementy tytanowe wynosiła ponad 800 minut.
Wnioski
Celami producentów obrabiających materiały ISO-S wykorzystywane w krytycznych zastosowaniach są: najwyższa jakość, niezawodna stałość i wydajność. Ponieważ wytwórcy metali opracowują nowe stopy wysokiej klasy spełniające wymogi coraz bardziej wymagających zastosowań, wytwórcy narzędzi skrawających tworzą z kolei nowe narzędzia i strategie pozwalające przezwyciężyć trudności związane z obróbką materiałów ISO-S i umożliwiające producentom osiągnięcie ich celów obróbkowych.
Strategie frezowania materiałów ISO-S
Starannie opracowane kombinacje narzędzi i strategii obróbkowych ułatwiają wydajne i opłacalne skrawanie materiałów ISO-S.
Jedną ze strategii jest frezowanie z dużymi posuwami: przejście do tej metody oznacza zmianę kierunku sił skrawania z promieniowego na osiowy. Metoda ta charakteryzuje się małą osiową głębokością skrawania i wysokimi posuwami stołu. Powstaje węższy wiór, który odprowadza ciepło z krawędzi skrawającej i zmniejsza siły skrawania, minimalizując wibracje i stabilizując operację obróbki skrawaniem. Frezowanie z dużymi posuwami, oprócz zmniejszenia wytwarzania ciepła i zwiększenia trwałości narzędzia, zapewnia również wysoką wydajność skrawania: maksymalnie o od 200 do 300% większą niż w przypadku tradycyjnego frezowania.
Frezowanie z dużymi posuwami może być wykonywane różnymi narzędziami. Z ogólnej serii frezów walcowo-czołowych Jabro firma Seco oferuje narzędzia JHF180 przeznaczone do obróbki twardszych stali i stopów kobaltowo-chromowych o twardości z zakresu 48–62 HRC. Narzędzia te mają sztywną konstrukcję, zwężenie pod kątem 0,9 stopnia, co zmniejsza ugięcie narzędzia, umożliwia frezowanie głębokich wgłębień i zwiększa gładkość powierzchni. Geometria narzędzia jest tak zaprojektowana, aby wióry były odpychane od krawędzi skrawającej. Narzędzia te nadają się do zastosowań, w których wykonywane jest frezowanie z dużymi posuwami, w tym: planowanie, rowkowanie, zagłębianie po kącie, interpolacja kołowa z zagłębianiem i obróbka po stałej osi Z.
Inne strategie frezowania materiałów ISO-S zależą od określonej operacji, materiał elementu obrabianego i dostępnej obrabiarki. W konwencjonalnym podejściu osiowa głębokość skrawania oraz promieniowa głębokość skrawania są równe i materiał jest skrawany ze średnimi prędkościami posuwu. Obróbka z dużą wydajnością wykonywana specjalnymi frezami, takimi jak frezy firmy Seco z serii HPM, realizowana jest z dużymi osiowymi głębokościami skrawania i promieniowymi głębokościami skrawania równymi pełnej średnicy frezu, dzięki czemu uzyskiwane są duże objętościowe wydajności skrawania. Inną alternatywą jest obróbka przy dużych prędkościach, podczas której frez pracuje przy dość niskich promieniowych głębokościach skrawania i dużych osiowych głębokościach skrawania. W tym rodzaju obróbki zwiększenie prędkości skrawania powoduje wzrost wydajności. Efektywne wdrożenie różnych strategii obróbki skrawaniem zależy od kombinacji czynników, w tym od możliwości wykorzystywanej obrabiarki oraz od systemu CNC obsługującego duże programy i pliki wymagane do wykonywania procesów obróbkowych.
Obróbka skrawaniem tytanu ma swój własny zestaw specjalnych wymagań technologicznych i narzędziowych. Zastosowanie umiarkowanych prędkości skrawania przyczynia się do zapobiegania wytwarzaniu nadmiernego ciepła, które może sprzyjać reakcjom chemicznym pomiędzy narzędziem a elementem obrabianym. Gdy tylko jest to możliwe, należy stosować chłodziwo. Ostre krawędzie skrawające zmniejszają siły skrawania poprzez ułatwienie ścinania wiórów i oddzielanie ich od elementu obrabianego. Mogą być tu także stosowane strategie wysokoprędkościowe.
Autor: Teun van Asten, specjalista ds. usług marketingowych w zakresie frezów węglikowych, Seco Tools
