Ефективно шлифоване на суперсплави

B производството на метални изделия за критични приложения в индустрията, като компоненти за атомни електроцентрали, машинни части, лопатки на турбини за реактивни двигатели и др., предназначени за експлоатация при работни температури над 1000 °C, се използват специални топло- и корозионно устойчиви сплави.

Традиционно тези материали, познати в практиката като суперсплави, са трудно обработваеми. Те се отличават с висока механична якост и устойчивост на бавна пластична деформация при високи работни температури, както и с изключително добра устойчивост на окисляване.

Суперсплавите обикновено са базирани на никел или кобалт като основен компонент, като понякога съдържат и сложна комбинация от други елементи. Сред най-използваните технологии в тази област са инконел (Inconel), хастелой (Hastelloy) и други патентовани продукти, разработени от различни производители на метали и метални сплави.

Топлоустойчиви суперсплави (HRSA)
С усъвършенстването на технологиите, процесите и машините за металообработка, както и на материалите за металорежещи инструменти, днес топлоустойчивите суперсплави (Heat resistant super alloys, HRSA) могат да бъдат обработвани ефективно и икономично.

Този тип материали са използвани главно в космическата техника, енергетиката и медицината, където специфичните експлоатационни условия налагат избора на HRSA суперсплав. За да бъде максимално ефективна една стратегия за обработка на такъв материал, е необходимо да бъдат взети предвид най-новите технологии при инструменталната екипировка и методите за обработване.

Тъй като за топлоустойчивите суперсплави е характерна висока якост при високи работни температури, при обработката им са налице големи натоварвания върху режещите инструменти и машините. Възможността тези технологични материали да се използват при температури, близки до точката на топене на основния им метал, ги прави високоефективни за различни приложения, но труднообработваеми.

Особености при обработката на HRSA сплави
За обработката на HRSA сплави е нужна приблизително два пъти повече сила от необходимата при нискосплавните стомани. Използва се специфична режеща сила от 4000 N/кв. м (за разлика от 2500 N/кв. м при конвенционалната стомана).

Макар тези сплави да са ковки, тяхната устойчивост на умора на материала, твърдостта и якостта им при високи температури ги превръщат в предизвикателство за металорежещите инструменти, чиито ръбове са подложени на висок механичен стрес, опън, деформация и нагряване при обработката им.

Високите сили на натиск и срязващите сили върху режещия ръб на инструмента му оказват влияние, докато е в най-уязвимото си състояние, тъй като температурата на стружкопотока достига нивата, при които материалът на режещия инструмент започва да губи твърдостта си.

Много топлоустойчиви суперсплави лесно се уякчават деформационно
което води до по-голямо дифузионно износване на инструмента и затруднява последващите обработващи операции. Скоростта на рязане – факторът, който до голяма степен определя количеството генерирана топлина при обработка, е необходимо да бъде ограничавана дори под нивата, необходими при конвенционалните сплави за изработка на метални изделия.

Планиране при шлифоването на топлоустойчиви суперсплави
Сред първите съображения, които трябва да бъдат взети предвид при планиране на обработката на суперсплави, е състоянието на обработвания материал. В зависимост от него са подходящи различни видове обработка – груба, полудовършителна или довършителна. Важно е да се знае, че както топлинната обработка, така и обработката в разтвор, а също и стареенето на материала, влияят на възможностите за обработка на изделието.

В допълнение, от съществено значение е различните обработващи операции да бъдат извършвани в правилните производствени етапи.
Дали материалът е отлят, кован или прътов валцован е друг фактор, които оказва влияние върху обработваемостта на топлоустойчивите суперсплави и техните приложения.

При планирането на шлифовъчни операции е добре внимателно да бъдат избрани металообработващите инструменти и методът на обработка.

Специфичните режещи сили при някои суперсплави могат да варират между 3500 N/кв. м в отгрято (обработено в разтвор) състояние до около 4150 N/кв. м при наличие на дисперсионно втвърдяване или увеличена твърдост на материала вследствие на стареене. Самата твърдост може да варира от 30 до 48 HRC.

Фактори, влияещи върху експлоатационния живот на металорежещите инструменти
Комбинацията от големи режещи сили и висока температура на ръбовете на режещия инструмент води до специфично износване на ръба, като отнемане на слоеве материал от върха на режещия инструмент, характерно например за керамичните инструменти.

Пластичната деформация на режещия ръб обикновено настъпва вследствие на комбинацията от висока температура, натиск и абразивно износване, предизвикано и от голямата твърдост на материала.

При обработката на суперсплави е препоръчително да се изработи стратегия за контрол на износването на обработващите инструменти, която включва избор на подходящи методи и материали за инструменти с подобрена надеждност и износоустойчивост.

Инструментите от циментиран карбид, особено тези с дребнозърнеста структура на материала, са подходящи и широко приложими в обработката на някои суперсплави, наред с инструментите от сиалон (SiAlON) и някои инструменти от подсилена керамика с нишкообразни кристали.

Изборът на абразивни инструменти е от съществена важност за оптимизация на експлоатационния им живот при груба и финишна обработка на суперсплави, включително при шлифоване. От значение са формата на инструмента, както и заходът на режещия ръб.

Трудни за шлифоване материали
Суперсплавите са сред труднообработваемите материали, които представляват предизвикателство при избора на решения за металообработка. Те спадат към трудните за шлифоване материали (difficult to grind, DTG) поради някои специфични характеристики като: ниска топлопроводимост и висока склонност към деформационно уякчаване.

Тези материали обикновено изискват извършването на шлифовъчни процеси и използването на високопроизводителни и износоустойчиви абразивни обработващи инструменти. С цел оптимизиране на съотношението “разходи-производителност”, решенията за шлифоване, използвани в производството на изделия от суперсплави, се оборудват с шлифовъчни колела от cBN с керамична свръзка, както и съответните периферни и помощни системи.

Конвенционалните шлифовъчни колела със зърнести добавки от SG гел (Seeded gel), често наричани в практиката “керамични”, са обещаваща алтернатива за ефективното шлифоване на DTG суперсплави.

Деформационно уякчаване на повърхността
е свързано с генерирането на голямо количество топлина по време на обработка. Суперсплавите традиционно са лоши проводници на топлина и акумулираните високи температури могат да повлияят процеса на шлифоване и дори да увредят или деформират обработваното изделие.

При съпоставка на обработваемостта чрез шлифоване на някои от широко използваните в практиката сплави (по отношение на скоростта на рязане, качеството на повърхностна обработка и живота на инструментите), въглеродната стомана 1212 се оказва 100% обработваема, неръждаемата стомана 440 – 45%, а Inconel 718 – само 19%.

Предимства на шлифоването на суперсплави
Макар грубото струговане и фрезоването на суперсплави да са сред областите в металообработката, в които постоянно се представят нови технологии с подобрена ефективност, шлифоването продължава да е най-предпочитаният метод за финишна обработка.

Макар да е считано за сравнително скъп, мръсен и бавен метод за обработване на суперсплави, шлифоването осигурява някои важни ползи. Сред тях е възможността шлифовъчните процеси да се адаптират максимално към изискването на приложението.

Вариациите в едрината на зърнестата структура на абразивните колела осигурява възможности за прецизен контрол на режещите сили и качеството на повърхностна обработка. Порьозността на абразивния инструмент също може да бъде манипулирана с цел осигуряване на оптимален поток охладителна течност в зоната на рязане и бързо стружкоотвеждане.

Диамантеното заточване на абразивните инструменти
позволява получаването на колела с изключително правилна форма, които са подходящи за изработката на изделия със сложни геометрии и максимални допуски от порядъка на 0,002 mm. Непрекъснатото заточване на колелото позволява добър контрол върху процеса на шлифоване, който не е възможен при използването на режещи инструменти, които се изтъпяват

Съвременните шлифовъчни машини разполагат с богата гама от технологии за повишаване на ефективността, включително системи за процесен мониторинг, за автоматично захващане на детайли и т. н. Темповете на отнемане на материал, постигани с модерните шлифовъчни техники, са сравнително високи, което осигурява по-икономичен и ефективен метод за обработка на суперсплави и производство на изделия в сравнение с електроерозийната обработка например.

За да се постигне оптимална ефективност, е препоръчително методите, технологиите и оборудването за шлифоване на суперсплави да бъдат избирани съгласно изискванията на конкретното производствено приложение. Изборът на подходящо решение се определя от различни фактори и променливи, свързани с шлифовъчните операции.

Ключови съображения при шлифоването на суперсплави
Разработен специално за шлифоването на суперсплави, процесът на непрекъснато заточване на абразивното колело го поддържа с правилна форма по време на цялата обработка, като в допълнение осигурява и оптимални темпове на отнемане на материал.

Сред факторите, които е препоръчително да бъдат взети предвид при планирането на решения за ефективно шлифоване на суперсплави, са размерът и възвръщаемостта на инвестицията, макар на практика те трудно да се изчисляват с точност. Важно е да се вземе решение дали е необходим комплексен 5-осен металообработващ център за планираните операции или конвенционална триосна обработваща машина би била достатъчна.

Изборът на най-новите технологии в областта трябва да бъде добре обоснован, като по-скоро е препоръчително най-ефективното, а не най-скъпото решение. Охлаждащата система, която е критична за ефективността на шлифоването, също представлява значителна инвестиция. Сред факторите, влияещи върху ефективността на приложението, е и наличното пространство в цеха.

Разработване на стратегия за ефективно шлифоване
Стратегическият подход към шлифоването на суперсплави може да включва lean производство или единичен поток на изделия, при който един обработван детайл се мести от машина на машина, както и автоматизирано производство на една установка, при който се извършва автоматично пребазиране и презатягане на обработващите инструменти.

Важно е още да се прецени каква обработваща конфигурация от инструменти да се изберат за производството на даден детайл, както и дали да се използва охлаждаща система на маслена или водна основа. Изборът на охлаждащ агент е свързан с неговата ефективност на охлаждане и стружкоотвеждане, с това колко се замърсява самият детайл и доколко обработката е пожаробезопасна.

Сред ключовите променливи при разработването на ефективна стратегия за шлифоване на суперсплави са още геометрията и материалът за изработка на изделието и абразивния инструмент, както и изискванията по отношение на допуските и качеството на финишната обработка.

Някои по-специфични изделия изискват специално внимание при обработката и затягането на инструментите, за да се избегне изкривяване. Най-комплексните приложения в този смисъл изискват специални и често скъпи технологии за захващане на детайлите и инструментите.

Комбиниране на технологии за шлифоване
Много производители на метални изделия, които използват труднообработваеми сплави в производството си, прибягват до комбинирано прилагане на основните методи и технологии за шлифоване, за да постигнат оптимална ефективност на металообработката.

Всеки шлифовъчен процес осигурява специфични предимства за дадени приложения, които го правят предпочитан избор. Комбинирането на няколко метода на практика увеличава и ползите от прилагането им. Трябва да бъдат взети предвид обаче всички възможни ефекти от съчетаването на технологии, за да бъдат избегнати потенциални негативи върху качеството или ефективността на обработка.

Съвременните високотехнологични комплексни обработващи центри разполагат с автоматизирани системи за смяна на инструментите, интегрирани заточващи системи и охлаждащи системи с цифрово управление и позициониране, които осигуряват оптимална ефективност на шлифоването на суперсплави.

В изработката на едно и също изделие могат да бъдат използвани различни абразивни инструменти и технологии на една и съща установка, за да се гарантира най-добро качество на финишната обработка и прецизна геометрия на детайла.

Многостранното шлифоване
е добър избор при обработката на изделия със сложни обемно-профилни повърхнини, които изискват прилагането на различни шлифовъчни техники и абразивни инструменти.

Многоосните (5-осни и повече) обработващи центри могат многократно и автоматизирано да обработват (захващат и разтоварват) детайли с едно затягане на обработващия инструмент.

Сред най-съвременните решения в областта на ефективното шлифоване на суперсплави са деветосните CNC обработващи центри с автоматизирано непрекъснато заточване на инструментите и комбинирано използване на керамични колела, колела от CBN с керамична свръзка и галванизирани CBN колела на една и съща установка.

Някои от технологиите, използвани за повишаване на ефективността при шлифоване са интегрираните палетизиращи системи, системите за автоматизирана смяна на инструмента, както и интелигентните охлаждащи CNC системи, които се адаптират към конкретното обработвано изделие.

Линейните моторни задвижвания са друга технология, все по-ефективно използвана в шлифовъчните операции при обработката на суперсплави. Те намаляват времето за обработка и осигуряват предимства, сходни с тези при високоскоростното фрезоване, където високите темпове на отнемане на материал трансферират и извеждат генерираната топлина от процеса заедно със стружкоотвеждането.