Предизвикателства при обработката на суперсплави

• Суперсплавите се характеризират с високи експлоатационни параметри – изключителна якост, температурна и корозионна устойчивост
  
  
• Заради техните уникални свойства обаче механичната им обработка може да се окаже нелесна задача
  
  
• Тъй като топлината е основен фактор при механичната обработка на суперсплави, охлаждането също придобива особено голяма значимост за процеса

Суперсплавите са група материали, характеризиращи се с високи експлоатационни параметри – изключителна якост, температурна и корозионна устойчивост. Историята им започва с разработването на газотурбинни двигатели, които изискват използването на надеждни материали за високотемпературни приложения. В резултат на интензивна научноизследователска дейност и напредък в областта на металургията съвременните суперсплави предлагат дълъг сервизен живот при експлоатация при работни температури над 1000°C.

Тези уникални качества им придават ключова значимост за широк диапазон от индустрии. Разбираемо, най-големите потребители на суперсплави днес са производителите на двигатели за авиационния и морския сектор. Употребата им е много разпространена и в медицинския сектор, където се използват за протезни импланти в ортопедичната хирургия. В допълнение, суперсплавите са широко разпространени и в областта на производството на енергия, нефтената и газовата индустрия. Отново заради уникалните свойства на суперсплавите обаче механичната им обработка може да се окаже нелесна задача. За щастие, има начини и средства за преодоляване на предизвикателствата.

Съгласно стандарт ISO 513 суперсплавите, заедно с титановите сплави, попадат в група на приложение ISO S. В зависимост от преобладаващия елемент суперсплавите се разделят на три вида – базирани на желязо, никел и кобалт. Механичната обработваемост спада в посочения ред – от базираните на желязо сплави, които могат да бъдат сравнени с аустенитна неръждаема стомана, до базираните на кобалт сплави, които са най-трудните за рязане материали в групата.

Един успешен подход към рязането на суперсплави започва с доброто разбиране на това как процесът ще се различава от механичната обработка на конвенционални материали. Според специалистите, ако при обработката на стомана и чугун се гледа колко детайла могат да се обработят с един режещ ръб, то при суперсплавите съображението е с колко време за рязане се разполага или с колко режещи вложки ще може да бъде финализиран срезът.

Една от причините за това е, че в резултат на високата термична устойчивост на суперсплавите, при механичната им обработка се отделя повече топлина, която оказва влияние върху инструмента. Затова е съществено важно да се използват вложки, изработени от материал, който се справя по-добре с допълнителни количества топлина.

В допълнение към инструменти, които да издържат възможно най-дълго, операторите, обработващи суперсплави, търсят последователност и повторяемост по отношение на експлоатационния живот на инструмента. Това им позволява в случай на необходимост от смяна на инструмента по средата на процеса – а това е често срещано при суперсплавите, да са наясно точно в кой момент ще е нужна смяната.

Някои производители прилагат методи за изпитване и разработка, които позволяват на клиентите им с точност да прогнозират колко дълго ще издържи една вложка при рязането на определена суперсплав. Освен че подобрява последователността на рязане, правилната геометрия или стружкочупач може да удължи живота на инструмента. Ако стружката се удря или трие в режещия ръб, може да се стигне до по-бързо счупване на вложката. Така че, ако стружката може да бъде отведена от режещия ръб с помощта на подходяща стружкочупеща геометрия за конкретното приложение, то това ще удължи живота на режещия инструмент. Водещите производители предлагат на пазара инструменти със стружкочупещи геометрии, предназначени за груба, междинна и финишна механична обработка на суперсплави.

Съображения за машината

При рязането на суперсплави е нужно да се гарантира, че освен вложките, със задачата ще се справят и машините. Макар да не е добра практика да се постави детайл в една металорежеща машина, който е по-голям, отколкото е капацитетът на машината, това все пак е допустимо, ако детайлът е изработен от стомана, алуминий или месинг. При суперсплавите това е невъзможно, като дори е по-добре машината да е по-мощна от необходимото. Производителите на металорежещи машини предлагат онлайн калкулатори, които дават възможност на потребителите да определят изискваните за техните приложения мощност и въртящ момент. Експертите подчертават, че машините с по-висока мощност и въртящ момент обикновено са и по-стабилни, което също е важен фактор при механичната обработка на суперсплави.

В случая на Инконел 718, сплав, предлагаща термична устойчивост, която я прави подходяща за приложения в авиокосмическия сектор, материалът трябва да се обработва бавно с твърдосплавни инструменти. Ако механичната обработка се извършва с по-висока скорост, то инструментът ще бъде унищожен много бързо.

Охлаждане при рязане

Тъй като топлината е основен фактор при механичната обработка на суперсплави, охлаждането също придобива особено голяма значимост за процеса. В такива ситуации експертите казват, че колкото повече е охлаждащата течност, толкова по-добре. Препоръчва се при механична обработка на суперсплави към режещия ръб да се прилага охлаждаща течност под високо налягане или с отмиване на стружките, за да се редуцира топлината и да се удължи животът на инструмента.

Макар съображенията по отношение на топлината да забавят механичната обработка на Инконел, скоростите могат да бъдат увеличени значително, ако се използва охлаждаща течност под налягане. На пазара се предлагат инструменти, които са предназначени не само да доставят охлаждаща течност под високо налягане, но и такава, насочена към критични зони на инструмента и режещите ръбове. Освен че охлажда режещите ръбове, течността отмива и потенциално проблемните стружки.

Непрекъснато се появяват иновативни техники, насочени към подобряване на ефективността на механична обработка на суперсплави. Една такава техника е криогенната обработка, която включва охлаждане на детайла с помощта на течен азот. Този метод значително редуцира силите на рязане, износването на инструмента и топлинната деформация, водейки до получаването на подобрен повърхностен финиш и до удължаването на експлоатационния живот на инструмента.

Съображения за инструментите

Днес най-често използваните материали за режещи инструменти за механична обработка на суперсплави са металокерамичните твърди сплави с покритие. Разработването на клас твърди сплави, при които якостта и износоустойчивостта да се допълват взаимно, е нелек процес, изискващ подходящ твърдосплавен субстрат, подходящ състав на покритието и подходящ метод за нанасяне на покритието. За удивление на тези, които вярват, че възможностите за пробив в това направление са почти изчерпани, производителите на режещи инструменти продължават да създават нови ефективни класове твърди сплави. В допълнение, при механичната обработка на суперсплави активно се използва и керамика – друг материал, даващ възможност за съществено повишаване на скоростта на рязане.

Ако материалите за инструментите са свързани предимно с материалознанието и металургията, то режещата геометрия е повече в областта на проектиране на инструментите. Осигуряването на ефективна геометрия изисква дълбоки инженерни познания и технологични умения. От една страна, за да се сведат до минимум генерирането на топлина и деформационното уякчаване, са необходими положителен преден ъгъл, достатъчно голям заден ъгъл и остър режещ ръб. От друга страна, такава форма отслабва режещия ръб, който би трябвало да издържа на значителни механични натоварвания. Поради тази причина правилно проектираният режещ ръб се превръща в критично важен фактор за постигането на успех.

Синтерованите твърдосплавни вложки имат предимството да позволяват сложно стружкообразуване и комплексни стружкочупещи форми за предните лицеви повърхнини на вложката. Днес, компютърното моделиране на процесите на стружкообразуване чрез метод на крайните елементи предоставя ефективен инструмент за оптимизиране на формите, които вече са във фазата на проектиране.

При монолитните челни фрези дизайнът с променлив наклон води до подобрена устойчивост на вибрации. Тези челни фрези се произвеждат чрез шлифовъчни операции и за да се елиминират отслояването и дефектите по ръба, е изключително важно строго да се спазват изискванията на технологичния процес.

Керамичните инструменти позволяват рязането на Инконел 718 с 5 – 6 пъти по-висока скорост, отколкото с твърдосплавните им аналози. Според експертите, грубата обработка на детайл от Инконел с твърдосплавен инструмент може да отнеме часове в зависимост от прилаганата стратегия, докато грубата обработка с керамичен инструмент може да се извърши в рамките на минути.

Керамичните материали обикновено са много твърди и предлагат добра износоустойчивост в сравнение с твърдите сплави. А отличната температурна устойчивост е факторът, който позволява механичната обработка с керамични инструменти да се реализира с изключително високи скорости.

За керамичните инструменти са необходими машини с шпиндели с капацитет до 30 000 об/мин в някои случаи. Те също изискват изключително стабилна установка, повече, отколкото при твърдосплавните инструменти, включително висококачествен стабилен държач. Стабилността е толкова важна, защото вибрациите могат да унищожат изработените от керамика вложки, които са много крехки. Затова, в допълнение към използването на стабилен държач, операторите трябва да са сигурни, че детайлът е закрепен сигурно, особено когато става въпрос за груба обработка.