Съображения при механичната обработка на никелови сплави

• Никеловите сплави са известни с лесното си деформационно уякчаване, генерирането на високи температури при обработка и отделянето на лепкави стружки
  
  
• Изборът на материал на режещия инструмент трябва да е в съответствие с операцията по механична обработка, специфичната никелова сплав и металургичното й състояние
  
  
• Когато операцията позволява използването на инструменти с по-голям диаметър, добро решение за струговане и някои процеси на фрезоване и пробиване са твърдосплавните инструменти

Никеловите сплави набират популярност в редица индустрии, като авиокосмическия сектор, автомобилостроенето и енергетиката, заради уникалните им и ценени механични и химични характеристики. За съжаление, те се славят и с трудностите при механичната им обработка. Никеловите сплави са известни с лесното си деформационно уякчаване, генерирането на високи температури при обработка и отделянето на лепкави стружки. С предприемането на правилния подход обаче тези предизвикателства могат да бъдат преодолени.

Деформационно уякчаване

Избягването на деформационното уякчаване е от фундаментално значение за успешната механична обработка на никелови сплави. То се появява, когато металът пред режещия инструмент, особено такъв който реже лошо, се деформира пластично. Проникването в този уякчен слой е много трудно при последващи ходове на инструмента или други процеси.

Техниките за минимизиране на деформационното уякчаване включват използване на остри режещи ръбове, положителни ъгли между режещата повърхност и детайла (предни ъгли), достатъчни задни ъгли, избягване на прекъсвания на рязането и използване на машини и установки с достатъчна мощност и стабилност с оглед свеждане на вибрациите до минимум. Подаването и дълбочината на рязане трябва да бъдат зададени така, че рязането при последващите ходове да се осъществява под вече деформационно уякчения слой.

Вибрациите могат да бъдат минимизирани чрез използване на възможно най-големите инструменти и държачи и чрез ограничаване на дължината на подаване на инструмента от държача. Когато е възможно, следва да се определят изискванията за мощност, но е разпространена практика да се работи при само до 50% от капацитета на машината.

Ако при механична обработка на никелови сплави се стигне до извода, че “материалът не може да се реже”, проблемът обикновено може да се разреши чрез адресиране на един или повече от гореописаните фактори, отнасящи се до деформационното уякчаване.

Избор на режещи инструменти

Изборът на материал на режещия инструмент трябва да е в съответствие с операцията по механична обработка, специфичната никелова сплав и металургичното й състояние. Поради високата якост и деформационното уякчаване на никеловите сплави свредлата, метчиците, райберите и инструментите за прорязване на канали с малък диаметър или операциите, включващи прекъснати срезове, обикновено изискват избирането на бързорезни инструменти въз основа на якостта. Тези инструменти трябва да работят при доста ниски скорости, но често са единственият избор за инструменти с малък диаметър.

Когато операцията позволява използването на инструменти с по-голям диаметър, добро решение за струговане и някои процеси на фрезоване и пробиване са твърдосплавните инструменти. Изборът на клас твърда сплав с добра якост в комбинация с положителен преден ъгъл обикновено дава добри резултати при струговане, при условие, че мощността на машината и стабилността на установката са достатъчни.

Инструментите от бързорезна стомана като цяло трябва да бъдат първият избор за повечето фрезови операции заради тяхната устойчивост на шокови натоварвания, но в някои случаи е възможно да се използват и твърдосплавни инструменти. По-новите металокерамични материали определено имат своето място в струговането на по-трудните за обработка никелови сплави. Те се представят много добре и могат да предложат високи скорости на отнемане на метал, стига да се използват на много мощни и стабилни машини.

Специфичната никелова сплав и нейното металургично състояние също диктуват избора на инструменти, тъй като тези материали демонстрират широк диапазон по отношение на коравина, якост и абразивност. За по-меките никелови сплави се препоръчва да се използват твърдосплавни инструменти за операции по прекъсната груба обработка. При фрезоване на по-твърди сплави и за обща финишна обработка често най-добри резултати дават инструменти от бързорезна стомана с остър режещ ръб. Изключение е фактът, че металокерамични инструменти могат да осигурят много добри резултати при финишна стругова обработка, отново при условие, че машината е достатъчно мощна.

Смазочни и охлаждащи течности

Изборът на течност при рязане на никелови сплави зависи от това дали охлаждането или смазването е приоритет. Разтворими флуиди на водна основа се използват при стругови операции с високи скорости на отнемане на метал, при които разсейването на отделената топлина е от ключово значение. Тези течности се използват и при струговане с металокерамични инструменти, но трябва да се има предвид, че някои металокерамични материали не могат да издържат на шокови термични натоварвания, поради което те се използват без смазочно-охлаждащ флуид.

Маслата не се препоръчват за металокерамични инструменти, защото създават риск от възпламеняване. При нискоскоростно рязане с инструменти от бързорезна стомана се предпочитат сярно-хлорирани масла, чийто вискозитет е регулиран спрямо съответната операция. Обикновено високият вискозитет предоставя оптимален експлоатационен живот на инструмента, но флуидите с по-нисък вискозитет спомагат за стружкоотвеждането от малки дълбоки отвори.

Когато се използва масло, поради високите температури при рязане, може да се получи кафеникаво сярно оцветяване. То може лесно да се отстрани с различни почистващи разтвори на основата на натриев цианид или хром и сярна киселина. Оцветяването трябва да се премахне преди извършването на каквато и да е последваща термична обработка, включително заваряване, или преди детайлът да се използва във високотемпературни приложения, защото сярата може да доведе до междукристална корозия на металната повърхност.

Струговане, разстъргване и прорязване на канали

Никеловите сплави могат да бъдат струговани с повечето конвенционални материали за режещи инструменти, но операторът трябва да има предвид, че производителността и икономическите показатели на процеса ще зависят в голяма степен от оптимизирането на параметрите на машината, инструмента и операцията.

Поради ограничението за сравнително ниска скорост на рязане, инструментите от бързорезна стомана трябва да се използват само когато се изисква висока твърдост, какъвто е случаят при прекъснати срезове или когато се желае постигането на много фин повърхностен финиш.

Инструментите от бързорезна стомана могат да предоставят добра производителност, когато се използват за по-меки сплави, но употребата им е силно ограничена, когато се работи с никелови сплави в състояние на дисперсионно втвърдяване. Ползи от бързорезната стомана могат да се извлекат с положителни предни ъгли, позволяващи рязане и същевременно минимизиране на деформационното уякчаване. Ъглите между режещия инструмент и вече обработената повърхност трябва да бъдат достатъчно големи, за да се избегне триене и последващо деформационно уякчаване, но и не твърде големи, за да не се осигурява необходимата опора за инструмента. Премиум класовете бързорезна стомана, които предоставят оптимална комбинация от якост и устойчивост на износване и топлина, са рентабилно решение спрямо стойността на обработваните никелови сплави.

Твърдосплавните инструменти трябва да се имат предвид, когато става дума за обща механична обработка на сплави с по-висока якост. Ключът към успеха с тези инструменти е използването на мощна машина и стабилни установки, които минимизират вибрациите. Изборът на специфичен клас твърда сплав зависи от осигуряването на достатъчна якост на режещия ръб за всеки набор от условия на рязане. Премиум класовете с покритие и стружкочупачи по принцип са по-икономичното решение. Заради високата якост на никеловите сплави, трябва да се обърне особено внимание на факторите, оказващи влияние на якостта на ръба, хонинговането и радиуса на главата.

Всички металокерамични сплави имат приложение в механичната обработка на никелови сплави. Най-успешната им област на употреба е в струговането, защото техните експлоатационни параметри са най-добри при високи скорости на рязане в условия, в които високата твърдост и ударна якост не са толкова важни. Ограничената коравина на металокерамичните сплави изисква използването на много стабилни, прецизни и мощни металорежещи машини с минимален капацитет за вибрации при високи скорости.

Пробиване и фрезоване

За успешното пробиване на никелови сплави със спирални свредла е най-важно да се осигури положително рязане и да се сведе до минимум прекъсването на процеса, за да се избегне деформационно уякчаване. Задоволителни резултати могат да се постигнат с конвенционални бързорезни спирални свредла, а деформационното уякчаване може да се сведе до минимум при внимателно следене на факторите, влияещи на експлоатационните параметри на инструментите.

Отвори с големи диаметри могат да се пробият със свредла с вложки на стругове с ЦПУ и на обработващи центри с достатъчна стабилност и мощност. Осигуряването на стабилна установка и прецизно подравняване е от критично значение за крайните резултати.

Правилото, че оптимални резултати при фрезоване могат да бъдат постигнати чрез баланс между диаметъра на режещия инструмент, броя на зъбците, скоростта на рязане и пространството за стружкоотделяне важи с пълна сила за никеловите сплави. В допълнение, фактори като мощността на машината, състояние и установка, които влияят върху вибрациите, са изключително важни заради високата якост и склонността към деформационно уякчаване на тези материали.

Предпочита се еднопосочно фрезоване, защото режещият ръб навлиза в детайла под деформационно уякчения слой. Като цяло, инструментите трябва да са с положителни режещи ъгли, да се поддържат остри и да се избягват ниски подавания, за да се избегне формирането на деформационно уякчен слой.