Жаропрочные сплавы – металлические сплавы, отражающие их сложную легированную структуру, уже давно стали одним из основных конструкционных материалов. Они обладают чрезвычайно высокой прочностью при повышенных температурах, и поэтому их часто называют высокотемпературными жаропрочными сплавами (HTSA) или жаропрочными жаропрочными сплавами (HRSA). История жаропрочных сплавов началась с разработки газотурбинных двигателей, которые требовали надежных материалов для высоких диапазонов рабочих температур. В результате интенсивных исследований и прогресса в металлургии современные жаропрочные сплавы обеспечивают длительный срок службы при рабочих температурах более 1 000°C.
Понятно, что крупнейшими потребителями суперсплавов сегодня являются производители авиационных и судовых двигателей (рис. 1). Суперсплавы также очень распространены в медицинской промышленности, которая эффективно использует их для протезирования имплантатов в ортопедической хирургии. Кроме того, жаропрочные сплавы получили широкое распространение в энергетике и нефтегазовой промышленности в качестве важнейших материалов для основных деталей различных устройств.
Исключительная высокотемпературная прочность и коррозионная стойкость являются неоспоримыми преимуществами жаропрочных сплавов. Однако у медали есть две стороны. Жаропрочные сплавы не только имеют высокую цену, но и плохо поддаются обработке, что может создать проблемы для производства. Удельная сила резания, характеризующая стойкость материала к удалению стружки и определяющая механическую нагрузку на режущий инструмент, высока для жаропрочных сплавов. Хотя основная трудность заключается в нагреве, жаропрочные сплавы обладают плохой теплопроводностью. Элементарная и сыпучая стружка, которая обычно образуется при обработке жаропрочных сплавов, не обеспечивает достаточного отвода тепла из зоны резания. Тенденция к ужесточению работы усугубляет ситуацию.
(Рис. 1). Суперсплавы являются ключевыми материалами для турбореактивных и турбовинтовых двигателей современных самолетов. Блиск реактивного двигателя, обработанный с помощью систем захвата Iscar
Производитель имеет дело с различными заготовками из жаропрочных сплавов: литыми, коваными и спеченными. Методы изготовления заготовок также влияют на обрабатываемость. Например, абразивность кованых заготовок выше, чем литых, существенно ниже по сравнению со спеченными заготовками.
Следовательно, режущий инструмент находится под значительной тепловой и механической нагрузкой, что резко снижает срок службы инструмента. Поэтому при обработке жаропрочных сплавов скорость резания, напрямую связанная с выделением тепла при удалении стружки, значительно ниже по сравнению с другими распространенными конструкционными материалами, такими как сталь или чугун. Прямым результатом ограничения скорости резания является низкая производительность. Следовательно, преодоление трудностей обработки и повышение производительности являются основными задачами для производителя деталей из жаропрочных сплавов.
В соответствии со стандартом ISO 513, суперсплавы вместе с титановыми сплавами относятся к применению группы ISO S. В зависимости от преобладающего элемента, жаропрочные сплавы делятся на три типа: сплавы на основе железа (Fe), никеля (Ni) и кобальта (Co). Обрабатываемость снижается в указанном порядке; от сплавов на основе железа, которые можно сравнить с аустенитной нержавеющей сталью, до сплавов на основе кобальта, которые представляют собой самые труднообрабатываемые материалы в группе.
Повышение эффективности обработки жаропрочных сплавов стало предметом различных научных исследований и технологических усовершенствований. Их результатом стал значительный прогресс в производстве компонентов из жаропрочных сплавов. Производство эффективно освоило новые стратегии обработки и успешно внедрило инновационные методы подачи охлаждающей жидкости для резки, такие как охлаждение под высоким давлением (HPC), смазка с минимальным количеством (MQL) и даже криогенное охлаждение. Это вывело производительность обработки жаропрочных сплавов на новый уровень. Однако, как и в случае с титановыми сплавами, ключевым элементом для повышения производительности обработки жаропрочными сплавами является режущий инструмент, который непосредственно удаляет слои материала с заготовки, образующей стружку. Режущий инструмент характеризуется материалом инструмента и его геометрией, которая определяет успех или неудачу инструмента.
(Рис. 2): Обработка компонента имплантата коленного сустава бедренной кости с многомодульным концевым приводом и сменной конической бочкообразной головкой
Сегодня цементированные карбиды с покрытием являются наиболее распространенными материалами для режущего инструмента для обработки жаропрочных сплавов. Разработка марки карбида, в которой прочность и износостойкость будут взаимно дополняться, является сложным процессом, требующим соответствующей твердосплавной подложки, состава покрытия и метода нанесения покрытия. К удивлению тех, кто считает, что прорывные возможности в этом направлении практически исчерпаны, производители режущего инструмента продолжают создавать новые эффективные марки карбидов. Кроме того, при обработке жаропрочных сплавов уже активно используется керамика – еще один инструментальный материал, обеспечивающий существенно повышенную скорость резания.
Если инструментальные материалы связаны в основном с материаловедением и металлургией, то геометрия резания больше относится к области проектирования инструмента. Обеспечение высокопроизводительной геометрии требует глубоких инженерных знаний и технологических навыков. С одной стороны, для минимизации тепловыделения и упрочнения деталей необходим положительный угол наклона, достаточно большой угол зазора и острая режущая кромка. С другой стороны, такая форма ослабляет режущую кромку, которая должна выдерживать значительную механическую нагрузку.
Поэтому правильное спроектированное современное состояние становится решающим фактором успеха. Преимущество спеченных твердосплавных пластин состоит в том, что они позволяют создавать сложные формы для формирования стружки и разрушения стружки для граней режущих пластин. Сегодня компьютерное моделирование процессов стружкообразования и прессования с использованием методов конечных элементов обеспечивает эффективный инструмент для оптимизации форм, которые уже находятся на стадии проектирования. В цельных концевых фрезах конструкция с переменным шагом обеспечивает повышенную виброустойчивость. Режущие кромки этих концевых фрез изготавливаются путем шлифования, и для устранения отслаивания и дефектов кромок крайне важно строгое соблюдение требований технологического процесса.
(Рис. 3): Фрезы с индексируемыми круглыми пластинами из керамики обеспечивают значительно повышенную скорость резания для повышения производительности.
Производители режущего инструмента уделяют большое внимание совершенствованию ассортимента своей продукции, предназначенной для обработки жаропрочных сплавов. Новости Iscar могут быть отличными показательными примерами. Карбид марки IC806, который был представлен в течение последних нескольких лет для обработки торцевых канавок из жаропрочных сплавов и аустенитной нержавеющей стали, был успешно применен на линиях нарезания резьбы и глубокого сверления Iscar. Этот сорт имеет твердую субмикронную подложку и покрытие PVD TiAlN/AlTiN с последующей обработкой в соответствии с технологией Sumo Tec Iscar. IC806 обеспечивает заметную устойчивость к отслаиванию и сколам, а также обеспечивает надежные и воспроизводимые результаты.
При обработке жаропрочных сплавов твердосплавными концевыми фрезами и сменными головками марка IC902, сочетающая в себе сверхтонкозернистую основу и нанослойное покрытие PVD TiAlN, обеспечивает чрезвычайно высокую износостойкость и продлевает срок службы инструмента. Этот сорт продемонстрировал очень хорошие результаты в производстве устройств для замены коленных и тазобедренных суставов, изготовленных из труднообрабатываемых кобальт-хромовых сплавов (рис. 2).
Iscar значительно расширила ассортимент продуктов для применения в соответствии с ISO, изготовленных из различной режущей керамики, такой как нитрид кремния, СиАлОН и армированные вискерами марки. Недавно представленные керамические изделия пополнились как индексируемыми вставками, так и твердыми концевыми фрезами (рис. 3).
(Рис. 4): Недавно представленные Iscar чипбрейкеры M3M (слева) и F3M (справа) для токарных вставок, стандартизированных по стандарту ISO, разработанных специально для групп применения ISO S и ISO M
Новейшие конструкции режущей поверхности F3M и F3P для токарных пластин стандарта ISO предназначены специально для труднообрабатываемых аустенитных нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов (рис. 4). Их положительная геометрия угла наклона граблей снижает усилие резания и обеспечивает плавное режущее действие, в то время как набор дефлекторов на поверхности граблей улучшает контроль стружки.
В керамических двухсторонних вставках для токарных и фрезерных инструментов Iscar добавила новые варианты обработки со скошенными и комбинированными (со скошенными и закругленными) режущими кромками для сложных применений. Iscar обогатил ассортимент решений, предназначенных для охлаждения под высоким давлением, новыми сменными режущими корпусами и держателями инструментов. Например, термоусадочные патроны с многоугольными коническими хвостовиками, которые имеют каналы для струи охлаждающей жидкости вдоль центрального отверстия, были пополнены линейкой инструментов.
В заключение следует отметить, что необходимость повышения производительности при обработке HTSA является постоянной проблемой для производителей режущего инструмента, и в ближайшем будущем, вероятно, появятся новые эффективные разработки инструментов.
metalworkingnews.info
перевод Яндекс
