Noi scule şi strategii pentru prelucrarea materialelor ISO S

Scule

de Seco Tools

Noi scule şi strategii pentru prelucrarea materialelor ISO S

Clasificarea ISO S a semifabricatelor include superaliaje rezistente la căldură (HRSA - heat resistant superalloys) şi aliaje ale titanului. Duritatea şi rezistenţa la rupere mare la temperaturi înalte permit utilizarea acestor materiale în industria aeronautică, producţia de energie electrică şi alte diferite aplicaţii. Datorită acestor caracteristici, se impune utilizarea unor procedee de prelucrare diferite de cele tradiţionale aplicate la prelucrarea oţelurilor şi fontelor.

Ca răspuns la această provocare, producătorii de scule aşchietoare au dezvoltat produse şi strategii de prelucrare care vizează prelucrabilitatea materialelor şi care asigură un proces de prelucrare sigur, fiabil şi relativ economic al semifabricatelor din grupa de materiale ISO S. Aceiaşi producători de scule încearcă să educe fabricanţii de piese şi subansambluri referitor la noile produse şi tehnologii de aşchiere şi să convingă operatorii să-şi reconsidere vechile tehnici de prelucrare, care, de cele mai multe ori, nu se pot aplica materialelor avansate ale zilelor noastre.

 Factorii de prelucrabilitate

Termenul de prelucrabilitate descrie reacţia semifabricatului la procesul de prelucrare. Prelucrabilitatea include patru factori de bază: forţele mecanice apărute în timpul prelucrării, formarea şi evacuarea aşchiilor, generarea şi transferul de căldură, precum şi uzura sculei. Efectele excesive ale unuia sau a mai multor factori din cei enumeraţi clasifică materialul ca fiind ,,greu de prelucrat”.

Factorii de prelucrabilitate afectează negativ durata de viaţă a sculei, fiabilitatea şi durata procesului de prelucrare, precum şi calitatea produsului final, atunci când HRSA şi aliajele de titan sunt prelucrate cu aceleaşi scule şi tehnologii folosite în ultimele decenii la prelucrarea oţelurilor şi fontelor. Doar în ultimii ani au fost dezvoltate scule ţinând cont de apariţia aliajelor de nichel şi titan. Prelucrarea acestor relativ noi materiale nu este realmente mult mai dificilă decât prelucrarea materialelor tradiţionale. Este doar diferită.

De exemplu, metoda uzuală de prelucrare a unui material ,,dificil” este de a folosi, pentru început, parametri de aşchiere mai puţin agresivi – reducerea vitezei de avans, a adâncimii şi a vitezei de aşchiere. Cu toate acestea, cu noile scule concepute pentru prelucrarea cu performanţă mare, regula de bază este mărirea adâncimii de aşchiere şi a vitezei de avans.

Sculele special concepute pentru a face faţă condiţiilor agresive prezintă o granulaţie fină a carburii de wolfram din compoziţie, fapt ce conduce la o rezistenţă mare a muchiei de aşchiere la temperaturi înalte şi la scăderea riscului de apariţie a aderenţelor, precum şi la o rezistenţă mare la formarea ciupiturilor cauzate de materialele cu autocălire. Sculele din ceramică şi din PCBN au fost, de asemenea, create pentru degroşarea şi finisarea semifabricatelor din această grupă de materiale.

Referitor la factorii de prelucrabilitate, HRSA prezintă caracteristici mecanice şi forţe de aşchiere nu foarte diferite faţă de fonta albă sau oţelul aliat. Există, totuşi, o diferenţă majoră atunci când vorbim despre generarea şi disiparea de căldură în timpul prelucrării. Căldura se generează atunci când scula de aşchiere deformează materialul semifabricatului, iar aşchiile formate în timpul procesului de aşchiere pot prelua şi disipa căldura.

Din păcate, aşchiile fragmentate produse de acest tip de materiale nu reuşesc să ducă această sarcină la bun sfârşit. Complementar, materialele rezistente la căldură nu sunt bune conducătoare de căldură.Temperatura în zona de aşchiere poate fi de 1100˚ - 1300˚C şi, dacă ea nu poate fi disipată, se acumulează în scula de aşchiere şi în semifabricat. Acest lucru duce la reducerea duratei de viaţă a sculei, la deformarea semifabricatului şi chiar la schimbări ale caracteristicilor metalurgice.

Pentru a ajuta la rezolvarea acestei probleme este necesară schimbarea percepţiei asupra muchiei de aşchiere. Sculele cu muchia de aşchiere ascuţită sunt considerate, în general, slabe, dar una dintre metodele eficiente pentru controlul acumulării căldurii în sculă este utilizarea muchiilor de aşchiere foarte ascuţite, care aşchiază materialul cu o deformare minimă a acestuia, generând, astfel, mai puţină căldură. Aplicarea acestei strategii necesită scule cu o duritate mare a muchiei de aşchiere, combinate cu maşini-unelte stabile din punct de vedere dinamic, cu suficientă putere.

Tendinţa de autocălire şi de călire prin precipitare complică şi mai mult prelucrarea matrialelor HRSA. La autocălire, materialul din zona de aşchiere devine mai dur sub acţiunea tensiunilor şi a temperaturilor înalte care apar în procesul de aşchiere. Aliajele pe bază de titan şi cele pe bază de nichel au o tendinţă mai mare de autocălire decât oţelul. La călirea prin precipitare apar puncte dure în interiorul materialului, datorită activării, la temperatură ridicată, a unor elemente de aliere, care, altfel, la temperatură normală, sunt inactive. Datorită acestor tendinţe, structura semifabricatului se schimbă semnificativ după prima trecere a sculei aşchietoare, cea de a doua trecere urmând să se facă într-un material mult mai dur. Una dintre soluţii este reducerea numărului de treceri. În loc să se îndepărteze un adaos de 10 mm de material prin două treceri de câte 5 mm, este mai bine să se execute o singură trecere de 10 mm. În majoritatea situaţiilor, prelucrarea într-o singură trecere nu este posibilă, dar este un obiectiv teoretic.

Această strategie necesită şi regândirea proceselor de finisare, unde, tradiţional, se utilizează adâncimi de aşchiere şi viteze de avans mici. Aici operatorul ar trebui să urmărească posibilitatea măririi acestor parametri cât mai mult posibil. Procedând astfel, poate prelungi durata de viaţă a sculei şi poate obţine o finisare mai bună a suprafeţei.

O adâncime de aşchiere mai mare la trecerea de finisare poziţionează partea ascuţită a muchiei de aşchiere sub suprafaţa călită a semifabricatului. Dar, totodată, o adâncime de aşchiere prea mare poate genera vibraţii cu efecte negative asupra finisării suprafeţei. Cheia este găsirea unui echilibru între agresivitatea prelucrării şi precauţie.

Fiabilitate şi economie

Cu sculele şi strategiile actuale, concepute special pentru aliajele pe bază de titan şi pe bază de nichel, prelucrarea semifabricatelor se poate executa fără probleme tehnologice majore. Provocarea majoră nu este simpla prelucrare a semifabricatului, ci prelucrarea lui corectă în timpul stabilit şi cu un cost impus. Obiectivul este îmbunătăţirea fiabilităţii procesului şi eficientizarea producţiei.

Având în vedere preţul mare al semifabricatelor şi al componentelor executate din aceste aliaje, procesul de prelucrare trebuie să aibă fiabilitate maximă. Producătorii de piese şi subansambluri nu îşi pot permite să producă rebuturi doar pentru a  căuta un proces de prelucrare fiabil. Utilizând sculele potrivite şi parametrii de aşchiere optimi se pot obţine rezultate foarte bune, cu un efort minim.

Referitor la parametrii de aşchiere, mărirea adâncimii de aşchiere şi a vitezei de avans contribuie la creşterea productivităţii. Viteza mare de aşchiere poate reduce timpul de execuţie a pieselor, dar nu se recomandă utilizarea ei. Vitezele utilizate în prezent pentru prelucrarea aliajelor de titan şi a celor de nichel sunt mult mai mici decât cele utilizate la prelucrarea oţelurilor. Cercetările curente sunt concentrate pe dezvoltarea unor scule de aşchiere, care să permită utilizarea unor viteze mari de aşchiere, cu menţinerea unei durate de viaţă rezonabilă.

Pe lângă caracteristicile sculelor aşchietoare, şi alte componente ale procesului de prelucrare, cum ar fi sistemele de aplicare a lichidului de răcire sub presiune (HPDC - high pressure direct coolant), pot ajuta la mărirea productivităţii. Dacă, uzual, pentru aşchierea unui material ISO S se utilizează o viteză de 50 m/min., HPDC poate permite creşterea vitezei de aşchiere până la 200 m/min, mărind productivitatea de patru ori.

Durata de viaţă a sculei este un alt element al productivităţii, care este văzut din altă perspectivă la prelucrarea HRSA. Tradiţional, durata de viaţă se calculează în minute de lucru per muchie de aşchiere până când scula trebuie înlocuită/indexată.

Dacă, de exemplu, fabricarea unei componente durează 2 ore, iar scula trebuie schimbată la fiecare 20 minute, atunci trebuie utilizate 6 scule pentru a termina prelucrarea componentei respective. Pornind de la aceste date, obiectivul poate fi reducerea costului sculei şi mărirea duratei de viaţă la 30 minute.

Totuşi, preţul sculei reprezintă o foarte mică parte din valoarea totală a produsului finit atunci când se fabrică piese din HRSA sau din aliaje de titan. Un parametru mai relevant este utilizarea sculei, mai exact coeficientul de utilizare a acesteia. La compararea a două scule, una dintre ele poate avea durata de viaţă de 10 minute, timp în care se produce o piesă finită, costul sculei fiind o sculă per piesă. Altă sculă, utilizată într-un mod diferit, poate avea durata de viaţă de 5 minute, timp în care se produc două piese. Chiar dacă durata de viaţă este redusă la jumătate, numărul de piese executate este dublu. Obiectivul este producerea unui număr maxim de piese finite corecte, în cel mai scurt timp, la un preţ acceptabil. Dacă se ia în considerare preţul foarte mare al pieselor executate din HRSA, durata de utilizare a sculei este un coeficient mai bun pentru evaluarea productivităţii reale.

 

Dezvoltarea continuă a sculelor

Oţelul inoxidabil, brevetat sub o multitudine de variante, acum mai bine de 100 ani, a fost primul pas spre materialele moderne HRSA. În primele aliaje de oţel inoxidabil, cromul a fost adăugat oţelului pentru a-i conferi o rezistenţă foarte mare la oxidare şi coroziune – oţelurile aliate inoxidabile de bază au un conţinut minim de crom de 10,5% din greutate. Ulterior, a fost adăugat nichel pentru a mări duritatea şi rezilienţa oţelului inoxidabil. Cantitatea de nichel adăugată a crescut gradat în funcţie de condiţiile de lucru din ce în ce mai grele la care era supus materialul, ajungând ca nichelul să devină principalul element de aliere al oţelului inoxidabil.

Cel mai familiar oţel inoxidabil HRSA de astăzi Alloy 718 – cunoscut sub denumirea comercială de Inconel 718 – are un conţinut de nichel de 50-55%, crom 17-21% şi alte elemente de aliere 10%, restul de până la 100% fiind fier. Materialele HRSA moderne sunt fiabile, au o duritate foarte mare, precum şi o rezistenţă mare la căldură şi coroziune.

Atunci când se confruntă cu materiale noi, producătorii de piese şi subansambluri încearcă, în prima fază, să aplice procedeele de prelucrare tradiţionale. Cu toate acestea, productivitatea maximă poate fi atinsă doar prin utilizarea sculelor şi tehnicilor de prelucrare special concepute pentru materiale şi operaţiuni specifice.

De exemplu, la mijlocul anilor ’80, Seco a înfiinţat un grup de oameni de ştiinţă şi ingineri, denumit Alpha Group, care să descopere noi modalităţi de prelucrare mai productivă a oţelului inoxidabil. Acest grup a colaborat cu câţiva producători de oţel inoxidabil pentru a dezvolta noi clase de carburi şi geometrii, precum şi metode specifice de aşchiere pentru oţel inoxidabil. În anii ’90, în acest program de cercetare au fost incluse şi noile materiale HRSA.

Pe lângă clasele de carburi, acoperiri şi geometrii, au fost dezvoltate scule speciale pentru optimizarea productivităţii prelucrării materialelor HRSA, în segmente specifice ale prelucrării metalelor prin aşchiere. De exemplu, clasa de ceramică sialon CS100, concepută pentru degroşare, este inertă chimic, dură şi cu rezistenţă mare la abraziune, fapt care îi permite o durată de viaţă lungă şi previzibilă. Parametrii standard pentru strunjirea de degroşare includ viteze de aşchiere de la 150 m/min la 305 m/min, viteze de avans de la 0,2 la 0,4 mm/rot şi adâncimi de aşchiere de la 0,5 la 3,75 mm.

Clasa CS100 este complementară clasei Secomax CBN170, o clasă de PCBN rezilientă şi rezistentă la uzură, concepută pentru strunjirea continuă de finisare a superaliajelor pe bază de nichel. Calitatea CBN170 conţine un liant ceramic tip whisker, care asigură o durată de viaţă lungă, reducând, astfel, numărul de opriri ale maşinii pentru schimbarea sculei. Este concepută special pentru a îndeplini cerinţele de finisare, toleranţă şi lungime de aşchiere cerute de operaţiile de finisare a superaliajelor de nichel. Sculele CBN170 sunt concepute să lucreze în operaţii de strunjire continuă, în prezenţa lichidului de răcire, cu adâncimi de aşchiere de până la 0,5 mm şi viteze de aşchiere de la 300 m/min la 400 m/min. Conţinutul de CBN este de 65% din volum, cu o mărime a grăunţilor de 2 µm. Plăcuţele amovibile sunt disponibile cu un şanfren al muchiei de aşchiere de 25 µm.

Un alt concept, care duce la mărirea duratei de viaţă a sculei şi a productivităţii la prelucrarea materialelor HRSA, este sistemul Seco de direcţionare a lichidului de răcire de înaltă presiune (HPDC), care trimite lichidul de răcire foarte aproape de muchia de aşchiere. Jetul dirijat de lichid ridică aşchia de pe faţa de degajare a plăcuţei, îmbunătăţind controlul aşchiilor şi mărind durata de viaţă a sculei, sculele prevăzute cu acest sistem putând fi utilizate în aplicaţii cu parametri de aşchiere mult mai agresivi. În unele cazuri, răcirea rapidă face aşchia foarte fragilă, ducând la fragmentarea mai uşoară a acesteia.

Concluzii

Factorul cheie pentru maximizarea beneficiilor oferite de noile tehnologii dezvoltate pentru aşchierea metalelor este identificarea metodelor care trebuie aplicate în operaţii particularizate. Aşa cum progresul în dezvoltarea de noi materiale HRSA de înaltă performanţă continuă, producătorii de scule vor contiuna să dezvolte noi metode de creştere a productivităţii prelucrării noilor aliaje. Fabricanţii de piese şi de subansambluri vor beneficia de noile descoperiri în materie de scule şi tehnologii de prelucrare, precum şi de experienţa producătorilor de scule în domeniu.


Ion Țâmpu este Technical Representative Seco Tools România



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord