Svårbearbetade material definieras som material med betydligt lägre bearbetbarhet jämfört med de som generellt används. Dessa material kallas ofta "svårbearbetade", "tuffa" eller "besvärliga". Det är viktigt att notera att det inte bara är hårdheten som gör dessa material extra svåra att bearbeta. Flera andra faktorer bidrar också.
Alla branscher behöver hantera sådana material i någon utsträckning. Den största förbrukaren av dessa material är dock flygindustrin. Det är den bransch som använder mest svårbearbetade material av alla branscher – de används i turbinmotorer, landningsställ, skrov, vingar, roder och många andra delar. De material som används inom flygindustrin behöver ha hög hållfasthet i förhållande till sin vikt, vara robusta, ha hög utmattningshållfasthet samt vara motståndskraftiga mot korrosion och höga temperaturer. Dock är material med dessa egenskaper väldigt svåra att bearbeta, vilket förstås innebär stora utmaningar.
Här följer några exempel på sådana material:
- Höglegerat stål med hög hållfasthet,
- Titanlegeringar,
- Varmhållfasta material (superlegeringar),
- Kompositer.
Höghållfasta stålsorter används i komponenter som utsätts för extrem mekanisk belastning, t.ex. landningsställ. Dessutom är dessa stålsorter det material som i första hand används i olika fästelement.
Titanlegeringar, med sitt utmärkta förhållande mellan styrka och densitet, höga korrosionsbeständighet och krypmotstånd, har blivit det föredragna materialet för tillverkning av huvuddelarna i den kalla delen av jetmotorn. För att få ner vikten är dessa legeringar också ett lämpligt alternativ till stål och rostfritt stål.
Varmhållfasta material (superlegeringar) används vanligen till komponenterna i den heta delen av jetmotorn eftersom de bibehåller sin styrka även i miljöer med höga temperaturer.
Kompositmaterialen har en imponerande hållfasthet, vilket bidrar till att minska vikten på flygplanen och öppnar upp möjligheterna att konstruera dem med nya geometriska profiler med förbättrad aerodynamik. Inom militärflyget bidrar kompositer till att förbättra flygplanens stealth-egenskaper, dvs. de egenskaper hos ett flygplan som gör att fiendens sensorsystem får svårare att upptäcka det.
Bearbetningen av dessa material innebär dock många utmaningar, där de viktigaste är:
- Materialets höga hållfasthet: de höga skärkrafterna som krävs ökar den mekaniska belastningen på skärverktyget.
- Materialets låga värmeledningsförmåga (t.ex. vid bearbetning av titanlegeringar) gör det svårt att leda bort den intensiva värme som utvecklas vid bearbetningen. Detta innebär att verktyget utsätts för mycket hög termisk belastning vilket ökar risken för löseggsbildning på skäreggen.
- Materialet arbetshärdas (särskilt superlegeringar) - härdningen gör arbetsstyckets yta hårdare, vilket gör bearbetningen svår.
- Hög nötningsfaktor vid bearbetning av kompositer gör att verktygets aktiva område slits snabbare.
Men bearbetbarheten påverkas även av andra specifika egenskaper hos materialet. Till exempel bidrar titanlegeringarnas "fjädrande" egenskaper till försämrad noggrannhet och ytjämnhet då det lättare uppstår vibrationer i materialet. Kompositmaterialens inre struktur gör att materialet lätt delamineras under bearbetning.
Allt detta ökar slitaget på verktygen vilket förstås minskar deras livslängd. Trots alla dessa svårigheter ökar användningen av sådana svårbearbetade material inom flygindustrin. Nya legeringar med högre hållfasthet och värmebeständighet introduceras hela tiden och kompositmaterial och hybridstrukturmaterial (metallkomposit) används i allt fler tillämpningar. För att möta utmaningarna som dessa material medför introducerar bearbetningsindustrin nya metoder som utnyttjar den imponerande kapaciteten hos moderna CNC-maskiner och CAM-system. Den sista länken i hela bearbetningskedjan är dock skärverktyget. Det är ju skäret som kommer i direkt kontakt med materialet när det skalar av lager efter lager av det hårda materialet. För att övervinna svårigheterna måste man därför sänka bearbetningsdatan, vilket ger låg produktivitet och högre bearbetningskostnader. Det är därför inte svårt att förstå att varje litet steg framåt, även om det kan verka obetydligt, kan leda till betydande förbättringar vid bearbetningen av dessa tuffa material. Därför välkomnar verkstadsindustrin alla nya framsteg i utvecklingen av skärande verktyg med hoppet om att de kommer att innebära att situationen förändras radikalt.
Vilka är de viktigaste kraven på verktyg som utformats för att effektivt bearbeta de svåra materialen som används i flygplan? För att möjliggöra produktiv bearbetning måste de vara hårda, slitstarka och kunna erbjuda den noggrannhetsnivå som krävs samtidigt som det måste gå att förutsäga verktygens livslängd. Att uppfylla dessa fullständigt rimliga och begripliga krav kräver dock betydande insatser, eftersom även det minsta framsteg innebär stora utmaningar. Bakom varje nytt framsteg ligger ett betydande FoU-arbete och omfattande tester.
Fokus i verktygsutvecklingen ligger därför på följande områden:
1. Skärsorterna.
2. Verktygens konstruktion.
3. Verktygens digitala komponent.
När det gäller skärsorterna så ligger tyngdpunkten på att förbättra skärens egenskaper när det gäller hårdhet, slitstyrka och hållfasthet vid höga temperaturer. Dessa egenskaper uppnås genom att introducera nya beläggningar, särskilt sådana som är baserade på nanoteknik, och använda extra hårda material som exempelvis kubisk bornitrid (CBN) och keramer.
Beträffande verktygens konstruktion, så inriktar sig konstruktörerna på att optimera makro- och mikrogeometrier, t.ex. skäreggens form och eggpreparering, för att förbättra eggens skärförmåga. Datormodellering, i kombination med beräkningsdynamik och de imponerande fördelarna med additiv tillverkning (AM), innebär helt nya möjligheter att formge skär, spånkanaler och invändiga kylkanaler. Verktygets prestanda kan förbättras avsevärt tack vare bättre spånevakuering och kylvätsketillförsel. Ett annat viktigt område att förbättra är verktygets vibrationsmotstånd. Det sker genom avancerad skärgeometri, förbättrad styvhet i verktygets uppbyggnad och användning av vibrationsdämpande verktygshållare.
Verktygets digitala komponent omfattar den digitala tvillingen och olika mjukvaruprodukter som möjliggör virtuell montering, bearbetningssimulering, val av skärdata, uppskattning av verktygets livslängd och beräkning av bearbetningseffekt och skärkrafter. För att uppfylla kraven på smart tillverkning behöver ISCAR även säkerställa att den digitala komponenten är kompatibel med standarderna för datautbyte. Dessa trender syns tydligt i det nya produktsortimentet från ISCAR – en av de ledande verktygstillverkarna – som presenteras i dess senaste LOGIQUICK-kampanj.
Företaget introducerar två nya hårdmetallsorter med PVD-beläggning: IC1017, som togs fram av ISCAR för svarvning av Ni-baserad superlegeringar, respektive IC716, som är avsedd för högproduktiv vändskärsfräsning av titanlegeringar. Sortimentet av pinnfräsar i solid hårdmetall har utökats med produkter tillverkade av den bronsfärgade hårdmetallsorten IC608, som är förstahandsvalet för ISO S-applikationer (bearbetning av superlegeringar och titan). En annan hårdmetallsort, IC5600, har utvecklats av för fräsning av stål (ISO P-gruppen). Genom att på ett smart sätt kombinera submikronsubstrat, CVD-beläggning och efterbehandling har de kunnat förbättra fräsens motstånd mot abrasivt slitage och termisk belastning, så att skärhastigheterna kan ökas, särskilt vid bearbetning av höghållfast stål.
CERMILL, en ny familj vändskärspinnfräsar med enkelsidiga runda skär (bild 1), är intressant ur två synvinklar. För det första har familjen en genialt utformad mekanism för fastspänning av skär. Med denna mekanism går det att använda skär med fler tänder än vad som är möjligt med liknande, men traditionellt konstruerade, verktyg med samma diameter. Dessutom möjliggör denna mekanism enkel indexering och byte av skäret utan att pinnfräsen behöver tas bort från verktygshållaren. För det andra är skären tillverkade av keramiska sorter som är speciellt framtagna för bearbetning av värmebeständiga superlegeringar.
ISCAR har även utökat sitt sortiment av vibrationsdämpande produkter. De har en innovativ integrerad dämpningsmekanism med tung massa som stöttas upp av en gummifjäder innehållande olja för ökad dämpning. Svarvsortimentet innehåller nu vibrationsdämpande svarvbommar för bearbetningsdjup på 14 gånger skaftdiametern (bild 2). Dessutom har frässortimentet utökats med vibrationsdämpande skaft med MULTI-MASTER-koppling.
QUICK-X-FLUTE består av igelfräsar med förlängda spånkanaler som har utvecklats för att klara höga avverkningshastigheter (MRR) vid grovfräsning av utmanande material som superlegeringar och titan, austenitiskt och rostfritt duplexstål och stål. Dessa igelfräsar använder kostnadseffektiva, dubbelsidiga fyrkantsskär som ger 8 indexerbara skäreggar. En viktig detalj i fräsens konstruktion är den optimerade skärgeometrin (bild 3) som perfekt balanserar kravet på hög stabilitet med behovet av ett effektivt spånflöde vid bearbetning vid höga avverkningshastigheter (MRR). QUICK-X-FLUTE-fräsarna har utbytbara munstycken och kylmedelsutlopp, vilket säkerställer mycket exakt tillförsel av kylvätska direkt till skärzonen. Det ger förbättrad kylning och smörjning, vilket bidrar till optimal spånkontroll.
Effektiv kylvätsketillförsel har blivit en viktig faktor vid konstruktionen av moderna verktyg. ISCAR har därför utökat sin PICCO-serie av verktyg för miniatyrsvarvning med ett antal skär med invändiga kylkanaler (bild 4). För håltagning finns nya 3-skäriga borrar i solid hårdmetall för borrning av hål med plan botten. Dessa borrar har tre utlopp för kylvätska. När det gäller verktygshållare är de senaste tillskotten hållare med kylkanaler längs skaftet. I ISCARs klassiska sortiment med vändskärsfräsar, HELIMILL, har företagets utvecklingsingenjörer vid uppgraderingen av konstruktionen dessutom tagit hjälp av programvara för datoriserad flödesdynamik (CFD) för att kunna maximera flödeshastigheten med minimalt tryckfall.
ISCAR har också förbättrat NEOITA som är en del av bolagets digitala hjälpmedel. NEOITA är ett expertsystem som rekommenderar optimala verktygslösningar och prognostiserar verktygens livslängd för ett specifikt användningsområde. NEOITA har försetts med en del nya funktioner. En av dessa är den AI-drivna informationssökningen, som är särskilt utformad för att hämta detaljerade data om materialen i arbetsstyckena, till exempel information om deras metallurgiska sammansättning och vanliga användningsområden.
Vi kan alltså konstatera att det inte är någon enkel uppgift att förbättra prestandan vid bearbetning av svårbearbetade material till flygplan. Ett mycket komplext och utmanande konstruktionsarbete ligger bakom varje liten förbättring. Verktygstillverkarna satsar därför stora resurser på att ta fram mer avancerade och produktiva lösningar och den senaste tidens nyheter tyder på att utvecklingen av verktyg för svårbearbetade material sakta men säkert går framåt.
