Obrada egzotičnih metala

Što su egzotični materijali, zašto su tako rijetki i kako se obrađuju? Da bismo razumjeli ovu temu, krenimo s onim što ih određuje.

Uobičajeni inženjerski materijali su legure na bazi željeza poput čelika, nehrđajućeg čelika i lijevanog željeza. Druga skupina redovito korištenih materijala uključuje legure na bazi obojenih metala, poput aluminijskih legura, mjedi i bronce.

Osim toga, postoje egzotične vrste materijala koje su razvijene s ciljem da odgovore na specifične zahtjeve. Ovi egzotični materijali imaju i specifičnu primjenu; rijetki su i ne koriste se često, a uglavnom su skuplji za obradu.

Strogo dogovorena definicija egzotičnog materijala ne postoji. Mnogi ih stručnjaci nazivaju metalima poput berilija, cirkonija itd. te njihovih legura, keramika, kompozita i superlegura. Kad se razmatra uporaba strukturnih materijala, prvo treba razlikovati superlegure i kompozite. Metaloprerađivačka industrija uglavnom se bavi tim vrstama materijala iz nekoliko razloga, od kojih je jedan problematičnost obrade egzotičnih materijala.

Superlegure, ili preciznije, toplinski postojane superlegure (eng.HTSA), namijenjene su radu pod velikim mehaničkim opterećenjem u kombinaciji s visokim temperaturama. Uglavnom se koriste u plinskim turbinama te u raznim ventilima i petrokemijskoj opremi. “Egzotičnost” superlegura je njihov metalurški sastav, koji pruža visoku otpornost na puzanje kako bi zadržao čvrstoću na visokim temperaturama. Prema glavnoj komponenti, toplinski postojane superlegure se mogu podijeliti u tri skupine: superlegure na osnovi nikla (Ni), kobalta (Co) i željeza (Fe). Kemija superlegura, posebno u slučaju toplinski postojane superlegure na bazi Ni i Co, rezultira slabom obradivošću.

Obrada egzotičnih metala
Izvor: Iscar

Kompoziti su višekomponentni materijali. U usporedbi s tradicionalnim inženjerskim materijalom, poput čelika ili aluminija, izrađeni dijelovi od kompozita bliži su konačnom proizvodu i ne zahtijevaju značajno dodatno uklanjanje materijala. Ipak, komponente kompozita imaju različita svojstva i kada se kombiniraju, proizvode heterogenu strukturu koja obradu čini problematičnom. Postupak obrade odvajanjem čestica kompozitnih materijal razlikuje se od obrade metala i često izgleda više poput drobljenja nego rezanja. Visoka abrazivnost kompozitnih materijala može dovesti do intenzivnog otupljivanja alata i različitih problema u radu, kao što su pogoršanje točnosti ili neispravljive greške obrade.

Metaloprerađivačka industrija postigla je značajan napredak u obradi egzotičnih materijala. Napredni alati za obradu i učinkovite strategije obrade već su podigli obrade na potpuno novu razinu. Impresivan skok naprijed postigao se u 3D printu, koji može značajno smanjiti broj strojnih operacija i izgleda vrlo obećavajuće. Međutim, kod obrade odvajanjem čestica postoji “iznimka”, koja još uvijek ograničava u potpunosti iskorištavanje mogućnosti alatnih strojeva. Ova “iznimka” je rezni alat. Unatoč izrazitom napretku, rezni alati i dalje predstavljaju usko grlo učinkovitosti obrade. Stoga su planovi za produktivnu obradu egzotičnih materijala uvelike povezani s reznim alatom.

Proizvođači reznih alata nastavljaju s naporima u pronalaženju produktivnih i pouzdanih rješenja za obradu egzotičnih materijala. Ponekad se može činiti da tradicionalnih izvora za veliki napredak gotovo da i nema i da je veliki korak naprijed povezan samo sa stvarnom inovacijom i novim proizvodom. Bez obzira na to, proizvođači reznih alata i dalje uspijevaju pružiti zanimljive proizvode koji kombiniraju dostupna sredstva i resurse s novim idejama. Nedavna ISCAR-a nova razvojna rješenja, koja su predstavljena tijekom posljednjih godina, dobar su primjer takvih proizvoda i pokušaja ISCAR-a da riješi postojeće usko grlo i pronađe nove načine za napredak.

Egzotična rješenja za egzotične materijale: tehnička keramika

Tvrdi metal je i dalje glavni rezni materijal za obradu odvajanjem čestica. Uvođenjem tvrdometalnih alata revolucionirala se metaloprerađivačka industrija osiguravajući značajan rast produktivnosti zahvaljujući naglom povećanju brzina rezanja. Međutim, unatoč tome, i danas su brzine rezanja za toplinski postojane superlegure na osnovi Ni i Co niske: obično u rasponu od 25-50 m / min. 

Obrada egzotičnih metala
Izvor: Iscar

Kako proširiti granice brzine rezanja?

Egzotični keramički materijali već su se pojavili kao materijali pogodni za obradu odvajanjem čestica. Korištenjem egzotičnih keramičkih materijala osigurava se potpuno drugačija razina brzina rezanja. Primjerice, obrada superlegura s keramičkim alatima, omogućuje bez problema brzine rezanja od 1000 m/min. Stoga su keramički alati sve češći u obradi toplinski postojanih superlegura.

Nedavno je ISCAR razvio seriju čeonih glodala koja nose izmjenjive dvostrane pločice izrađene od keramike. Glodala su namijenjena uglavnom za grubu i polu-završnu obradu ravnih površina i reljefnih 3D površina s izuzetno velikim brzinama rezanja. Ekonomična dvostrana konstrukcija pločica omogućuje visoku iskoristivost keramike. Pločice su izrađene od nekoliko vrsta keramike kao što su “crna” keramika, ojačana keramika (tzv.Whisker) i SiAlON (vrsta keramike na bazi silicij-nitrida). Primjena novih glodala usmjerena je na maksimalno povećanje učinka odvojenog metala i dramatično smanjenje ciklusa obrade.

Još jedan primjer uspješne upotrebe rezne keramike je jedan od najnovijih ISCAR-ovih proizvoda: serija vretenastih glodala od punog SiAlON-a. Glodala su konstruirana posebno za produktivnu grubu obradu superlegura na bazi Ni, kao što su česte razne vrste Inconela, Incoloy, Haynes i drugih materijala posebno u zrakoplovnoj industriji. U usporedbi s tipičnim vretenastim glodalima od punog tvrdog metala, SiAlON glodala omogućuju povećanje brzine rezanja i do 50 puta!

Treba napomenuti da se keramički alati ponašaju drugačije od tvrdometalnih alata. Općenito, kraj životnog vijeka alata određuje se prihvatljivom razinom kvalitete obrađene površine ili nastalim neravninama, a ne veličinom trošenja alata.