Що таке екзотичні метали, чому вони такі рідкісні та як їх обробляють? Щоб зрозуміти цей предмет, давайте почнемо з його визначення.

Основні технічні матеріали - це сплави на основі заліза, такі як сталь, нержавіюча сталь та чавун. Інша група регулярно використовуваних матеріалів включає сплави на основі кольорових металів, таких як алюмінієві сплави, латунь і бронза.

Крім того, існують екзотичні типи матеріалів, які були розроблені для специфічних завдань. Ці екзотичні матеріали мають спеціальне застосування; вони рідкісні та нечасто використовуються, і, як правило, їх обробка дорожча.

Строго узгодженого визначення екзотичного матеріалу не існує. Багато фахівців називають їх металами, такими як берилій, цирконій та ін., а також їх сплавами, керамікою, композитами та супер сплавами. Розглядаючи використання конструкційних матеріалів, в першу чергу слід розрізняти супер сплави та композити. Металообробна промисловість в основному має справу з цими типами матеріалів з кількох причин, одна з яких - обробка екзотичних матеріалів є проблематичною. Супер сплави, або, більш конкретно, жароміцні супер сплави (HTSA) призначені для роботи в умовах значного механічного навантаження в поєднанні з високими температурами. Вони широко використовуються в газових турбінах, а також в різній арматурі та нафтохімічному обладнанні. «Екзотичність» супер сплавів полягає в їх металургійному дизайні, який забезпечує високий опір повзучості для збереження міцності при високих температурах. За основним компонентом HTSA можна розділити на три групи: супер сплави на основі нікелю (Ni), кобальту (Co) та заліза (Fe). Хімічний склад супер сплавів, особливо в разі HTSA на основі нікелю і кобальту, призводить до поганої оброблюваності.

Композити - це багатокомпонентні матеріали. У порівнянні з традиційними конструкційними матеріалами, такими як сталь або алюміній, композитні заготовки мають форму, близьку до чистої, і не вимагають значного видалення матеріалу. Проте, компоненти композиту мають різні властивості, і в поєднанні вони утворюють неоднорідну структуру, що ускладнює обробку. Процес обробки композитів відрізняється від обробки металів і часто більше схожий на дроблення, ніж на різання. Висока абразивність композитного матеріалу може привести до інтенсивного затуплення інструменту і різних проблем з продуктивністю, такими як зниження точності або невиправні дефекти обробки.

Металообробна промисловість досягла значних успіхів в обробці екзотичних матеріалів. Вдосконалені інструменти та ефективні стратегії обробки вже підняли продуктивність операцій механічної обробки на абсолютно новий рівень. Вражаючий стрибок в 3D-друку, який може значно скоротити кількість операцій обробки, виглядає дуже багатообіцяючим. Але є одне «виключення», яке все ще обмежує використання в повній мірі значного збільшення можливостей верстатів. Це «виключення» - ріжучий інструмент. Незважаючи на помітний прогрес, ріжучі інструменти залишаються вузьким місцем для ефективності обробки. Отже, плани прориву в продуктивній обробці екзотичних матеріалів багато в чому пов'язані з ріжучим інструментом.

Виробники ріжучого інструменту продовжують свої зусилля з пошуку ефективних і надійних рішень для обробки екзотичних матеріалів. Іноді може здатися, що традиційних джерел для великого прогресу майже не існує, і що великий крок вперед пов'язаний тільки зі справжньою новинкою. Незважаючи на це, виробникам ріжучого інструменту все ж вдається пропонувати цікаві продукти, що поєднують в собі наявні кошти та ресурси з новими ідеями. Останні розробки ISCAR, які були впроваджені в останні роки, є хорошим прикладом таких продуктів і спроб ISCAR усунути існуючі вузькі місця та знайти нові шляхи просування вперед.


Екзотика для екзотики: переваги кераміки
Твердий сплав, як і раніше, є основним ріжучим матеріалом для обробки. Впровадження твердосплавних інструментів зробило революцію в металообробній промисловості, забезпечивши значне зростання продуктивності за рахунок різкого збільшення швидкості різання. Однак, незважаючи на це, навіть сьогодні швидкості різання важкооброблюваних жароміцних жаростійких сплавів (HTSA) на основі Ni і Co невисокі: зазвичай в межах 25-50 м/хв (80-160 футів на хвилину). Як розширити межі швидкості?

В якості ріжучих матеріалів вже зарекомендували себе екзотичні керамічні матеріали. Використання екзотичних керамічних матеріалів забезпечує зовсім інший рівень швидкості різання. Наприклад, при обробці супер сплавів керамічними інструментами швидкість різання 1000 м/хв (3300 sfm) цілком реальна. Тому керамічні інструменти стають все більш і більш поширеними для обробки HTSA.

Нещодавно ISCAR розробила сімейство торцево-циліндричних фрез зі змінним корпусом, оснащених двосторонніми пластинами з кераміки (рис. 1). Фрези призначені в основному для чорнової та напівчистової обробки площин і тривимірних поверхонь при надзвичайно високих швидкостях різання. Економічна двостороння конструкція пластини забезпечує високий коефіцієнт використання кераміки. Пластини виготовляються з кераміки декількох сортів, таких як «чорна» кераміка, кераміка, армована ниткоподібними кристалами, і SiAlON (різновид кераміки на основі нітриду кремнію). Застосування нових фрез направлено на максимальне збільшення швидкості знімання металу (MRR) і різке скорочення часу циклу.

Ще один приклад успішного використання ріжучої кераміки - один з останніх продуктів ISCAR: сімейство цільних кінцевих фрез від SiAlON. Кінцеві фрези були розроблені спеціально для продуктивної чорнової обробки супер сплавів на основі нікелю, таких як різні марки Inconel, Incoloy, Haynes та ін. в аерокосмічній промисловості. У порівнянні з типовими кінцевими фрезами з твердого сплаву, кінцеві фрези з SiAlON дозволяють збільшити швидкість різання до 50 разів!

Слід зазначити, що керамічні інструменти поводяться інакше, ніж твердосплавні. Як правило, закінчення терміну служби інструменту визначається прийнятним рівнем шорсткості поверхні або утвореними задирками, а не розміром зносу інструменту.

Ріжучий алмаз
При виробництві деталей з композитних матеріалів свердління вважається основною операцією різання. Поліпшення можливостей свердлильного інструменту вплинуло на ефективність обробки композитів і композитних матеріалів.

Нещодавно ISCAR представила серію нових суцільних свердел діаметром 3,3-12 мм (0,130-0,50 дюйма), спеціально розроблених для композитних матеріалів (рис. 2). Спільною рисою цих інструментів є використання полікристалічного алмаза (PCD) або алмазного покриття для забезпечення високої абразивної зносостійкості. Існує кілька типів цих нових свердел; один з них заснований на використанні наконечника PCD як центральної точки свердла, а інший - тип алмазної пластинки. Обидва типи свердел мають велику площу для багаторазового переточування.

Третій тип свердел - твердосплавні інструменти з алмазним покриттям ріжучої поверхні. Їх хвиляста ріжуча кромка сприяє зменшенню утворення задирок, особливо під час свердління пластиків, армованих вуглецевим волокном (CFRP) і штабелів з вуглепластика та алюмінію.

Подача охолоджуючої рідини
Під час обробки екзотичних супер сплавів ефективна подача ЗОР є основою успіху. Точкове охолодження під високим тиском (HPC) може стати важливим інструментом підвищення продуктивності різання. Це реальне джерело збільшення стійкості інструменту, кращої сегментації стружки та підвищення продуктивності.

Одна з останніх розробок ISCAR - сімейство токарних інструментів зі змінними пластинами типу ISO (рис. 3). У конструкції інструменту використовується верхній затиск для надійного закріплення пластин навіть під час важкого та переривчастого різання. Попередні токарні інструменти з опцією HPC мали затискний механізм важільного типу, оскільки верхній затиск не дозволяв струменю охолоджувальної рідини досягати ріжучої кромки.

Нещодавно розроблені інструменти містять порожнистий верхній затиск, який дозволяє вирішити дві проблеми:
- міцний і жорсткий затиск пластини
- усунення перешкод для струменя охолоджуючої рідини на шляху до ріжучої кромки.

Таким чином, затиск в нових інструментах в якості сопла охолоджуючої рідини, отримав додаткову важливу функціональну особливість.

Нові продукти з подачею ЗОР через інструмент вигідні не тільки під час обробки з використанням високопродуктивних обчислень. Їх застосування для точіння зі звичайним зовнішнім охолодженням «низького» тиску (10-15 бар) також забезпечує кращу продуктивність.

Під час відрізки та обробки канавок, особливо - глибоких, вирішальне значення має ефективна сегментація стружки. Точкове охолодження ріжучої кромки під високим тиском значно знижує застрягання стружки та зменшує наріст. Протягом останнього року ISCAR розширила асортимент своєї продукції для високопродуктивних обчислень, представивши нові інструменти для обробки торцевих канавок з опцією HPC (рис. 4). Ці інструменти підходять для тиску охолоджуючої рідини до 140 бар.

Інновації в геометрії ніколи не припиняються
Поліпшення геометрії різання вичерпує всі можливості. Хорошим доказом такого висновку є безліч нових рішень, які модернізували існуючі індексовані пластини. Зазвичай такі рішення пов'язані з передовою сегментацією стружки, посиленою ріжучою кромкою та прогресивною підготовкою кромок.

Новий стружколом ISCAR F3S для чистового точіння екзотичних супер сплавів (рис. 5) був розроблений для популярних пластин типу ISO (CNMG, WNMG та ін). Типова чистова операція характеризується невеликою глибиною різання та низької подачею. Таким чином, успіх стружколаму полягає в невеликій площі, прилеглої до ріжучої кромки пластини. Необхідно справжнє інженерне «мистецтво» та багато зусиль, щоб змінити дизайн цієї області для досягнення набагато кращих характеристик в порівнянні з існуючими пластинами.

F3F дає приклад того, як це зробити успішно. Він має посилену ріжучу кромку для запобігання зносу зазубрин, а також спеціально розроблений дефлектор для ефективного контролю стружки при чистовій токарній обробці HTSA. У поєднанні з позитивним переднім кутом ці характеристики забезпечують плавне і легке різання, помітну здатність до сегментації стружки та значне зниження сил різання.

Обробка екзотичних матеріалів ставить перед виробниками інструментів різні завдання. При розробці різального інструменту, який призведе до прориву, виробники інструментів пробують все. Іноді їх вирішення дійсно «екзотичні», а іноді новаторське мислення дозволяє йти вперед в традиційному напрямку. У випадку з ISCAR зрозуміло, що прогрес в пошуку правильної відповіді на потреби металообробної промисловості в екзотичних матеріалах не зупинився.

Рис. 1


Рис. 2


Рис. 3


Рис. 4


Рис.5