naar top
Menu
Logo Print
13/12/2018 - PETER WEBER

NIKKELLEGERINGEN BLIJVEN SPECIAAL VERSPANINGSPROCES VRAGEN

Exotische materialen niet meer zo bijzonder

Inconel, Hastelloy: nikkellegeringen die vaak worden aangeduid als exotische materialen. Die term lijkt echter onterecht te worden gebruikt, want zo bijzonder zijn deze legeringen niet meer. Zowel in de vliegtuig- als energiesector worden ze veelvuldig toegepast, net als in de offshore-industrie. Verspaners krijgen ze dus vaker op de machine. En dat vergt een goede voorbereiding.

Greenleaf
De Amerikaanse gereedschappenfabrikant Greenleaf heeft van de keramische gereedschappen voor onder andere nikkellegeringen een specialiteit gemaakt. Zo haalt men snijsnelheden van meer dan 1.000 m per minuut bij het frezen zonder koeling.

SUPERLEGERINGEN

Engineers die onderdelen voor vliegtuigmotoren ontwikkelen, of voor de turbines in een energiecentrale, houden van nikkelhoudende warmtebestendige superlegeringen (HSRA). De poedermetallurgische materialen zijn namelijk tegen veel hogere temperaturen bestand dan andere legeringen. En omdat de energie-efficiency omhoog moet, wordt de temperatuur waar de kritische componenten in een turbine aan bloot worden gesteld, hoger. De keerzijde van de hoge temperatuurbestendigheid is de moeilijke verspaanbaarheid. De warmtegeleidbaarheid van deze nikkellegeringen ligt namelijk op zo'n 30% van die van gewone staallegeringen. De warmte die bij het verspanen van hoogwaardige nikkellegeringen (Inconel en Hastelloy zijn merknamen) vrijkomt, kan dus niet - of in elk geval veel minder - in de spanen gaan zitten om ze daarmee af te voeren. De warmte dreigt het gereedschap in te gaan. In andere toepassingen, vooral in de offshore-industrie, zijn de superlegeringen gewild vanwege hun resistentie tegen agressieve, chemische stoffen en corrosie.

Dat deze legeringen moeilijk te verspanen zijn, komt doordat het materiaal sterk blijft op hoge temperatuur. Door de hoge temperatuur wordt het oppervlak vaak nog harder, wat het proces verder bemoeilijkt. Het verkort de standtijd van de gereedschappen drastisch als men niet de juiste maatregelen treft.

GereedschapEFFECT SPAANDIKTE

Een eerste stap is de materiaalkeuze. Spanningsarm gloeien maakt het materiaal makkelijker te verspanen omdat door het koudwalsen van het materiaal het oppervlak verhardt. Gloeien - als het mogelijk is - kan de levensduur van de gereedschappen verlengen. De stabiliteit van de CNC-machine is een tweede vereiste. De krachten die op het gereedschap en via de spindel op de machine komen, zijn fors. Recent onderzoek wijst uit dat het spindeltoerental en de voeding per tand twee belangrijke parameters zijn die de krachten op het gereedschap beïnvloeden. Deze kracht wisselt echter doordat de spaandikte niet constant is. Bij een geringere spaandikte is de specifieke snijkracht groter terwijl deze afneemt, naarmate de dikte toeneemt. Hiermee moet bij het programmeren van de machine rekening worden gehouden.

PULSERENDE KOELVLOEISTOF OVERVLOEDEN

Een derde factor die aan Duitse onderzoeksinstituten recent werd onderzocht, is de invloed van de toevoer van het koelsmeermiddel. Meer specifiek gaat het om de toepassing van hogedrukkoelsmering in de CNC-machine tijdens het bewerken van Inconel. Met de conventionele aanpak ontstaan er geen goede spanen. Er ontstaan bijvoorbeeld krulspanen die de machinebediener op gezette tijden moet verwijderen om problemen te voorkomen. Of er ontstaan lange spanen, die voor een risico van het beschadigen van het werkstuk zorgen. Door het koelsmeermiddel onder hoge druk op het snijvlak te richten, worden spanen beter gebroken en reduceert men de risico's al enigszins. Onderzoekers aan het Werkzeugmaschinenlabor (WZL) in Aken hebben ontdekt dat het pulseren van de koelmiddelstraal een nog sterker positief effect heeft. In plaats van met een continue stroom koelsmeermiddel het werkstuk te overvloeden, werken zij met een frequentie van 1 Hz. Telkens wordt voor een halve seconde de druk verminderd. Het effect is dat de lengte van de spanen voorspelbaar wordt. Door met de snijsnelheid te spelen, kan men de lengte vooraf definiëren en optimaliseren voor een bepaalde bewerking. Bij het nafrezen kan men hiermee de hogedrukkoeling effectiever inzetten om tot de optimale spaanlengte te komen. De resultaten van het onderzoek zijn nog vers. De onderzoekers willen nog verdergaan met hun werk om tot een softwaretool te komen waarin de relatie tussen de spaanlengte en de koelsmeermiddeltoevoer kan worden bepaald. Er zijn ook testen met het gebruik van MQL (minimaalsmering). Dan is het belangrijk de juiste metaalbewerkingsvloeistoffen te kiezen omdat de smerende bestanddelen zich aan het gereedschap moeten hechten. Sommige leveranciers van smeermiddelen voor MQL zeggen dat ze hierdoor de wrijving aan de snijkant van het gereedschap kunnen halveren.

Grafiek

KERAMISCHE SNIJGEREEDSCHAPPEN

De vierde factor die van invloed is bij het verspanen van nikkellegeringen, is het gereedschap. Een relatief onbekend gereedschap, ook al bestaat het al lang, is de keramische wisselplaat. In de vliegtuigindustrie wordt deze al veel langer ingezet, maar in de algemene toelevering vaak nog niet. Dit komt onder andere omdat men de juiste strategie nodig heeft om het effect van een keramisch gereedschap te maximaliseren. Het voordeel van een keramische wisselplaat is dat dit materiaal beter bestand is tegen hoge temperaturen. Waar bij een hardmetalen gereedschap de carbides bij een temperatuur van 7 à 800 °C uitbreken en het einde van de plaat inluiden, bereikt keramiek pas boven de 2.000 °C het smeltpunt. Door met hoge snelheid te draaien - of tegenwoordig ook te frezen - loopt de temperatuur op tot 1.000 °C en wordt het oppervlak van het materiaal zachter. Hieraan heeft de keramische frees of wisselplaat de hoge productiviteit te danken bij het bewerken van nikkellegeringen. Een voorwaarde is wel een voldoende spaandikte.

In dat geval ligt de productiviteit bij het draaien tot wel tien keer hoger. Bij het frezen kan de snijsnelheid tot een factor drie hoger liggen, mits de machine de hoge voeding aankan. Sommige producenten van de superlegeringen adviseren keramische gereedschappen voor het bewerken van hun materialen omdat men daarmee het risico op het verharden van het materiaal uitsluit.

NIEUWE PVD-COATINGS

De geometrie van de snijkant is een ander belangrijk gegeven. Vooral de manier waarop de wisselplaat de spaan wegleidt van de snede, is belangrijk. Bij deze taaie materialen gaat het erom de spaan zo snel mogelijk weg te nemen, eveneens om de hitte af te voeren. Daarnaast kan het substraat van de wisselplaat voor problemen zorgen als er een chemische reactie ontstaat tussen het substraat en het te bewerken materiaal. Met nieuwe, aangepaste coatings proberen gereedschapsfabrikanten dit te voorkomen. Door meerdere geometrieën aan te bieden, geven ze de keuze om het gereedschap beter af te stemmen op het werkstuk. Dit betekent weliswaar minder standaardisatie, maar levert wel een optimaler verspaningsproces op.

Gereedschap