Produkcja elementów z materiałów trudnoskrawalnych wiąże się ze zwiększonym ryzykiem błędów. Jak ich uniknąć? Jakie cechy materiałów powodują najwięcej problemów w obróbce CNC materiałów trudnoskrawalnych? Na te pytania odpowiadamy w nowym wpisie.

Materiały stosowane w przemyśle lotniczym, kosmicznym lub energetycznym muszą cechować się dużą odpornością na korozję, wysokie temperatury i uszkodzenia mechaniczne. Te wymagania spełniają przede wszystkim nowoczesne stopy niklu i tytanu. Ich zwiększona wytrzymałość wiąże się jednak z dużymi utrudnieniami, jeśli chodzi o obróbkę. Jednym z czynników mających największy wpływ na skuteczność produkcji elementów z materiałów trudnoskrawalnych jest programowanie obrabiarek sterowanych numerycznie – przygotowanie kodu i jego szczegółowe sprawdzenie.

Branże, w których wykorzystuje się materiały trudnoskrawalne

Nowoczesna technologia potrzebuje coraz bardziej zaawansowanych materiałów. Do cech, które z punktu widzenia konstruktorów mają największe znaczenie, należy zaliczyć przede wszystkim:

• dużą wytrzymałość mechaniczną;
• odporność na korozję oraz skrajne temperatury;
• dużą ciągliwość.

Takimi parametrami wyróżniają się między innymi superstopy niklu (Hastelloy, Waspalloy, Inconel lub Incoloy), stopy tytanu i tytan niestopowy oraz różnego typu kompozyty. W wykorzystaniu materiałów trudnoskrawalnych prym wiodą:

• przemysł lotniczy: z ich użyciem produkowane są elementy poddawane wysokim temperaturom – np. korpusy turbin, zawory wydechowe, łopatki, komory spalania itp.;
• przemysł kosmiczny: służą do wytwarzania elementów silników oraz kadłubów promów kosmicznych (przy wejściu i wyjściu z atmosfery rozgrzewających się do ponad 1500 stopni Celsjusza);
• energetyka: wykorzystuje wykonane z nich elementy instalacji elektrociepłowniach i elektrowniach, a także reaktorów jądrowych.
• przemysł motoryzacyjny: stosowane do produkcji podzespołów układów wydechowych, zawieszenia, wałów napędowe, sprężyn lub wahaczy;
• przemysł petrochemiczny: do budowy instalacji rafineryjnych.

Obróbka materiałów trudnoskrawalnych – możliwe problemy

Cechy, o których piszemy w poprzednim akapicie, czynią jednak obróbkę CNC materiałów trudnoskrawalnych bardzo problematyczną. Najważniejsze utrudnienia na etapie produkcji to:

• użycie bardzo dużych sił skrawania, niezbędnych ze względu na wytrzymałość stopów niklu lub tytanu;
• powstawanie wysokiej temperatury na ostrzu wskutek niskiej przewodności cieplnej i zaburzonego odpływania ciepła z miejsca obróbki;
• przyspieszone zużywanie ostrza spowodowane właściwościami ściernymi obrabianych materiałów;
• ryzyko powstawania deformacji cienkościennych elementów w wyniku użycia dużych sił skrawania oraz szybkiego zużycia ostrza;
• utwardzanie materiału – często występuje podczas obróbki superstopów.

Trudności w obróbce mogą wynikać nie tylko z właściwości samych materiałów, ale też parametrów wykonywanych z nich elementów. W drugim przypadku dotyczą one przede wszystkim:

• długości elementów;
• utrudnionego dostępu do wielu detali oraz ich lokalizacji na wewnętrznych powierzchniach.

Wirtualne wytwarzanie dzięki oprogramowaniu CAM

Obróbka CNC materiałów trudnoskrawalnych jest długa i skomplikowana. Bez dokładnych testów cały proces będzie pełen błędów. Ich wystąpienie wstrzymuje pracę maszyny, generuje straty i obniża jakość wytwarzanych elementów. Dlatego tak ważne jest wykrycie jak największej liczby błędów przed rozpoczęciem produkcji.

W tym celu stosuje się symulacje obejmujące między innymi ścieżkę narzędzia, ilość usuwanego materiału i temperatury w poszczególnych miejscach, generowanie wibracji i tworzenie się wióra. System CAM może też umożliwiać sprawdzenie programów pod kątem błędów oraz analizę trwałości elementów wykonanych z użyciem danego kodu.

Symulacja obróbki elementów z materiałów trudnoskrawalnych wiąże się z wieloma zaletami. Najważniejsze z nich to:

• obniżenie kosztów testowania i uniknięcie niepotrzebnego zużywania ostrzy dzięki pominięciu lub skróceniu prób przeprowadzanych na maszynie;
• skuteczne prognozowanie szybkości zużycia ostrza oraz dobór odpowiedniej geometrii;
• określenie rodzaju wióra oraz kierunku jego spływu;
• możliwość odtworzenia każdych warunków obróbki – np. wyższe niż standardowe prędkości;
• zwiększenie precyzji obróbki między innymi przez zmniejszenie naprężeń i odkształceń;
• wykrycie i uniknięcie kolizji ostrza z elementami obrabiarki, oprzyrządowaniem lub obrabianymi elementami;
• możliwość uniknięcia niepotrzebnego usuwania materiału;
• określenie poboru mocy urządzeń do obróbki oraz oszacowanie kosztów energii.

Najlepsze efekty przynosi symulacja przeprowadzana na modelu obrabiarki, którą w rzeczywistości posiadamy. Połączenie z urządzeniem, które będzie użyte do obróbki umożliwia oprogramowanie hyperMILL z postprocesorem VIRTUAL Machining Center, który jest przypisany do danej maszyny. Z punktu widzenia programisty dużym atutem hyperMILL jest też jego interfejs, odpowiadający temu znanemu z używanej na co dzień maszyny. Takie rozwiązanie sprawia, że zapoznanie się z procesem obróbki nowego elementu zajmie mniej czasu i pozwoli lepiej zaplanować jego poszczególne etapy.