۱. مقدمه

ابرآلیاژها مواد فلزی هستند که استحکام عالی، مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی را در دماهای بالا حفظ می کنند. آنها به طور گسترده در موتورهای هوافضا، توربین های گازی، صنایع هسته ای و تجهیزات انرژی استفاده می شوند. با این حال، خواص برتر آنها چالش های قابل توجهی را برای ماشینکاری ایجاد می کند. به خصوص هنگام استفاده از فرزهای انتهایی برای عملیات فرزکاری، مسائلی مانند سایش سریع ابزار، دمای برش بالا و کیفیت سطح ضعیف به ویژه برجسته است. این مقاله مشکلات رایج مواجه شده در هنگام فرزکاری انتهایی ابرآلیاژها را بررسی می کند و راه حل های مربوطه را ارائه می دهد.

۲. ابرآلیاژ چیست؟

ابرآلیاژها (یا آلیاژهای با دمای بالا) مواد فلزی هستند که استحکام بالا و مقاومت فوق العاده در برابر اکسیداسیون و خوردگی را در محیط های با دمای بالا حفظ می کنند. آنها می توانند به طور قابل اطمینانی تحت تنش های پیچیده در محیط های اکسیداتیو و خوردگی گازی از 600 درجه سانتیگراد تا 1100 درجه سانتیگراد کار کنند. ابرآلیاژها عمدتاً شامل آلیاژهای پایه نیکل، پایه کبالت و پایه آهن هستند و به طور گسترده در صنایع هوافضا، توربین های گازی، انرژی هسته ای، خودرو و پتروشیمی استفاده می شوند.

۳. ویژگی های ابرآلیاژها

۱.استحکام بالا در دماهای بالا
قادر به تحمل تنش های بالا برای دوره های طولانی در دماهای بالا بدون تغییر شکل قابل توجه خزش.

۲.مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و خوردگی
حفظ پایداری ساختاری حتی در صورت قرار گرفتن در معرض هوا، گازهای احتراق یا محیط های شیمیایی در دماهای بالا.

۳.چقرمگی خوب خستگی و شکستگی
قادر به مقاومت در برابر چرخه های حرارتی و بارهای ضربه ای در محیط های شدید.

۴.ریزساختار پایدار
پایداری ساختاری خوبی را نشان می دهد و در برابر تخریب در عملکرد در طول استفاده طولانی مدت در دمای بالا مقاومت می کند.

۴. مواد ابرآلیاژی معمولی

۱.ابرآلیاژهای پایه نیکل
درجه های رایج بین المللی:

۲.ابرآلیاژهای پایه کبالت

درجه های رایج بین المللی:

درجه های رایج چینی (با معادل های بین المللی):

۳.ابرآلیاژهای پایه آهن

ویژگی ها:هزینه کم، ماشینکاری خوب؛ مناسب برای محیط های با دمای متوسط (≤700 درجه سانتیگراد).

درجه های رایج بین المللی:

درجه های رایج چینی (با معادل های بین المللی):

۴.مقایسه ابرآلیاژهای پایه نیکل، پایه کبالت و پایه آهن

۵. نمونه هایی از کاربرد ابرآلیاژها

۶. چالش ها در ماشینکاری ابرآلیاژها

۱. استحکام و سختی بالا:

ابرآلیاژها حتی در دمای اتاق استحکام بالایی را حفظ می کنند (به عنوان مثال، استحکام کششی Inconel 718 بیش از 1000 مگاپاسکال است). در حین ماشینکاری، آنها تمایل به تشکیل یک لایه سخت شده (با افزایش سختی 2-3 برابر) دارند، که مقاومت برش را در عملیات بعدی به طور قابل توجهی افزایش می دهد. در چنین شرایطی، سایش ابزار تشدید می شود، نیروهای برش به شدت نوسان می کنند و احتمال تراشه شدن لبه برش بیشتر است.

۲. هدایت حرارتی ضعیف و حرارت برش متمرکز:

ابرآلیاژها هدایت حرارتی پایینی دارند (به عنوان مثال، هدایت حرارتی Inconel 718 تنها 11.4 W/m·K است، حدود یک سوم فولاد). گرمای برش نمی تواند به سرعت دفع شود و دمای نوک برش می تواند از 1000 درجه سانتیگراد فراتر رود. این باعث می شود که مواد ابزار نرم شوند (به دلیل سختی قرمز ناکافی) و سایش انتشار را تسریع می کند.

۳. سخت شدن شدید کار:

سطح مواد پس از ماشینکاری سخت تر می شود که سایش ابزار را بیشتر تشدید می کند.

۴. چقرمگی بالا و دشواری در کنترل تراشه:

تراشه های ابرآلیاژها بسیار سخت هستند و به راحتی نمی شکنند، اغلب تراشه های بلندی تشکیل می دهند که می توانند دور ابزار بپیچند یا سطح قطعه کار را خراش دهند. این بر پایداری فرآیند ماشینکاری تأثیر می گذارد و سایش ابزار را افزایش می دهد.

۵. واکنش پذیری شیمیایی بالا:

آلیاژهای پایه نیکل مستعد واکنش های انتشار با مواد ابزار (مانند کاربیدهای سیمانی WC-Co) هستند که منجر به سایش چسبنده می شود. این باعث می شود که مواد سطح ابزار از بین بروند و یک دهانه سایش هلالی شکل ایجاد شود.

۷. مشکلات رایج در فرزکاری ابرآلیاژها با فرزهای انتهایی

۱. سایش شدید ابزار

• سختی و استحکام بالای ابرآلیاژها منجر به سایش سریع سطوح شیب و پهلوهای فرز انتهایی می شود.

• دمای برش بالا می تواند باعث ایجاد ترک های خستگی حرارتی، تغییر شکل پلاستیکی و سایش انتشار در ابزار شود.

۲. دمای برش بیش از حد

• هدایت حرارتی ضعیف ابرآلیاژها به این معنی است که مقدار زیادی گرما که در حین برش تولید می شود نمی تواند به موقع دفع شود.

• این امر منجر به گرم شدن بیش از حد موضعی ابزار می شود که در موارد شدید می تواند باعث سوختن یا تراشه شدن ابزار شود.

۳. سخت شدن شدید کار

• ابرآلیاژها در حین ماشینکاری مستعد سخت شدن کار هستند و سختی سطح به سرعت افزایش می یابد.

• پاس برش بعدی با یک سطح سخت تر مواجه می شود که سایش ابزار را تشدید می کند و نیروهای برش را افزایش می دهد.

۴. نیروهای برش بالا و لرزش شدید

• استحکام بالای مواد منجر به نیروهای برش زیاد می شود.

• اگر ساختار ابزار به درستی طراحی نشده باشد یا ابزار به طور ایمن بسته نشده باشد، می تواند منجر به لرزش و لرزش ماشینکاری شود که باعث آسیب ابزار یا کیفیت سطح ضعیف می شود.

۵. چسبندگی ابزار و لبه ساخته شده

• در دماهای بالا، مواد تمایل به چسبیدن به لبه برش ابزار دارند و یک لبه ساخته شده تشکیل می دهند.

• این می تواند باعث برش ناپایدار، خراش روی سطح قطعه کار یا ابعاد نادرست شود.

۶. کیفیت سطح ماشینکاری ضعیف

• عیوب رایج سطح شامل پلیسه، خراش، نقاط سخت سطحی و تغییر رنگ در ناحیه تحت تأثیر حرارت است.

• زبری سطح بالا می تواند بر عمر مفید قطعه تأثیر بگذارد.

۷. عمر کوتاه ابزار و هزینه های بالای ماشینکاری

• اثر ترکیبی از مسائل فوق منجر به عمر ابزار بسیار کوتاه تری در مقایسه با ماشینکاری موادی مانند آلیاژ آلومینیوم یا فولاد کم کربن می شود.

• تعویض مکرر ابزار، راندمان ماشینکاری پایین و هزینه های بالای ماشینکاری از عواقب آن است. ۸. راه حل ها و بهینه سازی

۸. راه حل ها و توصیه های بهینه سازی

۱. راه حل هایی برای سایش شدید ابزار:

۱.۱. مواد کاربید دانه فوق العاده ریز را انتخاب کنید (کاربید دانه زیر میکرون/فوق ریز) که مقاومت در برابر سایش و استحکام شکستگی عرضی برتری را ارائه می دهد.

* کاربید سیمانی دانه فوق العاده ریز به دلیل مقاومت عالی در برابر سایش و سختی بالا به طور گسترده در قالب ها، ابزارهای برش، ماشینکاری دقیق، قطعات الکترونیکی و سایر زمینه ها استفاده می شود. اندازه دانه WC معمولی از حدود 0.2 تا 0.6 میکرومتر متغیر است. با توجه به استانداردهای کشورهای مختلف و برندها، درجه های معمول کاربید سیمانی دانه فوق العاده ریز به شرح زیر است:

الف. درجه های کاربید سیمانی دانه فوق العاده ریز رایج چین (به عنوان مثال XTC، Zhuzhou Cemented Carbide، Jiangxi Rare Earth، Meirgute و غیره)

درجه

اندازه دانه (میکرومتر)

محتوای Co (%)

۲.۲ سیستم های خنک کننده با فشار بالا (HPC) یا روانکاری حداقل مقدار (MQL) را برای حذف سریع گرمای برش پیاده سازی کنید.

۲.۳ سرعت برش (Vc) را برای به حداقل رساندن تولید گرما کاهش دهید.

۳. راه حل هایی برای سخت شدن شدید کار:

۳.۱ میزان پیشروی در هر دندانه (fz) را افزایش دهید تا زمان توقف ابزار در لایه سخت شده کار کاهش یابد.

۳.۲ عمق برش های کوچکتر (ap) و پاس های متعدد را انتخاب کنید تا لایه سخت شده به تدریج حذف شود.

۳.۳ ابزار را تیز نگه دارید تا از برش با لبه کند از طریق لایه سخت شده جلوگیری شود.

۴. راه حل هایی برای نیروهای برش بالا و لرزش شدید:

۴.۱ از ابزارهای مارپیچ متغیر و گام متغیر (فاصله نامساوی) برای کاهش رزونانس استفاده کنید.

۴.۲ طول بیرون زدگی ابزار را به حداقل برسانید (نسبت L/D را <4 نگه دارید) تا سفتی را افزایش دهید.

۴.۳ طراحی فیکسچر را برای بهبود پایداری قطعه کار بهینه کنید.

۴.۴ مسیر برش را عاقلانه برنامه ریزی کنید، در صورت امکان از فرزکاری محیطی به جای فرزکاری سطحی استفاده کنید.

۵. راه حل هایی برای چسبندگی ابزار و لبه ساخته شده:

۵.۱ پوشش هایی با ضریب اصطکاک کم (به عنوان مثال، TiB2، DLC، nACo) را انتخاب کنید تا تمایل به چسبندگی را کاهش دهید.۵.۲ از سیالات برش یا MQL برای بهبود روانکاری استفاده کنید.

۵.۳ لبه های برش تیز را برای جلوگیری از خراش و تجمع گرما ناشی از ابزارهای کند حفظ کنید.

۶. راه حل هایی برای کیفیت سطح ماشینکاری ضعیف:

۶.۱ زوایای آزاد و عملیات لبه را برای بهبود صافی برش بهینه کنید.

۶.۲ سرعت پیشروی را برای به حداقل رساندن لرزش و علائم برش کاهش دهید.

۶.۳ از ابزارهای ریز آسیاب برای ماشینکاری نهایی استفاده کنید و پاس های متعدد را در نظر بگیرید: فرزکاری خشن → فرزکاری نیمه نهایی → فرزکاری نهایی.

۶.۴ سیالات برش را برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد موضعی و تغییر رنگ اکسیداسیون اعمال کنید.

۷. راه حل هایی برای عمر کوتاه ابزار و هزینه های بالای ماشینکاری:

۷.۱ استراتژی های فوق را به طور جامع اجرا کنید تا عمر مفید هر ابزار را افزایش دهید.

۷.۲ سیستم های نظارت بر ابزار (به عنوان مثال، تشخیص خودکار تعویض/عمر ابزار) را نصب کنید تا از استفاده بیش از حد جلوگیری شود.

۷.۳ برندهای شناخته شده یا ابزارهای پوشش داده شده با درجه بالا را انتخاب کنید تا مقرون به صرفه بودن کلی را بهبود بخشید.

۷.۴ برای ماشینکاری دسته ای ابرآلیاژها، توصیه می شود از ابزارهای سفارشی برای بهینه سازی راندمان و هزینه استفاده کنید.

۹.

پارامترهای برش توصیه شده

مثال: Inconel 718

مورد پارامتر

خشن

تکمیلقطر ابزار

10 میلی متر

۱۰.

نتیجه

اگرچه ماشینکاری ابرآلیاژها چالش برانگیز است، اما با انتخاب ابزار مناسب و بهینه سازی فرآیند قابل مدیریت است. فرزهای انتهایی نقش مهمی ایفا می کنند و موفقیت به ترکیبی از انتخاب مواد، هندسه، پوشش ها، خنک کننده و استراتژی بستگی دارد.

برای نیازهای ابزار سفارشی یا راه حل های ماشینکاری ابرآلیاژ خاص، با ما تماس بگیرید تا از پشتیبانی فنی و نمونه ها بهره مند شوید.