Vad är egentligen ett exotiskt material? Varför används de inte i större utsträckning? Och hur bearbetar man dem? Låt oss börja med att definiera vad ett exotiskt material är för något.

De vanligaste konstruktionsmaterialen är järnbaserade legeringar som stål, rostfritt stål och gjutjärn. En annan grupp mycket vanliga material är legeringar av icke-järn metaller, som aluminiumlegeringar, mässing och brons.

Utöver dessa material finns det även s.k. exotiska material, vilka har tagits fram för särskilda behov. Eftersom de endast används för speciella tillämpningar ser man inte exotiska material så ofta och de är generellt dyrare att framställa.

Det finns ingen allmänt vedertagen definition av vad som räknas som ett exotiskt material. Många experter kallar dem helt enkelt för den metall de består av, som till exempel beryllium och zirkonium etc. och blandningar med dessa, alltså legeringar, keramer, kompositer och superlegeringar. När det handlar om konstruktionsmaterial är superlegeringar och kompositer de vanligaste. Superlegeringar – eller mer specifikt HTSA (high temperature superalloys) – har tagits fram särskilt för användning vid mycket stor mekanisk belastning i kombination med höga temperaturer. Dessa används vanligtvis inom flygindustrin, stationära gasturbiner, olika typer av ventiler och petrokemisk utrustning. Det ”exotiska” med superlegeringar är den metallurgiska sammansättningen, vilken ger högt krypmotstånd för att säkerställa hållfastheten vid höga temperaturer. HTSA kan delas in i tre grupper beroende på huvudkomponenten: Superlegeringar baserade på nickel (Ni), kobolt (Co) och järn (Fe). Den kemiska sammansättningen för superlegeringar (särskilt nickel- och koboltbaserade superlegeringar) ökar svårigheten i maskinbearbetning.

Kompositer är flerkomponentsmaterial. Vid en jämförelse med traditionella konstruktionsmaterial (till exempel stål och aluminium) kan arbetsstycken av komposit skapas så att de ligger mycket nära detaljens slutliga form, vilket betyder att det krävs betydligt mindre materialavverkning. De olika beståndsdelarna i kompositer har dock olika egenskaper och när dessa kombineras får materialet en struktur som orsakar problem när det ska bearbetas. Bearbetning av kompositer skiljer sig ifrån bearbetning av metaller, och många gånger kan det se ut som om materialet snarare splittras än avverkas. Kompositernas nötningsegenskaper gör att verktygen slits snabbt och det kan också ge problem vid bearbetningen, som exempelvis försämrad noggrannhet och bearbetningsskador.

Bearbetningsindustrin har gjort stora framsteg när det gäller bearbetning av exotiska material. Avancerade verktygsmaskiner och smart planerad bearbetning har lyft bearbetningen till en helt ny nivå. Den imponerande utvecklingen med 3D-skrivare har inneburit att man nu klarar bearbetningen med betydligt färre bearbetningsmoment vilket ser verkligt lovande ut inför framtiden. Det finns emellertid något som fortfarande begränsar möjligheterna att till fullo dra nytta av de allt effektivare verktygsmaskinerna och det är skärverktyget. Trots alla tekniska framsteg är det fortfarande skärverktygen som utgör flaskhalsen vid bearbetning. Möjligheterna att göra betydande framsteg i bearbetningen av exotiska material hänger därför i stor utsträckning på utvecklingen av skärverktygen.

Verktygstillverkarna arbetar intensivt för att hitta produktiva och tillförlitliga lösningar för bearbetning av exotiska material. Ibland tror man kanske att det krävs helt nya uppfinningar för att göra riktigt stora tekniska framsteg och att vidareutveckling av befintlig teknik inte är intressant. Men det finns verktygstillverkare som faktiskt lyckas ta fram intressanta produkter bara genom att kombinera redan existerande metoder och resurser med nya idéer. Ett utmärkt exempel på detta är de produkter som ISCAR utvecklat och presenterat under senare år samt företagets ansträngningar för att få bort flaskhalsar och driva på utvecklingen.


Exotiska skär till exotiska material
Hårdmetall är fortfarande det mest använda materialet i verktyg för skärande bearbetning. När hårdmetallverktyg började användas var det revolutionerande för produktiviteten inom bearbetningsindustrin, eftersom avsevärt högre skärhastigheter kunde användas. Trots detta är skärhastigheten fortfarande låg – vanligtvis cirka 25–50 m/min – för svårbearbetade material som nickel- och koboltbaserade superlegeringar (HTSA). Vad kan man då göra för att åtgärda detta?

Exotiska keramer är ett material som redan används i skärverktyg. Med dessa kan skärhastigheten ökas betydligt. Det är till exempel fullt möjligt att använda en skärhastighet på 1000 m/min vid bearbetning av superlegeringar om keramiska verktyg används. Det är av denna anledning som keramiska verktyg blir allt vanligare vid bearbetning av HTSA.

ISCAR har nyligen tagit fram fräskroppar med dubbelsidiga keramiska vändskär (fig. 1). Dessa fräsar är avsedda för de flesta typer av grov- och medelgrov bearbetning av plana ytor och 3D-ytor med extremt höga skärhastigheter. Den kostnadseffektiva utformningen med dubbelsidiga vändskär ger maximal användning av keramen. Vändskären tillverkas i flera olika keramiksorter, som ”svart” keramik, whiskerförstärkt keramik och SiAlON (en typ av keramik uppbyggd av kiselnitrid). De nya fräsarna används främst för att maximera spånavverkningshastigheten (MRR) och reducera cykeltiden.

Ett annat exempel på lyckad användning av keramer är ISCARs solida pinnfräsar av materialet SiAlON. Pinnfräsarna har utformats särskilt för högproduktiv grovbearbetning av nickelbaserade superlegeringar, som till exempel Inconel, Incoloy och Haynes inom flygindustrin. Jämfört med solida hårdmetallpinnfräsar kan de keramiska pinnfräsarna användas med upp till 50 gånger högre skärhastighet!

Det är emellertid viktigt att komma ihåg att de keramiska verktygen inte alls fungerar på samma sätt som hårdmetallverktygen. I allmänhet bestäms verktygets livslängd av om det ger tillräcklig ytfinhet på det bearbetade materialet eller om det ger upphov till grader – inte av hur slitet verktyget är.

Diamantskär
Vid tillverkning av komponenter av komposit är borrning den vanligaste operationen. Att prestandan på borrverktygen har förbättrats har haft en direkt inverkan på effektiviteten vid bearbetning av komposit och flerskikts-komposit.

Nyligen introducerade ISCAR en serie helt nya solida borr (diameter 3,3–12 mm) särskilt framtagna för borrning i komposit (fig. 2). Den egenskap som dessa verktyg har gemensamt är att polykristallin diamant (PCD) eller diamantbeläggning används för att säkerställa bästa möjliga motståndskraft mot nötning. Dessa nya borr finns i flera olika versioner: i en av versionerna har borret en full PCD-spets och i en annan har borret en diamantskiva där skäreggen finns. Både borrtyperna är utformade så att de kan slipas om flera gånger.

Den tredje borrtypen är solida hårdmetallborr med diamantbeläggning. Deras vågformiga skäregg minimerar uppkomst av grader, särskilt vid borrning i CFRP och CFRP-aluminium.

Kylvätska
Vid bearbetning med hårdmetall av superlegeringar är effektiv kylvätsketillförsel avgörande. Exakt riktad högtryckskylning (HPC) kan vara en lösning för att förbättra skäregenskaperna. HPC är också en mycket viktig faktor för att förlänga livslängden på verktygen, förbättra spånkontrollen och höja produktiviteten.

En av ISCARs senaste produktinnovationer är svarvverktyg för ISO-vändskär (fig. 3) där verktyget har en övre klamp för tillförlitlig fastsättning av vändskäret även vid tung och intermittent bearbetning. Tidigare versioner av svarvverktyg med HPC hade en inspänningsmekanism med hävarm eftersom en övre klamp skulle ha hindrat kylvätskestrålen från att nå fram till skäreggen.

De nyutvecklade verktygen har istället en ihålig övre klamp vilket har två fördelar:
- stark och stabil fastspänning av vändskäret
- kylvätskestrålen hindras inte på dess väg mot skäreggen

Klampen, som fungerar som kylvätskemunstycke i de nya verktygen, fick därmed en ny och viktig funktion.

De nya produkterna där kylvätskan tillförs genom en öppning i klampen, kan med fördel även användas för annat än bearbetning med HPC. De förbättrar prestandan även när de används vid svarvning med konventionell, extern kylning (dvs. med 10–15 bar tryck).

Vid avstickning och spårsvarvning är det mycket viktigt med effektiv spånformning (särskilt vid djup spårsvarvning). Exakt riktad högtryckskylning mot skäreggen minskar risken för spånstockning och löseggsbildning. Det senaste året har ISCAR utökat sitt sortiment med HPC-produkter genom att introducera nya verktyg för axiell spårsvarvning med HPC (fig. 4). Dessa verktyg är lämpliga för kylvätsketryck upp till 140 bar.

Konstant utveckling av skärgeometri
Ingen sten lämnas ovänd i jakten på förbättrad skärgeometri. Det är det stora antalet nya lösningar för uppgradering av befintliga vändskär ett bevis på. Vanligtvis går sådana lösningar ut på att åstadkomma avancerad spånformning, förstärkt skäregg och utvecklad eggpreparering.

ISCARs nya spånformare F3S för finsvarvning av exotiska superlegeringar (fig. 5) finns på vändskär av ISO-typ (CNMG, WNMG etc.). Vid finbearbetning används vanligtvis litet skärdjup och låg matning. Det betyder att den viktigaste delen av spånformaren är det lilla området bredvid vändskärets skäregg. Det krävs skicklighet och mycket eftertanke för att göra om den här konstruktionen så att prestandan förbättras jämfört med befintliga vändskär.

F3F är ett mycket gott exempel på detta. Den har förstärkt skäregg som förhindrar strålförslitning och en specialutformad spånavvisare för effektiv spånkontroll vid finsvarvning av HTSA. I kombination med en positiv spånvinkel ger dessa funktioner en jämn och enkel bearbetning, mycket bra spånbrytning och en avsevärd minskning av skärkraften.

Vid bearbetning av exotiska material ställs verktygstillverkarna alltså inför en rad utmaningar. De testar allt i kampen för att utveckla ett revolutionerande nytt skärverktyg. Ibland är deras lösningar väldigt nya och ”exotiska”, medan de andra gånger kan vidareutveckla traditionella lösningar med hjälp av en portion innovativt tänkande. I ISCAR:s fall pågår arbetet för fullt med att hitta smarta lösningar på de utmaningar som bearbetning av exotiska material innebär.

fig1


fig2


fig3


fig4


fig5