การกัดกลึงซูเปอร์อัลลอย

ซูเปอร์อัลลอย (Superalloys) หรือโลหะผสมที่สะท้อนโครงสร้างโลหะอันซับซ้อน ได้กลายเป็นหนึ่งในวัสดุวิศวกรรมหลักมาเป็นเวลานาน ด้วยความทนทานต่ออุณหภูมิสูง จึงมักถูกเรียกว่า ซูเปอร์อัลลอยที่อุณหภูมิสูง (HTSA) หรือ ซูเปอร์อัลลอยทนความร้อน (HRSA) โดยประวัติของซูเปอร์อัลลอยนั้นเริ่มต้นจากการพัฒนาเครื่องยนต์ก๊าซเทอร์ไบน์ที่ต้องการวัสดุที่ใช้งานได้ในการทำงานในอุณหภูมิสูง จากการวิจัยอย่างเข้มข้นและความก้าวหน้าในด้านโลหะวิทยา ซูเปอร์อัลลอยสมัยใหม่ (SA) จึงมีอายุการใช้งานยาวนานสำหรับการทำงานในอุณหภูมิที่มากกว่า 1,000 °C

ผู้ใช้งานซูเปอร์อัลลอยรายใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน คือผู้ผลิตเครื่องยนต์ทางอากาศและทางทะเล นอกจากนี้ ซุเปอร์อัลลอยยังพบได้บ่อยมากในอุตสาหกรรมการแพทย์ ซึ่งใช้สำหรับการปลูกถ่ายอวัยวะเทียมในการผ่าตัดศัลยกรรมกระดูกอย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ซูเปอร์อัลลอย ได้กลายเป็นที่แพร่หลายในอุตสาหกรรมไฟฟ้าและอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซในฐานะวัสดุสำคัญสำหรับชิ้นส่วนสำคัญของอุปกรณ์ต่าง ๆ

ผู้ผลิตจัดการกับชิ้นงานซูเปอร์อัลลอยต่าง ๆ โดยการ หล่อ ดัด เผา ฯลฯ วิธีการแปรรูปชิ้นงานนั้นมีผลกระทบต่อความสามารถในการกัดกลึงเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การกัดกร่อนของชิ้นงานขึ้นรูปที่สูงกว่าชิ้นงานหล่อนั้นจะต่ำกว่าโลหะจากการเผาผนึกเป็นอย่างมาก

ดังนั้นแล้ว เครื่องมือตัดจึงต้องเผชิญกับอุณหภูมิและแรงทางกลที่สูง ส่งผลให้อายุการใช้งานลดลงอย่างมาก เช่นนั้นแล้ว ในการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย ความเร็วตัดที่มีผลโดยตรงต่อการสร้างความร้อนในระหว่างการขจัดเศษจึงต่ำมากเมื่อเทียบกับวัสดุทางวิศวกรมมทั่วไปอื่น ๆ เช่น เหล็ก หรือ เหล็กหล่อ ผลลัพธ์จากข้อจำกัดในความเร็วตัดคือประสิทธิภาพในการผลิตที่ต่ำ ดังนั้นแล้ว การเอาชนะปัญหาในการตัดเฉือนและการเพิ่มผลิตภาพจึงเป็นความท้าทายหลักของเหล่าผู้ผลิตชิ้นส่วนซูเปอร์อัลลอย

ตามมาตรฐาน ISO 513 ซูเปอร์อัลลอยและไททาเนียมอัลลอยด์นั้นเกี่ยวข้องกับกับใช้งานในกลุ่ม ISO S เมื่อขึ้นอยู่กับองค์ประกอบที่มีอยู่ ซูเปอร์อัลลอยแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ เหล็ก (Fe), นิกเกิล (Ni), และโลหะผสมโคบอลต์ (Co) โดยความสามารถในการกัดกลึงลดลงตามลำดับที่ระบุจากโลหะผสมที่มีธาตุเหล็ก ซึ่งสามารถนำมาเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก ไปยังโลหะผสมที่มีโคบอลต์เป็นส่วนประกอบซึ่งเป็นวัสดุที่ตัดยากที่สุดในกลุ่ม

การเพิ่มประสิทธิภาพในการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอยได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการพัฒนาเทคโนโลยีต่าง ๆ ผลลัพธ์คือความก้าวหน้าที่สำคัญในการผลิตชิ้นงานซูเปอร์อัลลอย โดยผู้ผลิตได้นำกลยุทธ์การตัดเฉือนแบบใหม่มาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ และใช้นวัตกรรมใหม่ในการตัดพร้อมการฉีดสารหล่อเย็น เช่น การระบายความร้อนด้วยแรงดันสูง (HPC), การหล่อเย็นโดยใช้สารหล่อเย็นปริมาณน้อย (MQL), และแม้กระทั่งการระบายความร้อนด้วยความเย็นก็ประสบความสำเร็จ สิ่งเหล่านี้ได้ยกระดับการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอยไปอีกขั้น อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับกรณีของโลหะผสมไททาเนียม องค์ประกอบหลักในการปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตของการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอยคือเครื่องมือตัดเฉือนที่กัดกลึงชั้นโลหะออกจากชิ้นงานที่ผลิตเศษโดยตรง เครื่องมือตัดเหล่านี้ประกอบด้วยวัสดุและรูปทรงที่จะมากำหนดชัยชนะหรือไม่ก็ความล้มเหลวของเครื่องมือนั้น ๆ

ปัจจุบัน ซีเมนต์คาร์ไบด์เป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องมือกัดกลึงสำหรับการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย การพัฒนาเกรดคาร์ไบด์ที่เสริมทั้งความแข็งแรงและความทนทานต่อการสึกหรอไปด้วยกันนั้นถือเป็นกระบวนการที่ยุ่งยากซึ่งต้องใช้ซับเสรตคาร์ไบด์, องค์ประกอบการเคลือบ, และวิธีการเคลือบ ที่เหมาะสม เพื่อสร้างความประหลาดใจให้แก่ผู้ที่เชื่อว่าความเป็นไปได้ที่จะก้าวล้ำทางนี้นั้นเหลือน้อยแล้ว เหล่าผู้ผลิตเครื่องมือตัดเฉือนได้คิดค้นเกรดคาร์ไบด์ใหม่ ๆ ที่มีประสิทธิภาพต่อไป นอกจากนี้ ในการตัดเฉือนซูเปอร์อัลลอย ได้มีการใช้เซรามิก ซึ่งเป็นวัสดุในการทำเครื่องมือที่ช่วยเพิ่มความเร็วตัด

ISCAR ได้ขยายกลุ่มผลิตภัณฑ์สำหรับการใช้งาน ISO S ซึ่งทำจากเซรามิกต่าง ๆ เช่น ซิลิกอนไนไตรด์, SiAION, และเซรามิกเสริมแรงด้วยวิสเกอร์ รายการเซรามิกที่เพิ่งเปิดตัวใหม่ได้เติมเต็มทั้งเม็ดมีดแบบถอดเปลี่ยนได้และโซลิดเอ็นมิลล์

ISCAR ได้เสริมแนวทางการแก้ปัญหาสำหรับการระบายความร้อนด้วยแรงดันสูงด้วยหัวกัดแบบถอดเปลี่ยนได้และด้ามแบบใหม่ ตัวอย่างเช่น กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ ISCAR ได้มีการเพิ่มระบบหัวจับแบบให้ความร้อนแล้วสวมอัดที่มีด้ามมีดทรงเรียวเหลี่ยมซึ่งมีช่องเจ๊ตฉีดสารหล่อเย็นในส่วนกลาง โดยสรุปแล้ว ความต้องการในการเพิ่มผลิตภาพในการตัดเฉือน HTSA ยังคงเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับผู้ผลิตเครื่องมือตัด และการพัฒนาเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพนั้นมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้

Article by: ISCAR (THAILAND) Co., Ltd. & MEGA Tech

Superalloy machining

Superalloys – metal alloys, which reflect their complex alloyed structure, have become one of the main engineering materials for a long time. They feature extremely high elevated temperature strength, and therefore often are referred to as high-temperature superalloys (HTSA) or heat-resistant superalloys (HRSA). The history of superalloys started with the development of gas-turbine engines that required reliable materials for high operating temperature ranges. As a result of intensive research and progress in metallurgy, modern superalloys (SA) provide a long service life for working temperatures more than 1000°C.

Understandably, the largest superalloy consumers today are aero- and marine engine producers. Superalloys are also very common in the medical industry, which effectively use them for prosthetic implants in orthopedic surgery. In addition, superalloys have become widespread in power generation and the oil and gas industries as crucial materials for essential parts of various devices.

The manufacturer deals with various SA workpieces: cast, wrought, sintered, etc. The workpiece fabrication methods also have an impact on machinability. For example, abrasiveness of forged workpieces higher that cast ones substantially lower in comparison with sintered workpieces.

Consequently, a cutting tool is under significant thermal and mechanical load, which dramatically reduces tool life. Therefore, in machining superalloys, the cutting speed directly connected with the heat generation during chip removal is considerably lower when compared to other common engineering materials such as steel or cast iron. The direct result of the cutting speed limitation is poor productivity. Hence, overcoming machining difficulties and increasing productivity are the main challenges for the manufacturer of SA parts.

According to ISO 513 standard, superalloys together with titanium alloys relate to the ISO S group application. Depending on the prevailing element, superalloys are divided into three types: iron (Fe), nickel (Ni) and cobalt (Co) based alloys. Machinability drops in the specified order; from the iron-based alloys, which can be compared with austenitic stainless steel, to cobalt-based alloys that represent the most hard-to-cut materials in the group.

Increasing efficiency of machining superalloys has become the focus of various scientific research and technological improvements. Their result was a significant advance in producing SA components. Manufacturing has effectively embraced new machining strategies and innovative methods of cutting coolant supply, such as high-pressure cooling (HPC), minimum quantity lubrication (MQL) and even cryogenic cooling has successfully been introduced. This has taken the productivity of machining superalloys to a new level. However, like in the case of titanium alloys, the key element for improving the productivity of SA machining is a cutting tool that directly removes material layers from a workpiece that produces chips. A cutting tool features the tool material and its geometry, which determines the tool’s triumph or its failure.

Today, coated cemented carbides are the most common materials for cutting tools for machining superalloys. The development of a carbide grade, in which strength and wear resistance will be mutually complemented is a tricky process that requires an appropriate carbide substrate, coating composition, and coating method. To the amazement of those who believe that the breakthrough possibilities in this direction are almost exhausted, cutting tool producers continue to create new effective carbide grades. Additionally, in machining superalloys, ceramics – another tool material that enables substantially increased cutting speeds – are already in active use.

If tool materials are connected mostly with material sciences and metallurgy, cutting geometry is more in the tool design field. Ensuring high-performance geometry requires deep engineering knowledge and technology skills. On the one hand, to minimize heat generation and work hardening, a positive rake angle, a large enough clearance angle, and a sharp cutting edge are needed. On the other hand, such a shape weakens the cutting edge that should withstand a considerable mechanical load. Therefore, the correct designed cutting-edge condition becomes a critical success factor. Sintered carbide inserts have the advantage of enabling complex chip forming and chip breaking shapes for insert rake faces. Today, computer modeling of chip formation and pressing processes using finite element methods provide an effective tool to optimize the shapes that are already in the design stage. In solid endmills, a variable pitch design results in improved vibration strength. Cutting edges of these endmills are produced by grinding operations, and to eliminate flaking and edge defects, strict adherence to technological process requirements is highly important.

Cutting tool manufacturers pay a lot of attention to improving their product portfolios intended for machining superalloys. ISCAR’s news can be excellent indicative examples.

Carbide grade IC806, which had was introduced over the last few years for face grooving superalloys and austenitic stainless steel, was successfully adopted by ISCAR’s threading and deep drilling lines. This grade has a hard submicron substrate and PVD TiAlN/AlTiN coating with post-coating treatment according to ISCAR’s SUMO TEC technology. IC806 provides notable resistance to flaking and chipping and maintains reliable and repeatable results.

In machining superalloys by solid carbide endmills and exchangeable heads, grade IC902, which combines ultra-fine grain substrate and nano-layer PVD TiAlN coating, ensures extremely high wear resistance and prolongs tool life. This grade has demonstrated very good results in producing devices for replacement knee and hip joints that are made from difficult-to-cut cobalt-chrome alloys.

ISCAR has significantly extended the range of products for ISO S applications made from various cutting ceramics such as silicon nitride, SiAlON, and whisker-reinforced grades. The newly introduced ceramic items have replenished both indexable inserts and solid endmills.

The latest rake face designs F3M and F3P for ISO standard turning inserts are intended specifically for hard-to-machine austenitic stainless steel and superalloys . Their positive rake-angle geometry reduces the cutting force and ensures smooth cutting action, while the set of deflectors on the rake face improves chip control. In ceramic double-sided inserts for turning and milling tools, ISCAR has added new chamfered and combined (chamfered and rounded) cutting-edge condition options for tough applications.

ISCAR has enriched the range of solutions intended for high-pressure cooling by new indexable cutter bodies and tool holders. For example, thermal shrink chucks with polygonal taper shanks, which have coolant jet channels along the central bore, have been replenished by the toolholder product line.

In conclusion, the need for increased productivity in machining HTSA is a continuous challenge for cutting tool manufacturers, and new effective tool developments are likely to come in the near future.

Article by: ISCAR (THAILAND) Co., Ltd. & MEGA Tech

超合金加工

超合金-複雑な合金構造を反映する金属合金は、長い間主要なエンジニアリング材料の1つになっています。それらは非常に高い高温強度を特徴とするため、高温超合金（HTSA）または耐熱性超合金（HRSA）と呼ばれることがよくあります。超合金の歴史は、高い作動温度範囲で信頼性の高い材料を必要とするガスタービンエンジンの開発から始まりました。冶金学における集中的な研究と進歩の結果として、現代の超合金（SA）は、1000°Cを超える動作温度で長い耐用年数を提供します。

当然の今日最大の超合金消費者は航空およびに船舶用エンジンの生産者です。超合金は医療業界でもかなり一般的であり、整形外科手術の補綴インプラントに効果的に使用されます。更に超合金は様々なデバイスの重要な部分の不可欠な材料として発電や石油、ガス産業で広く普及しています。

製造業者は鋳造、鍛造、焼結など様々なかたちでSAワークピースを扱っています。ワークピースの製造方法も機械加工性に影響を与えます。例えば、鋳造品よりも鍛造品の方が研磨性が高く、焼結品に比べて摩耗性が大幅に低くなります。

その結果切削工具には大きな熱的および機械的負荷が掛かり工具の寿命が大幅に短くなります。因って超合金の加工では鋼や鋳鉄等他の一般的なエンジニアリング材料と比較して切屑除去時の発熱に直接関係する切削速度が大幅に低下します。切削速度の制限の直接的な結果は生産性の低下です。従って機械加工の難しさを克服し生産性を向上させる事がSA部品の製造業者にとっての重要課題なのです。

ISO 513規格によればチタン合金や超合金はISOSグループの用途に関連しています。優勢な元素に応じて超合金は鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）ベースの合金の3タイプに分けられます。被削性は以下の順序で低下します。オーステナイト系ステンレス鋼と比較できる鉄基合金から始まりグループ内で最も切断が難しい材料であるコバルト基合金という順序で。

超合金の機械加工の効率を上げる事は様々な科学的研究と技術的改善の焦点となっています。その結果SAコンポーネントの製造が大幅に進歩しました。製造業は高圧冷却（HPC）、最小量潤滑（MQL）、そして更には極低温冷却等の新しい機械加工戦略とクーラント供給を削減する革新的な方法を効果的に取り入れています。これにより超合金の機械加工の生産性が新たなレベルに引き上げられました。但しチタン合金の場合と同様SA加工の生産性を向上させる重要な要素は切屑を発生させるワークピースから材料層を直接除去する切削工具です。切削工具は工具の材料と形状をその特徴としておりこれは工具の成功または失敗の決定要因です。

今日においてコーティングされたて硬化されたカーバイドは超合金を機械加工するための切削工具の最も一般的な材料です。強度と耐摩耗性が相互に補完されるカーバイドグレードの開発は適切なカーバイド基板、コーティング組成、およびにコーティング方法を必要とする難しいプロセスです。この方向での画期的な可能性はほぼ皆無に近くなったであろうと信じている人々は驚くだろうと思いますが、切削工具の生産者は新たな効果的なカーバイドを諦めずに造り続けています。更に超合金の加工では切削速度を大幅に向上させるもう一つの工具材料であるセラミックは既にかなりの使用されています。

工具材料が主に材料科学や冶金学を満足させているのならば切削形状は工具設計の分野にその改良がその次の課題です。高性能の形状を確保するにはエンジニアリングに関する深い知識と技術スキルが必要です。一方発熱と加工硬化を最小限に抑えるために正のすくい角、十分に大きな逃げ角、およびに鋭い刃先が必要です。他方このような形状はかなりの機械的負荷に耐えるはずである刃先を弱めます。従って正しく設計された最先端の条件が重要な成功要因となります。焼結カーバイドインサートにはインサートのすくい面の複雑な切屑成形や切屑の形状を可能にするという利点があります。今日の有限要素法を使用したチップ形成およびにプレスプロセスのコンピューターモデリングは既に設計段階にある形状を最適化するための効果的なツール形状を可能にします。ソリッドエンドミルでは数々の可変ピッチ設計により振動強度が向上します。これらのエンドミルの刃先は研削作業によって製造され、剥離や刃先の欠陥を排除するために、技術的なプロセス要件を厳密に順守する事が最重要ポイントです。

切削工具製造業者超合金の機械加工を目的とした製品ポートフォリオの改善に細心の注意を払っています。このISCARのニュースは優れた指標となる可能性があります。

フェースグルービング超合金とオーステナイト系ステンレス鋼のために過去数年にわたって導入された超硬グレードIC806は、ISCARのスレッディングおよびにディープドリルラインにへの採用を成功裏に収めました。このグレードはハードサブミクロン基板とISCARのSUMOTECテクノロジーに準拠したポストコーティング処理を施したPVDTiAlN / AlTiNコーティングを備えています。IC806は剥離や欠けに対する顕著な耐性を提供し信頼性と再現性のある結果を維持させます。

超硬エンドミルと交換可能なヘッドによる超合金の加工において超微細粒子基板とナノ層PVD TiAlNコーティングを組み合わせたグレードIC902は非常に高い耐摩耗性を保証し工具寿命を延ばします。このグレードは切断が困難なコバルトクロム合金で作られた人工膝関節および股関節の交換用デバイスの製造において非常に優れた結果を示しています。

ISCARは窒化ケイ素、SiAlON、ウィスカー強化グレード等の様々な切削セラミックから作られたISOSアプリケーション向けの製品の範囲を大幅に拡大しました。新しく導入されたセラミックアイテムはインデックス可能なインサートとソリッドエンドミルの両方を補充しました。

ISO規格の旋削インサート用の最新のすくい面設計F3MおよびF3Pは特に機械加工困難なオーステナイト系ステンレス鋼および超合金を対象としています。これらの正のすくい角形状は切削力を低減しスムーズな切削動作を保証し、すくい面のデフレクターのセットは切屑処理を改善します。旋削工具およびフライス盤用のセラミック両面インサートに対してISCARは、厳しい用途向けの新しい面取りおよび組み合わせ（面取りおよび丸み付け）最先端の条件オプションを追加しました。

ISCARは新しいインデックス可能なカッター本体とツールホルダーによる高圧冷却を目的としたソリューションの範囲を充実させました。例えば中央のボアに沿ってクーラントジェットチャネルを備えた多角形のテーパーシャンクを備えたサーマルシュリンクチャックはツールホルダー製品ラインによって更に強化されています。

結論として、HTSAの機械加工における生産性の向上の必要性は切削工具メーカーにとって継続的な課題でありそれを解決すべくの新たな効果的工具開発が近い将来行われる事でしょう。

Article by: ISCAR (THAILAND) Co., Ltd. & MEGA Tech