Bearbeitung von Inconel 718: Methoden zum Drehen, Fräsen, Bohren

Inconel 718 können erfolgreich und mit gleichbleibender Teilequalität bearbeitet werden, wenn die Bediener starre Aufspannungen, positive Hartmetall- oder Keramikwerkzeuge mit geeigneten Beschichtungen, konservative Schnitttiefen- und Vorschubwahlen beim Schruppen, höhere Spindeldrehzahlen mit geringer Spanbelastung beim Schlichten, aktive Wärmeabfuhr in der Schnittzone und Prozessstrategien verwenden, die Verweilen und Nachschneiden von gehärteten Oberflächen vermeiden. Befolgen Sie die in diesem Artikel empfohlenen Werkzeugfamilien, Schnittdatenfenster und Aufspannpraktiken, um die Kaltverfestigung zu minimieren, die Werkzeuglebensdauer zu verlängern und die Toleranzen in der Luft- und Raumfahrt oder im Energiebereich einzuhalten.

1. Warum sich Inconel 718 unter dem Messer anders verhält

Inconel 718 ist eine ausscheidungshärtbare Nickel-Eisen-Chrom-Superlegierung, die für hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen entwickelt wurde. Die Legierung kombiniert hohe Zähigkeitseigenschaften mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit und einer starken Tendenz zur Kaltverfestigung in Schnittnähe. Diese Eigenschaften verursachen eine erhöhte Schnitttemperatur in der unmittelbaren Scherzone und führen zu schnellem Flankenverschleiß, Aufbauschneiden und schlechtem Spanbruch, wenn die Prozessvariablen nicht aufeinander abgestimmt sind. Aus diesen Gründen muss bei der Bearbeitung der Wärmeabfuhr Vorrang eingeräumt, eine Verweilzeit des Werkzeugs vermieden und Werkzeugwerkstoffe gewählt werden, die abrasiven, adhäsiven und thermischen Verschleißmechanismen widerstehen können.

2. Metallurgische Merkmale, die sich auf die Schnittleistung auswirken

Wichtige Materialeigenschaften, die die Wahl des Verfahrens bestimmen

• Hohe Festigkeit und Kaltverfestigung: Die Kaltverfestigung erzeugt eine gehärtete Schicht direkt vor der Schneidkante, wenn die Schnittgeschwindigkeit langsam ist oder das Werkzeug verweilt. Diese gehärtete Schicht erhöht die Schnittkräfte schnell.

• Geringe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärme konzentriert sich in der Scherzone, wodurch die lokalen Temperaturen ansteigen und der Diffusionsverschleiß und der Abbau der Beschichtung beschleunigt werden.

• Zähigkeit und Klebeneigung: Materialanhaftung führt zu Kanten- und Kraterbildung an Hartmetallwerkzeugen. Beschichtungen und Oberflächenveredelungen auf Einsätzen verringern die Haftung.

• Mikrostruktur: Der ausscheidungsgehärtete Zustand verändert im Vergleich zum geglühten Zustand die Bearbeitbarkeit; geglühtes Material lässt sich im Allgemeinen mit geringerer Werkzeugspannung und längerer Lebensdauer bearbeiten.

Implikationen für die Prozesskontrolle

• Minimieren Sie die Zeit, die eine bestimmte Schneide in Kontakt mit der gleichen Oberfläche verbringt.

• Verwenden Sie positive Rechengeometrien, die sauber schneiden, anstatt zu pflügen und die Oberfläche zu verfestigen.

• Bevorzugen Sie unterbrochene Schneidestrategien, die Reibung und hohe Dauertemperaturen möglichst vermeiden.

3. Auswahl der Werkzeuge: Materialien, Beschichtungen und geometrische Entscheidungen

Die Wahl der richtigen Werkzeugfamilie ist einer der größten Hebel zur Verbesserung von Produktivität und Teilequalität.

Werkzeugmaterial und Beschichtungen (Zusammenfassung)

Einsatzgeometrie und Kantenvorbereitung

• Positive Neigung, geschliffene Kante: Reduziert die Schnittkräfte und verbessert den Spanfluss. Verwenden Sie einen kleinen Honradius, um Ausbrüche zu vermeiden und gleichzeitig die Schneidwirkung beizubehalten.

• Großer Nasenradius für die Endbearbeitung: Bei der Oberflächengüte sind größere Nasenradien hilfreich, erhöhen aber die Schnittkräfte; mit der Steifigkeit der Maschine abgleichen.

• Spanbrecher für klebrige Metalle: Wählen Sie Spantaschenformen, die kurze, kontrollierte Späne erzeugen und lange, zähe Späne vermeiden. Sandvik und andere Werkzeughersteller veröffentlichen HRSA-Geometrien, die auf Inconel 718 abgestimmt sind.

4. Empfohlene Schnittparameter nach Arbeitsgang

Die Parameter müssen an die Maschinenleistung, die Steifigkeit, die Mikrogeometrie des Werkzeugs und das Spannsystem angepasst werden. Die nachstehenden Tabellen bieten konservative, industrieerprobte Startfenster. Führen Sie kurze Werkzeugtests durch und nehmen Sie kleine schrittweise Anpassungen vor.

4.1 Drehen (Schruppen und Schlichten) - Startfenster

4.2 Planfräsen und Nutenfräsen

4.3 Bohren und Aufbohren

Hinweise zu Geräten und Maschinen

• Rechnen Sie die Fenster bei Bedarf in Zollwerte um. Beginnen Sie am unteren Ende des Drehzahlbereichs, wenn die Steifigkeit der Maschine oder die Wirksamkeit des Kühlmittels fraglich ist. Erhöhen Sie die Spindeldrehzahl, wenn Werkzeug und Halter dies zulassen und die Späne unter Kontrolle bleiben.

5. Bearbeitungsstrategien und Prozessabläufe

Ein robuster Prozessplan trennt Schruppen und Schlichten und kontrolliert die Wärmeentwicklung.

Strategie zum Aufrauen

1. Verwenden Sie einen stärkeren radialen Eingriff, eine moderate axiale Tiefe und robuste Hartmetallwerkzeuge. Halten Sie den Vorschub hoch genug, um zu scheren und nicht zu reiben.

2. Vermeiden Sie wiederholtes Nachschneiden der gleichen Oberfläche. Wenn bei der Endbearbeitung eine gehärtete Schicht entfernt werden muss, entfernen Sie die harte Haut mit einem leichten Schliff.

Semi-Finishing

• Reduzieren Sie Schnitttiefe und Vorschübe, um die Schnittkräfte zu verringern und die Restverhärtung zu minimieren. Prüfen Sie die Werkstücktemperatur nach den Schruppdurchgängen.

Fertigstellung

• Geringe Schnitttiefe und niedrige Spandicke ergeben beste Oberflächenqualität. Hohe Drehzahlen bei geringer Spandicke reduzieren die Aufbauschneide und verbessern die Oberflächengüte. Verwenden Sie feinkörnige Hartmetall- oder Keramikwendeplatten.

Hohe Materialabtragsoptionen

• Trochoidales Fräsen: Hält den radialen Eingriff niedrig und ermöglicht höhere Spindeldrehzahlen bei längerer Standzeit. Wirksam beim Schruppen tiefer Taschen.

• Fräsen mit hohem Vorschub: Durch den Einsatz von speziellen Schaftfräsern mit hohem Vorschub wird die Produktivität gesteigert, während die Schnittkräfte überschaubar bleiben. Die Werkzeugauswahl muss der Anwendung entsprechen.

6. Chipkontrolle, Kühlmittel- und Wärmemanagement

Spankontrolle und Wärmeabfuhr bestimmen die Lebensdauer des Werkzeugs häufiger als die Rohgeschwindigkeit.

Kühlmittelstrategien

• Kühlmittel mit emulgiertem Öl fluten: Hält Späne fern und reduziert die Werkzeugtemperatur in vielen Werkstätten.

• Kühlmittel mit hohem Druck durch das Werkzeug: Bietet eine wesentlich bessere Spanabfuhr und Kühlung an der Schneidkante von Bohrern und Wendeschneidplattenwerkzeugen. Der hohe Druck hilft, Späne zu brechen und die Flankenhaftung zu reduzieren.

• Minimalmengenschmierung: Einige Werkstätten halten MMS für HRSA aufgrund der Wärmekonzentration für inakzeptabel. Nur verwenden, wenn validiert.

Chip-Kontrolltechniken

• Verwenden Sie Wendeschneidplatten mit geeigneter Taschengeometrie für kurze, gewellte Späne.

• Vermeiden Sie lange, dünne Späne, die sich verdichten und ein Nachschneiden verursachen. Verwenden Sie Spanbrecher oder kurzspanende Geometrien.

Thermische Kontrolle am Teil

• Konstruieren Sie die Vorrichtungen so, dass die Wärme abgeleitet wird. Verwenden Sie Zykluspausen nur, wenn die Werkzeugkühlung ausreichend ist. Vermeiden Sie das Verweilen eines mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Werkzeugs auf einem stillstehenden Werkstück, das eine lokale Kaltverfestigung hervorrufen kann.

7. Werkstückspannung, Konstruktion von Spannvorrichtungen, Schwingungsdämpfung und Maschinenauswahl

Die Wahl der Maschine und der Spannvorrichtung vervielfacht die Wirkung der Werkzeugentscheidung.

• Steife Werkzeugmaschine: Bevorzugen Sie starre Spindeln mit geringer Rundlaufgenauigkeit und ausreichender Leistung und Drehmoment. Mehrachsige Bearbeitungszentren mit großen Lagern schneiden besser ab.

• Massive, kurze Überhänge: Halten Sie den Überstand von Werkzeug und Werkstück so gering wie möglich, um die Durchbiegung zu verringern. Verwenden Sie, wenn möglich, Hydrodehnspannfutter oder Schrumpffutter für Schaftfräser.

• Gedämpfte Werkzeuge: Verwenden Sie bei langen, dünnen Wellen gedämpfte Adapter oder Silent Tools, um das Rattern zu unterdrücken. Die Silent Tools-Lösungen von Sandvik haben nachweislich Vorteile für HRSA-Wellen.

• Starre Klemmung und Kühlkörper: Vorrichtungen, die eine große Oberfläche berühren, tragen dazu bei, die Wärme von der Schnittzone abzuleiten und den Verzug zu verringern.

8. Werkzeugverschleißarten, Diagnose und Abhilfemaßnahmen

Häufige Abnutzungsarten und wie man darauf reagiert:

• Flankenverschleiß: Fortschreitender Verlust an der Freifläche. Wenn der Flankenverschleiß schnell zunimmt, reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit und überprüfen Sie die Kompatibilität der Beschichtung. Ersetzen Sie die Wendeschneidplatten, bevor die Kantenausbrüche die Geometrie beeinträchtigen.

• Kraterverschleiß: Bildet sich auf der Spanfläche aufgrund von Diffusion und chemischem Verschleiß. Verwenden Sie Beschichtungen, die bei erhöhten Temperaturen diffusionsbeständig sind.

• Adhäsion und Aufbauschneide: Falls vorhanden, die Schnittgeschwindigkeit leicht erhöhen, den Vorschub reduzieren oder die Beschichtung wechseln. Prüfen Sie auch die Wirksamkeit des Kühlmittels.

• Kantenabsplitterung: Häufig durch unterbrochene Schnitte, zu kleine Honradien oder instabile Werkzeughalter. Verwenden Sie ein härteres Wendeplattensubstrat, erhöhen Sie den Honradius oder stabilisieren Sie das Werkstück.

Diagnostische Checkliste

1. Prüfen Sie die Späne: Lange, ledrige Späne deuten auf einen geringen Vorschub oder unzureichenden Spanabbau hin.

2. Prüfen Sie die Kante mit dem Mikroskop: Suchen Sie nach Delamination der Werkzeugbeschichtung oder Mikrorissen.

3. Messen Sie den Spindelrundlauf und das Spannmoment des Werkzeughalters.

4. Überprüfen Sie den Kühlmitteldruck und die Ausrichtung der Düsen.

9. Inspektion, Oberflächenintegrität und Nachbehandlungen

Die Unversehrtheit der Oberfläche ist in der Luft- und Raumfahrt und im Hochtemperaturbereich von entscheidender Bedeutung.

• Prüfungen der Mikrohärte: Mit der Mikrohärtemessung nach der Bearbeitung können durch unsachgemäße Bearbeitung entstandene kaltverfestigte Schichten erkannt werden. Wenn der Härteanstieg die Spezifikation übersteigt, führen Sie eine leichte Spannungsentlastung durch oder verfeinern Sie die Endbearbeitungsgänge.

• Kontrolle der Eigenspannung: Vermeiden Sie übermäßige lokale Erwärmung und thermische Gradienten während der Bearbeitung. Ziehen Sie eine Spannungsarmglühung in Betracht, wenn die Eigenspannung die Lebensdauer des Bauteils gefährdet.

• Kontrolle der Dimensionen: Verwenden Sie nach einer eventuellen thermischen Stabilisierung des Werkstücks abschließende Feinbearbeitungsdurchgänge mit geringen Schnittkräften.

10. Repräsentative Prozessbeispiele und Parametersätze (Fallbeispiele)

Verwenden Sie diese Beispielrezepte für eine Probeerfassung. Führen Sie immer kurze Standzeittests durch und passen Sie sie in kleinen Schritten an.

Fall A: Drehen einer Welle mit mittlerem Durchmesser, geglühte Stange, CNC-Drehmaschine

• Zustand des Materials: Geglühter Inconel 718-Stab Ø 60 mm.

• Werkzeuge: CNMG 12 04 08, feinkörniges Hartmetall, PVD TiAlN.

• Grober Durchgang: Vc 60 m/min, f 0,25 mm/Umdrehung, ap 3 mm.

• Endbearbeitungsgang: Vc 120 m/min, f 0,06 mm/Umdrehung, ap 0,3 mm.

• Kühlmittel: Mit hohem Druck auf die Schneide gerichtet fluten.

Fall B: Taschenfräsen an einer Luft- und Raumfahrtkonsole

• Werkzeuge: 12 mm Vollhartmetall-Schaftfräser, 4 Schneiden, TiAlN PVD.

• Trochoidales Schruppen: ae 1 mm, ap 8 mm, Vc 80 m/min, fz 0,08 mm/Zahn.

• Ausführung: Leicht axial 0,3 mm, Vc 140 m/min, fz 0,03 mm/Zahn.

• Kühlmittel: Kühlmittel durch die Spindel bei mäßigem Druck.

11. Konsolidierte Tabellen zum schnellen Nachschlagen

Werkzeugmaterialien und empfohlene typische Anwendungen

12. FAQs

1. Kann Inconel 718 auf einer normalen CNC-Drehmaschine bearbeitet werden?
   Ja, wenn die Drehmaschine ausreichend steif ist und der Spindelrundlauf gering ist. Verwenden Sie geeignete Werkzeuge, Kühlmittel und kurze Überhänge, um gute Ergebnisse zu erzielen.

2. Ist geglühtes Material leichter zu bearbeiten als ausgehärtetes Material?
   Ja. Geglühtes Material hat eine geringere Festigkeit und eine längere Lebensdauer der Werkzeuge. Wenn möglich, sollten Sie für die Massenbearbeitung geglühtes Material verwenden.

3. Welche Beschichtung eignet sich am besten zum Drehen von Inconel 718?
   PVD-Beschichtungen mit hohem Aluminiumgehalt wie TiAlN und AlCrN sind sehr effektiv. Mehrlagige CVD-Beschichtungen sind in vielen Fräsern ebenfalls gut geeignet. Die Daten des Werkzeugherstellers sollten die endgültige Auswahl leiten.

4. Soll ich Flutkühlmittel oder Durchlaufkühlmittel verwenden?
   Kühlmittel durch das Werkzeug und hoher Druck führen im Allgemeinen zu einer besseren Spanabfuhr. Verwenden Sie Flut, wenn kein Durchgangswerkzeug zur Verfügung steht, aber stellen Sie sicher, dass die Düse sehr gut ausgerichtet ist.

5. Warum verschleißen meine Werkzeuge so schnell?
   Typische Ursachen sind unzureichende Kühlmittelzufuhr, zu lange Verweilzeit, falsche Werkzeuggeometrie oder geringe Maschinensteifigkeit. Diagnostizieren Sie Späne und untersuchen Sie die Kanten, um die Ursache einzugrenzen.

6. Ist das trochoidale Fräsen von Vorteil?
   Ja, für tiefe Taschen. Es reduziert den radialen Eingriff und die Temperatur in der Nähe der Kante und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs.

7. Sollte ich Keramik für die Endbearbeitung verwenden?
   Keramik bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit, erfordert aber stabile, starre Aufbauten. Sie sind nicht stoßunempfindlich.

8. Wie lässt sich Kaltverfestigung vermeiden?
   Vermeiden Sie Reibung und langsame Schnitte, entfernen Sie die beim Schruppen entstandene verhärtete Haut durch leichtes Abziehen. Sorgen Sie für eine gleichmäßige Spanbildung.

9. Gibt es spezielle Bohrer für Inconel 718?
   Ja, Vollhartmetallbohrer oder Wendeschneidplatten, die für HRSA ausgelegt sind, mit Durchgangskühlmittel sind am besten geeignet. Verwenden Sie peCK-Zyklen, um Spanbildung zu vermeiden.

10. Welche Prüfung sollte nach der Bearbeitung erfolgen?
    Mikrohärtekartierung für kritische Bauteile, Maßkontrolle und Berücksichtigung von Eigenspannungen bei sicherheitskritischen Teilen.