Come lavorare l'Inconel 718: metodi di tornitura, fresatura e foratura

Inconel 718 possono essere lavorati con successo e con una qualità costante dei pezzi quando gli operatori utilizzano setup rigidi, utensili in metallo duro positivo o in ceramica con rivestimenti appropriati, scelte di profondità di taglio e avanzamento conservative per la sgrossatura, velocità di mandrino più elevate con carichi di truciolo leggeri per la finitura, rimozione attiva del calore nella zona di taglio e strategie di processo che evitano la sosta e la ri-tagliatura delle superfici indurite. Seguite le famiglie di utensili, le finestre di dati di taglio e le pratiche di lavorazione raccomandate in questo articolo per ridurre al minimo l'indurimento del lavoro, prolungare la vita dell'utensile e rispettare le tolleranze aerospaziali o energetiche.

1. Perché l'Inconel 718 si comporta diversamente sotto la fresa

L'Inconel 718 è una superlega di nichel-ferro-cromo indurente per precipitazione, progettata per garantire un'elevata resistenza a temperature elevate. La lega combina elevate proprietà di trazione con una conducibilità termica relativamente bassa e una forte tendenza all'indurimento in prossimità del taglio. Questi attributi causano un'elevata temperatura di taglio nell'immediata zona di taglio e portano a una rapida usura del fianco, a una formazione del bordo e a una scarsa rottura del truciolo se le variabili di processo non vengono messe a punto. Per questi motivi, la lavorazione deve privilegiare l'evacuazione del calore, evitare la sosta dell'utensile e scegliere materiali che resistano ai meccanismi di usura abrasiva, adesiva e termica.

2. Caratteristiche metallurgiche che influiscono sulle prestazioni di taglio

Caratteristiche chiave dei materiali che guidano le scelte di processo

• Alta resistenza e indurimento da deformazione: L'incrudimento produce uno strato indurito direttamente davanti al tagliente quando le velocità di taglio sono basse o si verifica una sosta dell'utensile. Questo strato indurito aumenta rapidamente le forze di taglio.

• Bassa conducibilità termica: Il calore si concentra nella zona di taglio, aumentando le temperature locali e accelerando l'usura da diffusione e la rottura del rivestimento.

• Tolleranza e tendenza all'adesione: L'adesione del materiale porta alla formazione di bordi e crateri sugli utensili in metallo duro. I rivestimenti e le finiture superficiali degli inserti riducono l'adesione.

• Microstruttura: Lo stato di indurimento per precipitazione rispetto allo stato di ricottura cambia la lavorabilità; il materiale ricotto in genere si lavora con minori sollecitazioni dell'utensile e una maggiore durata.

Implicazioni per il controllo di processo

• Ridurre al minimo il tempo che un determinato tagliente trascorre a contatto con la stessa superficie.

• Utilizzare geometrie di rastrelliera positive che tagliano in modo netto anziché arare e indurire la superficie.

• Privilegiare strategie di taglio interrotto che evitino lo sfregamento e le alte temperature continue, ove possibile.

3. Scelta degli utensili: materiali, rivestimenti e scelte geometriche

La scelta della famiglia di utensili corretta è una delle principali leve per migliorare la produttività e la qualità dei pezzi.

Materiali e rivestimenti degli utensili (sintesi)

Geometria dell'inserto e preparazione dei bordi

• Spigolo positivo, bordo levigato: Riduce le forze di taglio e migliora il flusso dei trucioli. Utilizzare un raggio di affilatura ridotto per resistere alla scheggiatura mantenendo l'azione di taglio.

• Ampio raggio di curvatura per la finitura: Per ottenere la finitura superficiale, raggi di punta più grandi aiutano ma aumentano le forze di taglio; bilanciare con la rigidità della macchina.

• Rompitrucioli progettati per metalli appiccicosi: Scegliere forme di tasche porta-trucioli che producano trucioli corti e controllati ed evitare trucioli lunghi e filiformi. Sandvik e altri produttori di utensili pubblicano le geometrie HRSA messe a punto per l'Inconel 718.

4. Parametri di taglio consigliati in base all'operazione

I parametri devono essere adattati alla potenza della macchina, alla rigidità, alla microgeometria dell'utensile e al sistema di serraggio. Le tabelle seguenti forniscono finestre di partenza prudenti e collaudate nel settore. Eseguire brevi test dell'utensile e implementare piccole regolazioni incrementali.

4.1 Tornitura (sgrossatura e finitura) - finestre di partenza

4.2 Fresatura di superfici e scanalature

4.3 Foratura e alesaggio

Note sulle unità e sulle macchine

• Se necessario, convertire le finestre in formato imperiale. Iniziare con l'estremità inferiore della gamma di velocità quando la rigidità della macchina o l'efficacia del refrigerante sono discutibili. Aumentare la velocità del mandrino se l'utensile e il supporto lo consentono e i trucioli rimangono controllati.

5. Strategie di lavorazione e flussi di processo

Un solido piano di processo separa la sgrossatura dalla finitura e controlla l'accumulo di calore.

Strategia di sgrossamento

1. Utilizzare un impegno radiale maggiore, una profondità assiale moderata e utensili in metallo duro robusti. Mantenere un avanzamento sufficientemente elevato da tranciare piuttosto che sfregare.

2. Evitare di ripetere il taglio della stessa superficie. Se la finitura deve rimuovere uno strato indurito dalla lavorazione, utilizzare una leggera passata di rasatura per rimuovere la pelle dura.

Semifinitura

• Ridurre la profondità di taglio e gli avanzamenti per ridurre le forze di taglio e minimizzare l'incrudimento residuo. Verificare la temperatura del pezzo dopo le passate di sgrossatura.

Finitura

• Una leggera profondità di taglio e un basso carico di trucioli producono la migliore integrità della superficie. Un elevato numero di giri con un piccolo spessore di truciolo non tagliato riduce il bordo accumulato e migliora la finitura. Utilizzare inserti in carburo o ceramica a grana fine.

Elevate opzioni di rimozione del materiale

• Fresatura trocoidale: Mantiene basso l'impegno radiale e consente velocità del mandrino più elevate con una maggiore durata dell'utensile. Efficace per la sgrossatura di tasche profonde.

• Fresatura ad alto avanzamento: Quando si utilizzano frese speciali ad alto avanzamento, la produttività aumenta mantenendo le forze di taglio gestibili. La scelta dell'utensile deve corrispondere all'applicazione.

6. Controllo del chip, refrigerante e gestione termica

Il controllo del truciolo e la rimozione del calore determinano la durata dell'utensile più spesso della velocità grezza.

Strategie per il refrigerante

• Inondare il liquido di raffreddamento con olio emulsionato: Aiuta a tenere lontani i trucioli e a ridurre la temperatura dell'utensile in molte officine.

• Refrigerante passante ad alta pressione: Offre una migliore evacuazione dei trucioli e un migliore raffreddamento del tagliente per le punte e gli inserti indicizzabili. L'alta pressione aiuta a rompere i trucioli e a ridurre l'adesione del fianco.

• Lubrificazione a quantità minima: Alcune officine ritengono che l'MQL non sia accettabile per l'HRSA a causa della concentrazione di calore. Utilizzare solo se convalidato.

Tecniche di controllo dei chip

• Utilizzare inserti con una corretta geometria della tasca per trucioli corti e arricciati.

• Evitare trucioli lunghi e sottili che si impaccano e causano un nuovo taglio. Utilizzare rompitrucioli o geometrie di taglio corte.

Controllo termico sulla parte

• Progettare i dispositivi per allontanare il calore. Utilizzare pause nel ciclo solo se il raffreddamento dell'utensile è sufficiente. Evitare l'uso di un utensile rotante ad alta velocità su un lavoro stazionario che può creare un indurimento localizzato.

7. Sistemi di bloccaggio, progettazione di attrezzature, soppressione delle vibrazioni e selezione delle macchine.

Le scelte di macchine e attrezzature moltiplicano l'effetto delle decisioni sugli utensili.

• Macchina utensile rigida: Preferire mandrini rigidi e a bassa rotazione con potenza e coppia sufficienti. I centri di lavoro multiasse con cuscinetti di grandi dimensioni offrono prestazioni migliori.

• Sporgenze solide e corte: Mantenere la sporgenza dell'utensile e del pezzo al minimo per ridurre la deflessione. Se possibile, utilizzare mandrini idraulici o pinze di serraggio per le frese a candela.

• Utensili smorzati: Per gli alberi lunghi e sottili, utilizzare adattatori smorzati o utensili silenziosi per eliminare le vibrazioni. Le soluzioni Sandvik Silent Tools presentano vantaggi documentati per gli alberi HRSA.

• Serraggio rigido e dissipatori di calore: I dispositivi che contattano una superficie significativa contribuiscono ad allontanare il calore dalla zona di taglio e a ridurre la distorsione.

8. Modalità di usura dell'utensile, diagnostica e azioni correttive

Tipi di usura comuni e come reagire:

• Usura del fianco: Perdita progressiva sulla superficie di taglio. Se l'usura del fianco aumenta rapidamente, ridurre la velocità di taglio e verificare la compatibilità del rivestimento. Sostituire gli inserti prima che la scheggiatura del bordo influisca sulla geometria.

• Usura del cratere: Si forma sulla faccia del rastrello a causa della diffusione e dell'usura chimica. Utilizzare rivestimenti che resistono alla diffusione a temperature elevate.

• Adesione e bordo costruito: Se presente, aumentare leggermente la velocità di taglio, ridurre l'avanzamento o cambiare rivestimento. Verificare anche l'efficacia del refrigerante.

• Scheggiatura dei bordi: Spesso è dovuto a tagli interrotti, raggio di affilatura troppo piccolo o portautensili instabili. Utilizzare un substrato dell'inserto più duro, aumentare l'affilatura o stabilizzare il pezzo.

Lista di controllo diagnostica

1. Ispezionare i trucioli: trucioli lunghi e coriacei indicano una scarsa alimentazione o una rottura insufficiente dei trucioli.

2. Ispezionare il bordo con il microscopio: cercare la delaminazione del rivestimento dell'utensile o le microfessure.

3. Misurare il runout del mandrino e la coppia di serraggio del portautensili.

4. Controllare la pressione del refrigerante e il puntamento degli ugelli.

9. Ispezione, integrità della superficie e trattamenti post-processuali

L'integrità della superficie è fondamentale nel settore aerospaziale e nei servizi ad alta temperatura.

• Controlli di microdurezza: La mappatura della microdurezza post-lavorazione può rilevare gli strati induriti dal lavoro creati da un taglio improprio. Se l'aumento della durezza supera le specifiche, eseguire una leggera distensione o affinare le passate di finitura.

• Controllo della sollecitazione residua: Evitare un eccessivo riscaldamento locale e gradienti termici durante la lavorazione. Considerare il trattamento termico di distensione se le tensioni residue minacciano la vita del componente.

• Controllo dimensionale: Utilizzare le passate finali di finitura a basse forze di taglio dopo la stabilizzazione termica del pezzo.

10. Esempi di processo e set di parametri rappresentativi (esempi di casi)

Utilizzare queste ricette campione per la registrazione di prova. Eseguire sempre brevi test di durata dell'utensile e regolare con piccoli incrementi.

Caso A: Tornitura di alberi di medio diametro, barra ricottura, tornio CNC

• Stato del materiale: Inconel 718 ricotto Ø 60 mm.

• Utensili: CNMG 12 04 08, metallo duro a grana fine, PVD TiAlN.

• Passaggio grezzo: Vc 60 m/min, f 0,25 mm/giro, ap 3 mm.

• Passaggio di finitura: Vc 120 m/min, f 0,06 mm/giro, ap 0,3 mm.

• Liquido di raffreddamento: Inondazione con alta pressione diretta al tagliente.

Caso B: Fresatura in tasca su staffa aerospaziale

• Utensili: Fresa in metallo duro integrale da 12 mm, 4 scanalature, TiAlN PVD.

• Sgrossatura trocoidale: ae 1 mm, ap 8 mm, Vc 80 m/min, fz 0,08 mm/dente.

• Finitura: Assiale leggera 0,3 mm, Vc 140 m/min, fz 0,03 mm/dente.

• Refrigerante: Liquido di raffreddamento del mandrino a pressione moderata.

11. Tabelle consolidate di riferimento rapido

Materiali degli utensili e applicazioni tipiche consigliate

12. Domande frequenti

1. L'Inconel 718 può essere lavorato su un normale tornio CNC?
   Sì, se il tornio è sufficientemente rigido e il runout del mandrino è basso. Per ottenere buoni risultati, utilizzare utensili adeguati, refrigerante e sporgenze ridotte.

2. Il materiale ricotto è più facile da lavorare rispetto a quello temprato?
   Sì. Il materiale ricotto ha una resistenza inferiore e garantisce una maggiore durata dell'utensile. Se possibile, specificare la ricottura per la lavorazione di grandi quantità.

3. Quale rivestimento funziona meglio per la tornitura dell'Inconel 718?
   I rivestimenti PVD ricchi di alluminio, come TiAlN e AlCrN, sono molto efficaci. Anche i rivestimenti CVD multistrato hanno buone prestazioni in molte frese. I dati del produttore di utensili devono guidare la scelta finale.

4. Devo usare un liquido di raffreddamento alluvionale o un liquido di raffreddamento passante?
   Il refrigerante passante e l'alta pressione offrono generalmente una migliore evacuazione dei trucioli. Utilizzare il diluvio quando non è disponibile l'utensile passante, ma assicurarsi che il puntamento dell'ugello sia eccellente.

5. Perché i miei utensili si consumano così velocemente?
   Le cause tipiche sono l'insufficienza del refrigerante, l'eccessiva sosta, l'errata geometria dell'utensile o la scarsa rigidità della macchina. Diagnosticare i trucioli e ispezionare i bordi per individuare la causa principale.

6. La fresatura trocoidale è vantaggiosa?
   Sì per le tasche profonde. Riduce l'impegno radiale e la temperatura in prossimità del bordo, prolungando la durata dell'utensile.

7. Devo usare la ceramica per la finitura?
   Le ceramiche possono offrire un'eccellente resistenza all'usura, ma richiedono configurazioni stabili e rigide. Non tollerano gli urti.

8. Come evitare l'indurimento del lavoro?
   Evitare lo sfregamento e i tagli lenti, eseguire una leggera rasatura per rimuovere la pelle indurita prodotta durante la sgrossatura. Mantenere costante la formazione dei trucioli.

9. Esistono punte speciali per l'Inconel 718?
   Sì, le punte in carburo solido o le punte indicizzabili classificate per HRSA con refrigerante passante sono le più indicate. Utilizzare cicli peCK per evitare l'impaccamento dei trucioli.

10. Quale ispezione deve seguire la lavorazione?
    Mappatura della microdurezza per i componenti critici, controllo dimensionale e considerazione delle tensioni residue per i componenti critici per la sicurezza.