Testen met volhardmetalen boor met verbeterd ontwerpt opent nieuwe mogelijkheden gatkwaliteit

“Meet tweemaal en snij eenmaal,” is een gangbare uitdrukking in de maakindustrie, maar het is gemakkelijker gezegd dan gedaan bij het bewerken van moeilijke materialen. Daarom nam, toen een vooraanstaande wereldwijde fabrikant in de lucht- en ruimtevaart op zoek was naar het elimineren van een complete tweede fase van haar boorprocessen, en tegelijkertijd het verbeteren van de gatkwaliteit van haar lucht- en ruimtevaart componenten, deze contact op met de wereldwijde leider op het gebied van verspaningstechniek. Hier legt James Thorpe, wereldwijde productmanager bij Sandvik Coromant uit, hoe het ontwerp van een boor essentieel is voor het produceren van gaten van een betere kwaliteit.

Het maken van gaten is het meest voorkomende van alle bewerkingsprocessen, maar ook het proces dat als het meest vanzelfsprekend wordt beschouwd. Veel machinewerkplaatsen zien weinig redenen voor het wijzigen of upgraden van hun bestaande configuratie voor het maken van gaten en gebruiken al jaren dezelfde gereedschappen en snijparameters. Maar met de aanhoudende onvoorspelbare effecten van COVID-19, lijkt het erop dat dit gaat veranderen.

De meest recente McKinsey & Company’s COVID-19: briefing note noemt de huidige situatie in de industrie een “volgende normaal”, waar fabrikanten onvoorspelbare en blijvende verschuivingen kunnen verwachten in de markten van klanten. Het rapport adviseert dat “veerkracht nodig is wanneer fabrikanten een economisch en sociaal rendabel pad willen bewandelen.”

De meeste fabrikanten bijvoorbeeld proberen nieuwe leveranciersbases en producten. Dus, machinewerkplaatsen die ooit waren gespecialiseerd in een bepaald productiegebied openen nu hun CNC-draaibanken en freesmachines voor een breder scala aan moeilijke en uitdagende materialen. Tegelijkertijd moeten fabrikanten nieuwe wegen bewandelen om winsten te verhogen en cyclustijden te reduceren, zonder de productkwaliteit op te offeren. 

Het witte spul 

Integriteit van het gatoppervlak is een echte zorg voor fabrikanten in de lucht- en ruimtevaart, of algemene technische bedrijven die willen diversificeren naar de lucht- en ruimtevaart. Een betere gatkwaliteit is van vitaal belang voor het voorkomen dat componenten defect raken en wordt in grote mate bepaald door de productieprocessen die worden gebruikt voor het bewerken of nabewerken van de gaten.

Gereedschapsoplossingen en snijkantgeometrieën in boren, ontwikkelen zich constant om te voldoen aan de hoogste standaarden voor productie en componentkwaliteit. Het gebruik van koelmiddel zorgt ook voor een afname van de hitte-opbouw in het gereedschap. En testen hebben aangetoond dat elk van deze factoren het zogenaamde “witte laag” effect op werkstukmaterialen kunnen reguleren. 

De term “white layer” (witte laag) werd voor het eerst gebruikt door een vooraanstaande wereldwijde producent in de lucht- en ruimtevaart die tevens klant is van Sandvik Coromant. Het verwijst naar een dunne, ultrafijne korrelstructuur die kan worden waargenomen na het boren van een component, veroorzaakt door de hitte van de boor. De witte laag kan niet alleen de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal wijzigen, het werd ook als onacceptabel beschouwd in de kwalteitsbeheersingsprocessen van de klant. 

De fabrikant past een strikt proces voor het afwerken van gaten toe op geboorde gaten in lucht- en ruimtevaartcomponenten, waaronder turbineschoepen, compressoren, trommels en assen. Daarom werd er gekozen om samen te werken met Sandvik Coromant om te onderzoeken waarom de witte laag zich vormt en hoe deze laag te reguleren. 

Het is belangrijk op te merken dat deze testen niet slechts door het kwaliteitsmanagement werden gemotiveerd. Op het niveau van het senior management wilde de klant zijn totale operationele tijd reduceren en winsten vergroten, door een compleet secundair bewerkingsproces te elimineren. 

Tweede akte

Het secundaire proces vindt plaats nadat een gat is gemaakt met de hardmetalen boor en kan ruimen, plungefrezen of frezen omvatten om het component na te bewerken. De secundaire fase vindt voornamelijk plaats om te voldoen aan de oppervlakte-integriteitsvereisten — het reduceren van problemen zoals de witte laag — in plaats van maatnauwkeurigheid, met de uitzondering van het bewerken van gaten met nauwe maattoleranties.

Gezien vanuit een algeheel kostengezichtspunt is het secundaire proces nog duurder dan het handhaven van lage snijgegevens, hetgeen de andere manier is voor het behouden van de oppervlakte-integriteit. Daarom wilde de klant van Sandvik Coromant onderzoeken of ze het hele proces achterwege konden laten. Een leverancier met een product dat een gat overeenkomstig de maat maakt, zonder enige secundaire processen, bevindt zich in een zakelijk sterke positie om de kosten per component significant te reduceren.

Het onderzoek naar de oorzaken, en mogelijke preventie van de witte laag omvatten vier testen in het boren in het sterke nikkelchroom materiaal Inconel 718, een populair lucht- en ruimtevaart materiaal. Het was voor het eerst dat een dergelijk onderzoek werd uitgevoerd door de klant.

De testen beoordeelden het boren met twee volhardmetalen boren van Sandvik Coromant, de CoroDrill R840 en de CoroDrill R846. Elk van deze werd gebruikt met twee verschillende sets van snijparameters: 58 mm/min en 98 mm/min respectievelijk en rotatiesnelheid 829 omw./min en 757 omw./min respectievelijk. Snijkracht- en koppeldata werden gemeten gedurende de testen, net als de dikte van de witte laag.

Sinds deze testen, is R840 opgevolgd door de CoroDrill® 860 met -GM geometrie en R846 is opgevolgd door de CoroDrill® 860 met -SM geometrie. Elk van deze volgende generatie gereedschappen is ontworpen voor het nog verder verbeteren van de standtijd, zonder nadelige gevolgen voor de gatkwaliteit.

De uitkomsten boden enkele waardevolle inzichten in wat de dikte van de witte laag veroorzaakt. Opmerkelijk was dat de R846 minder witte laag veroorzaakte, dankzij de voorbereiding van haar gebogen en radiale snijkanten. Tegelijkertijd is de overtuiging dat de rechte snijkanten en aanschuining op de snijkant van de R840 zijn gerelateerd aan de toename in snijkracht, koppel en de dikte van de witte laag. Dus het ontwerp van de boor bepaalt of een goede gatkwaliteit, met een gereduceerde witte laag kan worden bereikt zonder dat dit ten kosten gaat van de snijgegevens. 

Niet alleen onthulden de testen van de wereldwijde producent op het gebied van de lucht- en ruimtevaart enkele zaken omtrent de witte laag, het bedrijf was ook in staat enkele secundaire processen te elimineren zoals ruimen en plunge-frezen, hetgeen heeft geresulteerd in tijd- en kostenvoordelen. Wat belangrijker is, de resultaten hebben ook het ontwerp gevalideerd van Sandvik Coromant’s CoroDrill® 860 programma van hardmetalen boren.

Beter qua ontwerp 

Het programma omvat de hierboven genoemde CoroDrill 860 met -GM (CD860-GM) geometrie, ontworpen om een goede allrounder te zijn voor het boren in uitdagende ISO P-, M-, K- en H-materialen in alle sectoren van de industrie. En tevens de CoroDrill 860 met -SM geometrie (CD860-SM), voor het bewerken van ISO-S hardmetaalsoorten zoals superlegeringen (HRSA’s), titanium en Inconel. De laatst genoemde boor is zeer populair gebleken in de lucht- en ruimtevaart.

Met de CD860-GM en CD860-SM, pasten de Sandvik Coromant ingenieurs het ethos toe dat een langere standtijd en een betere gatkwaliteit terug te voeren is op het ontwerp van de boor. De CD860-GM is voorzien van een innovatief gepolijst spaangroefontwerp dat de spaanafvoer verbetert, een hoge kernsterkte kent en snijkrachten tijdens het boren reduceert. 

De CD860-SM heeft ondertussen een nieuwe hardmetaalsoort en een geoptimaliseerde en verfijnde puntgeometrie, welke de standtijd verder verbeterd bij het werken met moeilijk te bewerken HRSA materialen. Het resultaat is een betere gatkwaliteit.

De CoroDrill 860 heeft zich al bewezen in pre-market testen in een scala aan sectoren. Een machinebouwer in Frankrijk zette de CD860-GM aan het werk op AISI 4140 constructiestaal. Deze was in staat om kwaliteitsgaten te maken met zowel een concave als convexe intrede van de boor, met een goede rechtheid en tolerantie. Het bedrijf is sindsdien een nieuwe zakelijke relatie aangegaan met Sandvik Coromant. 

Een andere klant van Sandvik Coromant, een Italiaanse algemeen technische fabrikant, realiseerde een productiviteitstoename van meer dan 45% bij het gebruik van de CD860-GM bij het bewerken van de sterke staallegering 34CrNiMo6, versus het gebruik van een boor van de concurrent. Deze realiseerde ook een 100% langere standtijd. Ergens anders heeft de CD860-SM indrukwekkende resultaten opgeleverd bij het bewerken van Inconel 718. Met name testen uitgevoerd in Katowice, Polen, konden een 180% verbeterde standtijd realiseren met de CD860-SM versus het gebruik van de CoroDrill R840.

Ongeacht de sector — of het nu gaat om lucht- en ruimtevaart, algemene techniek of andere gebieden — goede gereedschapsprestaties kunnen worden bereikt wanneer de boor correct is ontworpen voor dat doel. Tevens kunnen extra online hulpmiddelen zoals Sandvik Coromant’s CoroPlus® Gereedschapsgids extra ondersteuning bieden. Door de tool te openen via een web browser en het gewenste werkstukmateriaal, de gatdiameter en -diepte in te voeren, kunnen gebruikers het beste volhardmetalen ronde gereedschap en snijgegevens vinden voor hun vereisten.

Hoewel “tweemaal meten, eenmaal snijden” -boren nog niet is gerealiseerd, helpende prestaties van de CD860-GM en CD860-SM fabrikanten bij het heroverwegen van de manier waarop ze gaten maken.