Seit der Entdeckung von Titan im Jahr 1790 forschen Menschen seit einem Jahrhundert daran, seine außergewöhnlichen Eigenschaften zu erlangen. Im Jahr 1910 stellte der Mensch erstmals Titanmetall her, doch der Weg zur Anwendung von Titanlegierungen war lang und beschwerlich. Erst 40 Jahre später, im Jahr 1951, wurde die industrielle Produktion endlich realisiert.
Titanlegierungen zeichnen sich durch hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aus. Das Gewicht von Titanlegierungen gleicher Größe beträgt nur 60 % des Gewichts von Stahl, ist aber fester als legierter Stahl. Aufgrund ihrer guten Eigenschaften werden Titanlegierungen zunehmend in der Luft- und Raumfahrt, in Energieerzeugungsanlagen, in der Kernenergie, auf Schiffen, in der Chemie und in medizinischen Geräten eingesetzt.
Gründe für die Schwierigkeit bei der Verarbeitung von Titanlegierungen
Die vier Eigenschaften von Titanlegierungen, wie geringe Wärmeleitfähigkeit, starke Kaltverfestigung, hohe Affinität zu Schneidwerkzeugen und geringe plastische Verformung, sind die wesentlichen Gründe für die Schwierigkeit bei der Verarbeitung von Titanlegierungen. Sein Schnittindex beträgt nur 20 % des Schnittindex von leicht zerspanbarem Stahl.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit einer Titanlegierung beträgt nur etwa 16 % der von 45#-Stahl. Die Wärme kann während der Bearbeitung nicht rechtzeitig abgeführt werden, was zu lokal hohen Temperaturen der Schneidkante führt (die Spitzentemperatur während der Bearbeitung beträgt mehr als das 1-fache der von 45#-Stahl), was leicht zu diffusem Verschleiß des Werkzeugs führt.
Starke Kaltverfestigung
Das Phänomen der Kaltverfestigung von Titanlegierungen ist offensichtlich und die Oberflächenhärtungsschicht ist schwerwiegender als die von rostfreiem Stahl, was zu bestimmten Schwierigkeiten bei der späteren Verarbeitung führt, wie z. B. einer erhöhten Beschädigung der Werkzeuggrenze.
Hohe Affinität zu Werkzeugen
Starke Haftung mit titanhaltigem Hartmetall.
Kleine plastische Verformung
Es beträgt etwa die Hälfte des Elastizitätsmoduls von 45-Stahl, daher ist die elastische Erholung groß und die Reibung schwerwiegend. Gleichzeitig ist das Werkstück auch anfällig für Spannverformungen.
Technische Tipps zur Verarbeitung von Titanlegierungen
Basierend auf dem Verständnis des Verarbeitungsmechanismus von Titanlegierungen und früheren Erfahrungen lauten die wichtigsten Prozesstipps für die Verarbeitung von Titanlegierungen wie folgt:
(1) Verwenden Sie eine Klinge mit positiver Winkelgeometrie, um Schnittkraft, Schnittwärme und Werkstückverformung zu reduzieren.
(2) Halten Sie einen konstanten Vorschub ein, um eine Verhärtung des Werkstücks zu vermeiden. Das Werkzeug sollte sich während des Schneidvorgangs immer im Vorschub befinden. Die radiale Schnitttiefe ae beim Fräsen sollte 30 % des Radius betragen.
(3) Verwenden Sie Schneidflüssigkeit mit hohem Druck und hohem Durchfluss, um die thermische Stabilität des Bearbeitungsprozesses sicherzustellen und Oberflächendegeneration und Werkzeugschäden aufgrund übermäßiger Temperatur zu verhindern.
(4) Halten Sie die Klingenkante scharf. Stumpfe Werkzeuge sind die Ursache für Hitzestau und Verschleiß, die leicht zum Ausfall des Werkzeugs führen können.
(5) Verarbeiten Sie Titanlegierungen möglichst im weichsten Zustand, da das Material nach dem Aushärten schwieriger zu verarbeiten ist. Durch die Wärmebehandlung wird die Festigkeit des Materials erhöht und der Klingenverschleiß erhöht.
(6) Verwenden Sie zum Einschneiden einen großen Werkzeugspitzenradius oder eine Fase und stecken Sie so viel von der Klinge wie möglich in den Schnitt. Dadurch können die Schnittkraft und die Hitze an jedem Punkt reduziert und lokale Schäden verhindert werden. Beim Fräsen von Titanlegierungen hat die Schnittgeschwindigkeit von allen Schnittparametern den größten Einfluss auf die Standzeit, gefolgt von der radialen Schnitttiefe.
Lösen Sie Probleme bei der Titanverarbeitung, indem Sie bei der Klinge beginnen
Der Klingenrillenverschleiß, der bei der Bearbeitung von Titanlegierungen auftritt, ist ein lokaler Verschleiß auf der Vorder- und Rückseite entlang der Schnitttiefenrichtung. Die Ursache liegt oft in der verhärteten Schicht, die durch die vorherige Bearbeitung entstanden ist. Auch die chemische Reaktion und Diffusion zwischen Werkzeug und Werkstückwerkstoff bei einer Bearbeitungstemperatur von über 800 Grad ist eine der Ursachen für die Entstehung von Rillenverschleiß. Denn bei der Bearbeitung sammeln sich die Titanmoleküle des Werkstücks vor der Klinge an und „verschweißen“ sie unter hohem Druck und hoher Temperatur mit der Klinge zu einer Aufbauschneide. Beim Abziehen der Aufbauschneide von der Klinge wird die Hartmetallbeschichtung der Klinge abgetragen. Daher erfordert die Verarbeitung von Titanlegierungen spezielle Klingenmaterialien und -geometrien.
Für die Titanbearbeitung geeignete Werkzeugstruktur
Bei der Verarbeitung von Titanlegierungen steht die Wärme im Mittelpunkt. Um die Wärme schnell abzuführen, muss eine große Menge Hochdruck-Schneidflüssigkeit rechtzeitig und präzise auf die Schneidkante gesprüht werden. Auf dem Markt gibt es einzigartige Fräserstrukturen speziell für die Bearbeitung von Titanlegierungen.
Ausgehend von der spezifischen Bearbeitungsmethode
Drehen
Titanlegierungsprodukte lassen sich beim Drehen leicht mit einer guten Oberflächenrauheit erzielen, und die Kaltverfestigung ist nicht schwerwiegend, aber die Schnitttemperatur ist hoch und das Werkzeug verschleißt schnell. Angesichts dieser Eigenschaften werden hinsichtlich der Werkzeuge und Schnittparameter vor allem folgende Maßnahmen ergriffen:
Werkzeugmaterial: YG6, YG8 und YG10HT werden entsprechend den bestehenden Bedingungen im Werk ausgewählt.
Parameter der Werkzeuggeometrie: geeignete Vorder- und Hinterwinkel des Werkzeugs, abgerundete Werkzeugspitze.
Geringe Schnittgeschwindigkeit, mäßiger Vorschub, große Schnitttiefe, ausreichende Kühlung, die Werkzeugspitze darf beim Drehen des Außenkreises nicht höher als die Werkstückmitte sein, sonst kann es leicht zum Feststecken kommen. Beim Schlichten und Drehen dünnwandiger Teile sollte der Hauptablenkwinkel des Werkzeugs groß sein, im Allgemeinen 75 bis 90 Grad.
Mahlen
Das Fräsen von Titanlegierungsprodukten ist schwieriger als das Drehen, da es sich beim Fräsen um einen intermittierenden Schnitt handelt und die Späne leicht an der Klinge haften bleiben. Wenn die klebrigen Spänezähne erneut in das Werkstück einschneiden, werden die klebrigen Späne abgeschlagen und nehmen ein kleines Stück Werkzeugmaterial mit, wodurch eine gebrochene Kante entsteht, was die Haltbarkeit des Werkzeugs erheblich verringert.
Fräsmethode: Im Allgemeinen Gleichlauffräsen verwenden.
Werkzeugmaterial: Schnellarbeitsstahl M42.
Im Allgemeinen wird bei der Verarbeitung von legiertem Stahl kein Gleichlauffräsen eingesetzt. Aufgrund des Einflusses des Spalts zwischen der Leitspindel der Werkzeugmaschine und der Mutter wirkt der Fräser beim Gleichlauffräsen auf das Werkstück und die Kraft in Vorschubrichtung ist dieselbe wie die Vorschubrichtung, was leicht zum Werkstück führen kann Der Tisch bewegt sich intermittierend, wodurch der Fräser bricht. Beim Gleichlauffräsen treffen die Fräserzähne beim Einschneiden auf die harte Haut und führen zum Bruch des Fräsers. Da die Späne beim Rückwärtsfräsen jedoch von dünn bis dick sind, neigt der Fräser beim ersten Einschneiden zur Trockenreibung mit dem Werkstück, was das Festkleben und Absplittern des Fräsers verschlimmert. Um Titanlegierungen reibungslos zu fräsen, ist außerdem zu beachten, dass der vordere Winkel verringert und der hintere Winkel im Vergleich zum allgemeinen Standardfräser vergrößert werden sollte. Die Fräsgeschwindigkeit sollte niedrig sein, es sollten möglichst scharfzahnige Fräser verwendet werden und der Einsatz von Schaufelzahnfräsern sollte vermieden werden.
Klopfen
Da die Späne beim Gewindeschneiden von Titanlegierungsprodukten klein sind, können sie leicht an der Klinge und dem Werkstück haften bleiben, was zu einem großen Rauheitswert und einem hohen Drehmoment auf der bearbeiteten Oberfläche führt. Eine falsche Auswahl und unsachgemäße Bedienung der Gewindebohrer beim Gewindeschneiden kann leicht zu Kaltverfestigung, extrem geringer Verarbeitungseffizienz und gelegentlichem Bruch des Gewindebohrers führen.
Es ist notwendig, der Verwendung eines Gewindebohrers mit einem Gewinde Vorrang einzuräumen. Die Anzahl der Zähne sollte geringer sein als die eines Standard-Gewindebohrers, im Allgemeinen 2 bis 3 Zähne. Der Schneidkegelwinkel sollte groß sein und der Kegelteil ist im Allgemeinen 3 bis 4 Gewindegänge lang. Um die Spanabfuhr zu erleichtern, kann am Schneidkegelteil auch ein negativer Winkel geschliffen werden. Versuchen Sie, mit kurzen Schlägen die Steifigkeit des Konus zu erhöhen. Der umgekehrte Kegelteil des Kegels sollte entsprechend größer als der Standardkegel sein, um die Reibung zwischen dem Gewindebohrer und dem Werkstück zu verringern.
Reiben
Der Werkzeugverschleiß ist beim Reiben von Titanlegierungen nicht gravierend und es können sowohl Reibahlen aus Hartmetall als auch aus Schnellarbeitsstahl verwendet werden. Bei der Verwendung von Hartmetall-Reibahlen sollte die Steifigkeit des Prozesssystems ähnlich wie beim Bohren übernommen werden, um ein Abplatzen der Reibahle zu verhindern. Das Hauptproblem beim Reiben von Titanlegierungen besteht darin, dass das Reibfinish nicht gut ist. Die Breite der Reibahlenklinge muss mit einem Ölstein verengt werden, um ein Festkleben der Klinge an der Lochwand zu verhindern, es muss jedoch auf ausreichende Festigkeit geachtet werden. Im Allgemeinen beträgt die Klingenbreite 0,1 bis 0,15 mm.
Der Übergang zwischen der Schneidkante und dem Kalibrierteil sollte ein glatter Bogen sein. Nach dem Verschleiß sollte es rechtzeitig repariert werden und die Größe des Bogens jedes Zahns sollte gleichbleibend sein. Bei Bedarf kann der Kalibrieranteil des Rückkegels vergrößert werden.
Bohren
Das Bohren von Titanlegierungen ist schwierig, und während der Bearbeitung kommt es häufig zu Verbrennungen und Brüchen des Bohrers. Dies ist hauptsächlich auf mehrere Gründe zurückzuführen, wie z. B. schlechtes Schleifen des Bohrers, vorzeitige Spanentfernung, schlechte Kühlung und geringe Steifigkeit des Prozesssystems. Daher sollte beim Bohren von Titanlegierungen auf einen angemessenen Bohrerschliff, einen großen Spitzenwinkel, einen verringerten Vorderkantenwinkel der Außenkante, einen vergrößerten Hinterkantenwinkel der Außenkante geachtet werden und die hintere Verjüngung sollte auf das 2- bis 3-fache des Werts erhöht werden Standardbohrer. Ziehen Sie das Werkzeug häufig zurück und entfernen Sie die Späne rechtzeitig. Achten Sie dabei auf die Form und Farbe der Späne. Wenn die Späne beim Bohren federartig erscheinen oder sich die Farbe ändern, bedeutet das, dass der Bohrer stumpf ist und das Werkzeug rechtzeitig gewechselt und geschärft werden sollte.
Die Bohrlehre sollte auf der Werkbank befestigt werden, die Oberfläche des Führungsmessers der Bohrlehre sollte nahe an der Bearbeitungsfläche liegen und es sollte versucht werden, einen kurzen Bohrer zu verwenden. Ein weiterer erwähnenswerter Punkt besteht darin, dass sich der Bohrer beim manuellen Vorschub im Loch nicht vorwärts oder rückwärts bewegen darf, da sonst die Bohrklinge an der Bearbeitungsoberfläche reibt, was zur Kaltverfestigung führt und den Bohrer stumpf macht.
Schleifen
Ein häufiges Problem beim Schleifen von Titanlegierungsteilen besteht darin, dass klebrige Späne zum Blockieren der Schleifscheibe und zu Verbrennungen an der Oberfläche des Teils führen. Der Grund dafür ist, dass die Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung schlecht ist, was zu hohen Temperaturen im Schleifbereich führt, so dass die Titanlegierung und das Schleifmittel gebunden werden, diffundieren und stark chemisch reagieren. Anhaftende Späne und Schleifscheibenverstopfungen führen zu einer deutlichen Verringerung des Schleifverhältnisses. Durch Diffusion und chemische Reaktion wird die Oberfläche des Werkstücks verbrannt, was zu einer Verringerung der Ermüdungsfestigkeit der Teile führt, was beim Schleifen von Gussteilen aus Titanlegierungen deutlicher zu erkennen ist.
Um dieses Problem zu lösen, werden folgende Maßnahmen ergriffen:
Geeignetes Schleifscheibenmaterial auswählen: grünes Siliziumkarbid TL. Etwas geringere Schleifscheibenhärte: ZR1.
Die Schneidbearbeitung von Titanlegierungsmaterialien muss unter den Aspekten Werkzeugmaterialien, Schneidflüssigkeiten und Verarbeitungsparameter gesteuert werden, um die Gesamteffizienz der Titanlegierungsmaterialbearbeitung zu verbessern.
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