Seit der Entdeckung von Titan im Jahr 1790 erforschen Menschen seit über einem Jahrhundert seine außergewöhnlichen Eigenschaften. Im Jahr 1910 wurde erstmals Titanmetall hergestellt, doch der Weg zur Verwendung von Titanlegierungen war lang und herausfordernd. Erst 1951 wurde die industrielle Produktion Realität.
Titanlegierungen sind für ihre hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit bekannt. Sie wiegen bei gleichem Volumen nur 60 % so viel wie Stahl, sind aber fester als legierter Stahl. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften werden Titanlegierungen zunehmend in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung, der Kernenergie, der Schifffahrt, der Chemie und der medizinischen Ausrüstung.
Gründe, warum Titanlegierungen schwer zu verarbeiten sind
Die vier Hauptmerkmale von Titanlegierungen – niedrige Wärmeleitfähigkeit, erhebliche Kaltverfestigung, hohe Affinität zu Schneidwerkzeugen und begrenzte plastische Verformung – sind Hauptgründe dafür, dass diese Materialien schwierig zu verarbeiten sind. Ihre Schneidleistung beträgt nur etwa 20 % der von leicht zerspanbarem Stahl.
Geringe Wärmeleitfähigkeit
Titanlegierungen haben eine Wärmeleitfähigkeit, die nur etwa 16 % der von 45#-Stahl beträgt. Diese eingeschränkte Fähigkeit zur Wärmeableitung während der Bearbeitung führt zu einem deutlichen Temperaturanstieg an der Schneidkante; Tatsächlich kann die Spitzentemperatur während der Verarbeitung die von 45#-Stahl um mehr als 100 % übersteigen. Diese erhöhte Temperatur führt leicht zu diffusem Verschleiß am Schneidwerkzeug.
Starke Kaltverfestigung
Titanlegierungen weisen ein erhebliches Kaltverfestigungsphänomen auf, was im Vergleich zu rostfreiem Stahl zu einer ausgeprägteren Oberflächenhärtungsschicht führt. Dies kann zu Herausforderungen bei der Weiterverarbeitung führen, beispielsweise zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß.
Hohe Affinität zu Schneidwerkzeugen
Starke Haftung mit titanhaltigem Hartmetall.
Kleine plastische Verformung
Der Elastizitätsmodul von 45-Stahl beträgt etwa die Hälfte, was zu einer erheblichen elastischen Erholung und starker Reibung führt. Darüber hinaus ist das Werkstück anfällig für Spannverformungen.
Technologische Tipps zur Bearbeitung von Titanlegierungen
Basierend auf unserem Verständnis der Bearbeitungsmechanismen für Titanlegierungen und früheren Erfahrungen sind hier die wichtigsten technologischen Empfehlungen für die Bearbeitung dieser Materialien:
- Verwenden Sie Klingen mit positiver Winkelgeometrie, um die Schnittkräfte zu minimieren, die Schnittwärme zu reduzieren und die Verformung des Werkstücks zu verringern.
- Halten Sie eine konstante Vorschubgeschwindigkeit ein, um eine Verhärtung des Werkstücks zu verhindern. Während des Schneidvorgangs sollte sich das Werkzeug immer im Vorschub befinden. Beim Fräsen sollte die radiale Schnitttiefe (ae) 30 % des Werkzeugradius betragen.
- Verwenden Sie Schneidflüssigkeiten mit hohem Druck und hohem Durchfluss, um die thermische Stabilität während der Bearbeitung sicherzustellen und Oberflächendegeneration und Werkzeugschäden durch zu hohe Temperaturen zu verhindern.
- Halten Sie die Klingenkante scharf. Stumpfe Werkzeuge können zu Hitzestau und erhöhtem Verschleiß führen, wodurch sich das Risiko eines Werkzeugausfalls deutlich erhöht.
- Bearbeiten Sie Titanlegierungen möglichst im weichsten Zustand.CNC-Bearbeitungwird nach dem Aushärten schwieriger, da die Wärmebehandlung die Festigkeit des Materials erhöht und den Messerverschleiß beschleunigt.
- Verwenden Sie beim Schneiden einen großen Spitzenradius oder eine Fase, um die Kontaktfläche der Klinge zu maximieren. Diese Strategie kann die Schnittkräfte und die Hitze an jedem Punkt reduzieren und so dazu beitragen, lokale Brüche zu verhindern. Beim Fräsen von Titanlegierungen hat die Schnittgeschwindigkeit den größten Einfluss auf die Standzeit, gefolgt von der radialen Schnitttiefe.
Lösen Sie Probleme bei der Titanverarbeitung, indem Sie bei der Klinge beginnen.
Der Verschleiß der Klingennut, der bei der Bearbeitung von Titanlegierungen auftritt, ist ein lokaler Verschleiß, der entlang der Vorder- und Rückseite der Klinge auftritt und der Richtung der Schnitttiefe folgt. Dieser Verschleiß wird häufig durch eine gehärtete Schicht verursacht, die von früheren Bearbeitungsprozessen übrig geblieben ist. Darüber hinaus tragen chemische Reaktionen und Diffusion zwischen Werkzeug und Werkstückmaterial bei Verarbeitungstemperaturen über 800 °C zur Entstehung von Rillenverschleiß bei.
Während der Bearbeitung können sich aufgrund des hohen Drucks und der hohen Temperatur Titanmoleküle aus dem Werkstück vor der Klinge ansammeln, was zu einem Phänomen führt, das als Aufbauschneide bezeichnet wird. Wenn sich diese Aufbauschneide von der Klinge löst, kann sie die Hartmetallbeschichtung auf der Klinge entfernen. Daher erfordert die Verarbeitung von Titanlegierungen den Einsatz spezieller Klingenmaterialien und -geometrien.
Für die Titanbearbeitung geeignete Werkzeugstruktur
Bei der Verarbeitung von Titanlegierungen geht es in erster Linie um den Umgang mit der Wärme. Um die Wärme effektiv abzuleiten, muss eine erhebliche Menge Hochdruck-Schneidflüssigkeit präzise und zeitnah auf die Schneidkante aufgetragen werden. Darüber hinaus stehen spezielle Fräserkonstruktionen zur Verfügung, die speziell auf die Bearbeitung von Titanlegierungen zugeschnitten sind.
Ausgehend von der spezifischen Bearbeitungsmethode
Drehen
Titanlegierungsprodukte können beim Drehen eine gute Oberflächenrauheit erreichen und die Kaltverfestigung ist nicht schwerwiegend. Allerdings ist die Schnitttemperatur hoch, was zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führt. Um diese Eigenschaften anzugehen, konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die folgenden Maßnahmen in Bezug auf Werkzeuge und Schnittparameter:
Werkzeugmaterialien:Basierend auf den bestehenden Bedingungen im Werk werden die Werkzeugmaterialien YG6, YG8 und YG10HT ausgewählt.
Parameter der Werkzeuggeometrie:Geeignete vordere und hintere Werkzeugwinkel, Tooltip-Rundung.
Beim Drehen des Außenkreises ist es wichtig, eine niedrige Schnittgeschwindigkeit, einen moderaten Vorschub, eine größere Schnitttiefe und eine ausreichende Kühlung einzuhalten. Die Werkzeugspitze sollte nicht höher als die Mitte des Werkstücks sein, da dies zum Festklemmen des Werkstücks führen kann. Darüber hinaus sollte beim Schlichten und Drehen dünnwandiger Teile der Hauptablenkwinkel des Werkzeugs im Allgemeinen zwischen 75 und 90 Grad liegen.
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 Zähne erneut in das Werkstück schneiden, werden die klebrigen Späne abgeschlagen und ein kleines Stück Werkzeugmaterial mitgerissen, was zu Absplitterungen führt, was die Haltbarkeit des Werkzeugs erheblich verringert.
Fräsmethode:Verwenden Sie im Allgemeinen das Gleichlauffräsen.
Werkzeugmaterial:Schnellarbeitsstahl M42.
Gleichlauffräsen wird normalerweise nicht zur Bearbeitung von legiertem Stahl eingesetzt. Dies ist hauptsächlich auf den Einfluss des Spalts zwischen der Leitspindel der Werkzeugmaschine und der Mutter zurückzuführen. Während des Gleichlauffräsens greift der Fräser in das Werkstück ein und die Kraftkomponente in Vorschubrichtung richtet sich nach der Vorschubrichtung selbst. Diese Ausrichtung kann zu intermittierenden Bewegungen des Werkstücktisches führen, wodurch die Gefahr eines Werkzeugbruchs steigt.
Darüber hinaus treffen die Fräserzähne beim Gleichlauffräsen an der Schneidkante auf eine harte Schicht, die zu Werkzeugschäden führen kann. Beim Rückwärtsfräsen wechseln die Späne von dünn zu dick, wodurch die anfängliche Schnittphase anfällig für Trockenreibung zwischen Werkzeug und Werkstück ist. Dies kann die Spananhaftung und das Abplatzen des Werkzeugs verstärken.
Um ein gleichmäßigeres Fräsen von Titanlegierungen zu erreichen, sollten mehrere Überlegungen berücksichtigt werden: Reduzierung des Vorderwinkels und Vergrößerung des Hinterwinkels im Vergleich zu Standardfräsern. Es empfiehlt sich, niedrigere Fräsgeschwindigkeiten zu verwenden und sich für scharfzahnige Fräser zu entscheiden, Schaufelzahnfräser jedoch zu meiden.
Klopfen
Beim Gewindeschneiden von Produkten aus Titanlegierungen können kleine Späne leicht an der Klinge und dem Werkstück haften bleiben. Dies führt zu einer erhöhten Oberflächenrauheit und einem erhöhten Drehmoment. Eine unsachgemäße Auswahl und Verwendung von Gewindebohrern kann zur Kaltverfestigung führen, eine sehr geringe Verarbeitungseffizienz zur Folge haben und gelegentlich zum Bruch des Gewindebohrers führen.
Um das Gewindeschneiden zu optimieren, empfiehlt es sich, vorrangig ein übersprungenes Gewindeschneiden mit nur einem Gewindegang zu verwenden. Die Anzahl der Zähne am Gewindebohrer sollte geringer sein als die eines Standard-Gewindebohrers, typischerweise etwa 2 bis 3 Zähne. Ein größerer Schneidkegelwinkel wird bevorzugt, wobei der Kegelabschnitt im Allgemeinen 3 bis 4 Gewindelängen misst. Um die Spanabfuhr zu erleichtern, kann auch ein negativer Neigungswinkel auf den Schneidkegel geschliffen werden. Die Verwendung kürzerer Gewindebohrer kann die Steifigkeit des Konus erhöhen. Darüber hinaus sollte der Gegenkegel etwas größer als der Standard sein, um die Reibung zwischen Kegel und Werkstück zu verringern.
Reiben
Beim Reiben von Titanlegierungen ist der Werkzeugverschleiß im Allgemeinen nicht schwerwiegend, sodass sowohl Reibahlen aus Hartmetall als auch aus Schnellarbeitsstahl verwendet werden können. Bei der Verwendung von Hartmetall-Reibahlen muss unbedingt auf eine Steifigkeit des Prozesssystems, ähnlich wie beim Bohren, geachtet werden, um ein Abplatzen der Reibahle zu verhindern.
Die größte Herausforderung beim Reiben von Löchern aus Titanlegierungen besteht darin, eine glatte Oberfläche zu erzielen. Um ein Festkleben der Klinge an der Lochwand zu vermeiden, sollte die Breite der Reibahlenklinge mit einem Ölstein vorsichtig verkleinert werden und dennoch eine ausreichende Festigkeit gewährleistet sein. Typischerweise sollte die Klingenbreite zwischen 0,1 mm und 0,15 mm liegen.
Der Übergang zwischen der Schneidkante und dem Kalibrierabschnitt sollte einen glatten Bogen aufweisen. Nach dem Verschleiß ist eine regelmäßige Wartung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Bogengröße jedes Zahns konstant bleibt. Bei Bedarf kann der Kalibrierungsbereich für eine bessere Leistung vergrößert werden.
Bohren
Das Bohren von Titanlegierungen stellt erhebliche Herausforderungen dar und führt häufig dazu, dass Bohrer während der Bearbeitung verbrennen oder brechen. Dies ist in erster Linie auf Probleme wie unsachgemäßes Schleifen des Bohrers, unzureichende Spanabfuhr, unzureichende Kühlung und schlechte Systemsteifigkeit zurückzuführen.
Um Titanlegierungen effektiv zu bohren, ist es wichtig, sich auf die folgenden Faktoren zu konzentrieren: Stellen Sie sicher, dass der Bohrer richtig geschliffen ist, verwenden Sie einen größeren Spitzenwinkel, verringern Sie den Vorderwinkel der Außenkante, erhöhen Sie den Hinterwinkel der Außenkante und passen Sie die hintere Verjüngung an 2- bis 3-mal so viel wie ein Standardbohrer. Es ist wichtig, das Werkzeug häufig zurückzuziehen, um die Späne umgehend zu entfernen und gleichzeitig die Form und Farbe der Späne zu überwachen. Sehen die Späne federartig aus oder ändern sich ihre Farbe während des Bohrens, ist das ein Zeichen dafür, dass der Bohrer stumpf wird und ausgetauscht oder geschärft werden sollte.
Darüber hinaus muss die Bohrlehre sicher auf der Werkbank befestigt werden, wobei sich das Führungsmesser nahe an der Bearbeitungsfläche befindet. Es empfiehlt sich, nach Möglichkeit einen kurzen Bohrer zu verwenden. Beim manuellen Vorschub ist darauf zu achten, dass der Bohrer im Bohrloch weder vor- noch zurückgezogen wird. Dies kann dazu führen, dass die Bohrschneide an der Bearbeitungsoberfläche reibt, was zur Kaltverfestigung und zur Abstumpfung des Bohrers führt.
Schleifen
Häufige Probleme beim SchleifenTeile aus CNC-TitanlegierungHierzu zählen Verstopfungen der Schleifscheibe durch festsitzende Späne und oberflächliche Verbrennungen an den Teilen. Dies liegt daran, dass Titanlegierungen eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, was zu hohen Temperaturen in der Schleifzone führt. Dies wiederum führt zu Bindungen, Diffusion und starken chemischen Reaktionen zwischen der Titanlegierung und dem Schleifmaterial.
Das Vorhandensein von klebrigen Spänen und verstopften Schleifscheiben verringert den Schleifgrad erheblich. Darüber hinaus können Diffusion und chemische Reaktionen zu Oberflächenverbrennungen am Werkstück führen, die letztendlich die Dauerfestigkeit des Teils verringern. Besonders ausgeprägt ist dieses Problem beim Schleifen von Gussteilen aus Titanlegierungen.
Um dieses Problem zu lösen, werden folgende Maßnahmen ergriffen:
Wählen Sie das passende Schleifscheibenmaterial: grünes Siliziumkarbid TL. Etwas geringere Schleifscheibenhärte: ZR1.
Das Schneiden von Titanlegierungsmaterialien muss durch Werkzeugmaterialien, Schneidflüssigkeiten und Verarbeitungsparameter gesteuert werden, um die Gesamteffizienz der Verarbeitung zu verbessern.
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Heißer Verkauf: Fabrik in China produziertCNC-Drehkomponentenund kleine CNCFrästeile.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. Okt. 2024