Neueste Drehen technologie fuer Titan-Teile
Die besonderen Eigenschaften von Titanlegierungen machen es zu einem immer beliebteren Anwendungsgebiet. Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, hervorragende Zähigkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Titanlegierungen können zur Herstellung von medizinischen Implantaten, Golfschlägerköpfen und Militärpanzerungen verwendet werden.
Das Drehen von Titanlegierungsteilen ist jedoch sehr schwierig, was die Bearbeitungstechniker entmutigt. Sie glauben, dass die Superleistung von Titanlegierungen die "Fähigkeit" seiner Bearbeitbarkeit stark verringert, was seinen Schneidprozess extrem herausfordernd macht.
Obwohl diese Ansicht sinnvoll ist, ist sie nicht umfassend. Dieser Artikel befasst sich mit der neuesten Drehstrategie für Titanlegierungen. Für Zerspanungstechniker ist es hilfreich, schwer zerspanbare Werkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungen (z. B. Rennsportteile, Unterwasseratemgeräte usw.) zu bearbeiten und neue Schneidtechniken anzuwenden.
BillHeadland, ein leitender Projektspezialist bei RTI International Metals, einem Hersteller von Titanlegierungen, wies darauf hin. Obwohl viele Verarbeitungsbetriebe die Titanverarbeitung als einen ängstlichen Weg betrachten, decken Titanlegierungen eine breite Palette von Produkten ab. Sie müssen jedoch wissen, welche Sie verarbeiten. Titanlegierungen haben viele Qualitäten, von denen einige schwer zu bearbeiten sind, andere nicht. Im Handel erhältliches reines Titan (CP-Qualität) ist ein nicht legiertes Material, das üblicherweise bei der Herstellung von medizinischen Teilen, Wärmetauschern und Brillengestellen verwendet wird. CP-Typen weisen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und sind relativ einfach zu verarbeiten. Im Vergleich zu anderen Titanlegierungen ist seine Festigkeit jedoch sehr gering und es ist klebrig und weich.
Nach der Zugabe der Legierung zu reinem Titan ändert sich die Kristallphase (Kristallstruktur) und auch die Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit des Materials. Die α-Titanlegierung und die Quasi-α-Titanlegierung enthalten Additive wie Nickel, Aluminium und Vanadium. Die Zerspanbarkeit dieser Zwischenqualitäten von Titanlegierungen ist recht gut. Alpha-Beta-Titansorten können mehr Aluminium und Vanadium enthalten. Die industrielle Haupttitanlegierung Ti6Al4V ist eine Alpha-Beta-Titanlegierungssorte, die etwa 6% Aluminium und 4% Vanadium enthält. Ti6Al4V und seine Varianten machen etwa 50 bis 70% der derzeit verwendeten Titanlegierungen aus.
Eine Titanlegierung der Beta-Klasse mit Eisen-, Chrom- und anderen Inhaltsstoffen ist eine der am schwierigsten zu verarbeitenden Qualitäten. Aufgrund der hohen Bruchzähigkeit und der hervorragenden Beständigkeit gegen Ermüdung bei hohen Zyklen ähneln die mechanischen Eigenschaften der Beta-Typen Hastelloys Nickelbasislegierungen und ähnlichen Materialien. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Herstellung einer leichten Feder, mit der ein zusammenklappbares Heck einer taktischen Unterwasserrakete ausgelöst wird.
Verschiedene Titanlegierungen weisen unterschiedliche Schneideigenschaften auf. Einige Leute glauben, dass die Zeit, die für die Bearbeitung eines Ti6Al4V-Werkstücks benötigt wird, in der Regel das Dreifache der Zeit eines Stahlstücks beträgt. Andere sagen, dass die Zeit, die zum Bearbeiten eines Ti5553 Beta-Werkstücks benötigt wird, doppelt so lang ist wie die Zeit, die zum Bearbeiten eines Ti6Al4V-Werkstücks benötigt wird.
Das wichtigste Merkmal von Titanlegierungen beim Drehen ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit. Die beim Schneiden entstehende hohe Temperatur wird nur schwer vom Werkstück aufgenommen und sammelt sich an der Schneidkante des Werkzeugs. Übermäßige Hitze bewirkt, dass die Schneidkante und die chemische Reaktion zwischen den Chips und erzeugt Kolkverschleiß.
Titanlegierungen neigen auch dazu, sich zu härten, weshalb es wichtig ist, das Metall eher durch Scherung als durch Extrusion zu entfernen. Zusätzlich haben Titanlegierungen, obwohl sie eine hohe Festigkeit aufweisen, auch einen niedrigen Elastizitätsmodul. Dies bedeutet, dass Titanlegierungen relativ elastischer sind und leichter die Schneide verlassen als andere Materialien (insbesondere beim Schneiden mit geringer Belastung). Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften von Titanlegierungen besteht der Schlüssel zum erfolgreichen Drehen von Titanlegierungen darin, ein Gleichgewicht zwischen Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe zu erreichen.
Die Schnittgeschwindigkeit ist der Hauptfaktor für die Erzeugung von Schnittwärme. Sandvik Coromants Drehexperte Stefan Gyllengahm hat dreieinhalb Jahre damit verbracht, Werkzeugqualitäten für Werkzeughersteller zu entwickeln. Während dieser Zeit führte er im Labor einen Ti6Al4V-Schneidtest durch und die Ergebnisse zeigten, dass die Schneidgeschwindigkeit sorgfältig ausgewählt werden muss: Wenn die Schnittgeschwindigkeit um 10-15% erhöht wird, verringert sich in einigen Fällen die Werkzeugstandzeit von 40 auf 6 Stück, was darauf hinweist, dass die Schnittgeschwindigkeit zu stark angepasst wurde. Er stellte auch fest, dass beim Drehen mit einer Schnittgeschwindigkeit, die die Werkzeuglebensdauer nicht verkürzt, bei einer Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit eine kritische Temperatur erreicht wird, die sich nachteilig auf die Werkzeuglebensdauer auswirkt, da es einen Grenzbereich für übermäßige Wärme gibt.
Die Werkzeuggeometrie spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Spanform für die Wärmeabfuhr. Die breiteren und dünneren Späne vergrößern die Kontaktfläche zwischen dem gebildeten Span und der Schneidkante, wodurch die Ansammlung von Wärme an der Schneidkante verringert wird. Wenn die Schneidspäne dünner sind und weniger Wärme erzeugen, kann die Schneidgeschwindigkeit höher sein. Zum Beispiel, wenn das Schruppen unter Verwendung einer Diamantklinge vom C-Typ (80 °) mit einem Standard-Steigungswinkel von -5 ° durchgeführt wird. Die Spandicke entspricht in etwa dem Vorschub; Durch die Verwendung einer quadratischen Klinge mit einem Steigungswinkel von 45 ° kann sich das geschnittene Metall (und die Schnittwärme) entlang der längeren Schneidkante ausbreiten. Das Kreismesser maximiert theoretisch dieses Konzept (aber nur, wenn die Schnitttiefe gering ist). Laut Gyllengahm werden sehr dünne Späne normalerweise mit einem runden Einsatz erhalten, wenn die Schnitttiefe gering ist. Jedoch kann eine kreisförmige Schneid 12.7mm effektiven Steigungswinkel aufweist verringert das Rundmesser unter Berücksichtigung, wenn die Schnitttiefe größer als 2 mm ist, ist es bevorzugt ist quadratisch Einsätze zu verwenden. Denn bei gleicher Schnitttiefe hat die Vierkantklinge noch einen Steigungswinkel von 45 °.
Bill Skoretz ist der Manager der Verarbeitungsabteilung von Patriot Forge. Das Unternehmen bietet eine breite Palette von Rohstoffen an, von niedriglegierten Stählen und rostfreien Stählen über Spezialqualitäten von Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen bis hin zu Titanlegierungsteilen für die Kunden des Unternehmens. Bei der Erörterung der Herausforderungen beim Drehen von Titanlegierungen konzentrierte er sich auf die Erfahrung mit Kühlmittelstrahlen für Drehmühlen. Diese korrosionsbeständige Titanlegierung ist abrasiv. Aufgrund der Elastizität von Titanlegierungen muss eine positive Werkzeuggeometrie verwendet und die Form des Werkzeugkopfes hervorgehoben werden. Wenn die untere oder vordere Ecke des Werkzeugs zu klein ist, erzeugt das Werkzeug Spannung, was viele Probleme verursacht. Daher muss ein optimales Gleichgewicht zwischen dem positiven geometrischen Winkel des Werkzeugkopfes und der Auflage der Schneide gefunden werden.
Skoretz beschreibt die Entwicklung von Schneidwerkzeugen aus historischer Sicht. Vor der Entwicklung von Hartmetallwerkzeugen wurden Hochgeschwindigkeitsstahlwerkzeuge hauptsächlich zum Schneiden von Stahl verwendet. Das Aufkommen von Hartmetallwerkzeugen ermöglicht die Verwendung eines positiven geometrischen Winkels, aber die Maschine muss eine ausreichende Leistung haben. Negative Spanwinkeleinsätze lassen das Titanlegierungsmaterial nur falten oder quetschen, wodurch es schwierig wird, es zu entfernen. Er warnte jedoch auch davor, dass bei einem zu großen positiven Spanwinkel des Messers eine Zugkraft auf das Titanlegierungsmaterial ausgeübt wird. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen Druck- und Zugspannungen gefunden werden. Er erwähnte, dass in der Vergangenheit eine Klinge mit einem T-förmigen Steg mit einer Oberfläche von 0,1 mm oder 0,13 mm an der Schneidkante verwendet wurde. "Hauptsächlich für die Sicherheit der Klinge kann man keine scharfe Schneide verwenden, da diese nicht lange hält." Er verwendet bei seiner Bearbeitung auch Schneidflüssigkeiten auf Ölbasis, nutzt jedoch hauptsächlich die Schmiereigenschaften und nicht die Kühlleistung. Andere Verarbeitungsanlagen bieten auch andere Verfahren zum Drehen von Titan an, da es unterschiedliche Lösungen zum Entfernen von Material gibt.
In anderen Verarbeitungsanlagen gibt es auch andere Verfahren zum Drehen von Titan, da es unterschiedliche Lösungen zum Entfernen von Titan gibt.
Rayco Machine beschäftigt sich zu 30% mit Rennsportteilen, von denen viele teure Titanteile sind. Denn das Top-Rennteam ist bereit, für leichte, hochfeste Teile extra zu zahlen. Damit ihre Fahrzeuge das nach den Vorschriften zulässige Mindestgewicht einhalten und gleichzeitig die Kontrolle über die Verteilung ihres Gesamtkörpergewichts behalten. Zum Beispiel kann die Verringerung der Masse der rotierenden und nicht aufgehängten Teile (wie der Rad- und Bremskomponenten) die Beschleunigungs- und Handhabungsleistung effektiv verbessern. Zu den drehenden Titanteilen von Rayco gehören Teile, die zwischen dem Bremssattel und dem Rotor verlaufen.
Wie Skoretz sagte auch Raycos Präsident Greg Cox, dass für das erfolgreiche Drehen von Titanlegierungen ein ausgewogener Ansatz erforderlich ist. Er ist der Ansicht, dass es bei der Auswahl der Schnittparameter sehr wichtig ist, dass das Werkstückmaterial während der Bearbeitung nicht geschoben werden kann, da es sonst wahrscheinlich zu einer Aushärtung des Werkstücks kommt, was zu großen Problemen bei der Bearbeitung führt. Die von Rayco üblicherweise verwendeten Verarbeitungsparameter sind: Schnittgeschwindigkeit 120sfm, Vorschub 0,13-0,20 mm.
Die Schnitttiefe ist ebenfalls wichtig. Auch hier ist eine moderate Schnitttiefe die beste Wahl. Raycos maximale Schnitttiefe beträgt 0,8-1 mm. Raycos Titanteile können in Chargen von bis zu 200 Stück verarbeitet werden, die meisten jedoch zwischen 5 und 20 Stück. Laut Cox arbeitet Rayco auch weiterhin an der Verbesserung des Prozesses. Bei den Schnittparametern ist jedoch Vorsicht geboten, da Titanlegierungen recht teuer sind und nicht ausgetrocknet werden können, um das Verschrotten von Teilen zu vermeiden. Der Preis für Titanlegierungen stieg sehr schnell von 47 USD / Pfund auf 68 USD / Pfund im letzten Jahr. Der hohe Preis für Titanlegierungen erhöht auch den Lagerbestand an Werkstückwerkstoffen.
Scott Holland, General Manager der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Tauchausrüstungsherstellers Atomic Aquatics, sagte. Bei der Bearbeitung von Unterwasser-Atemschutzgeräten mit Titan versuchen wir stets, die Bearbeitungseffizienz kontinuierlich zu verbessern, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen, mehr Teile zu bearbeiten und die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern. Aber als sie versuchten, mehr Teile zu bearbeiten, brach plötzlich das Werkzeug. Holland hofft daher, einen optimalen Gleichgewichtspunkt zu erreichen, aber dieses Gleichgewicht besteht nicht nur aus Zahlen und Verfahren. Holland hat fast ein Jahrzehnt Erfahrung in der Titanbearbeitung und verlässt sich darauf, die Form des Werkstücks und des Werkzeugs zu beobachten und das Schneidgeräusch zu hören, um diese Balance zu meistern. Holland sagte, dass die Verarbeitung von Titanlegierungen auch relativ einfach sein kann. „Wenn Sie ein scharfes Werkzeug verwenden und das Werkzeug zu Ihrer geschätzten Zeit wechseln, können Sie Titan nur in einem begrenzten Bereich bearbeiten. Sie können es versuchen, aber es muss nicht unbedingt funktionieren. Bei der Verarbeitung von Titanlegierungen gelten bestimmte Regeln. Wenn Sie diese Regeln beherrschen, können Sie nützlich sein. "
Die zunehmende Verwendung von Titanlegierungen hat die Entwicklung der Schneidtechnologie vorangetrieben, wobei der Schwerpunkt auf dem effizienten Drehen von Titanlegierungen liegt. Chris Mills, Senior Manager, Prozessmanagement und technischer Support, Sandvik Coromant, betont. Beim Drehen von Titanlegierungen ist der chemische Verschleiß der Hauptmechanismus für das Versagen von Werkzeugen, während das Schneiden bei hohen Temperaturen den chemischen Verschleiß beschleunigt.
Wenn der heiße Span über die Spanfläche des Werkzeugs gezogen wird, wird das Kobalt tatsächlich aus der Klinge "herausgedrückt". Mills beschreibt, wie die Schnitttemperatur in zwei Schritten gesenkt wird: Der erste Schritt ist die Verwendung eines Werkzeuggeometriedesigns (z. B. eine quadratische oder runde Klinge mit einem Steigungswinkel von 45 °), um die Spanstärke zu verringern und die Schnitttemperatur zu senken. Crater Verschleißreduzierung dadurch verursachte schließlich die Verwendung von höheren Vorschubgeschwindigkeiten und längere Standzeit; Der zweite Schritt ist die Verwendung eines Hochdruckkühlmittels mit einer speziellen Morphologie. Dieses Kühlmittel hat nicht nur einen hohen Druck, sondern zeigt auch ein sehr genaues laminares Sprühmuster. Ein "Wasserkeil" kann zwischen dem Span und der Spanfläche des Messers gebildet werden, um den Span zu halten, so dass der Kontakt mit der Spanfläche minimiert wird, um einen Kraterverschleiß zu vermeiden.
Das Jetbreak-Kühlsystem von Sandvik ist mit einer Düse mit 1,27 mm Durchmesser und emulgiertem Standardkühlmittel bei 1.000 bis 3.000 psi erhältlich. Es hat nicht nur eine kühlende Wirkung, sondern erzeugt auch einen Auftrieb zum Anheben der Späne, wodurch die Reibung und die Temperatur zwischen den Spänen und der Spanfläche verringert werden. Verwenden Sie dieses System, um die Schnittgeschwindigkeit um 50% zu erhöhen.
Mills beschreibt den Effekt der Kombination der beiden oben beschriebenen Kühlstrategien: Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen mit optimierten Schnittparametern (Schnittgeschwindigkeit: 40 m / min. Vorschub: 0,3 mm / U) mit einem CNMG-Einsatz mit einem Steigungswinkel von -5 ° beträgt die Werkzeugstandzeit etwa 20 Minuten. Bei der Bearbeitung mit einem Rundmesser oder einem Vierkantmesser mit einem Steigungswinkel von 45 °. Die Schnittgeschwindigkeit kann auf 50-60 m / min erhöht werden, die Vorschubgeschwindigkeit auf 0,4 mm / U erhöht werden und eine ähnliche Standzeit kann beibehalten werden. Da mehr Werkstückmaterial gleichzeitig entfernt werden kann, kann die Produktivität mit nur einem Vierkantmesser verdoppelt werden. Wenn Sie ein Hochdruckkühlsystem verwenden, können Sie die Schnittgeschwindigkeit um weitere 50% erhöhen.
Das unter hohem Druck stehende Kühlmittel muss durch den Durchgang im Inneren der Maschinenwelle transportiert werden (anstelle des Außenrohrs). Das Kühlmittel fließt durch einen speziellen Anschluss am Schnellwechselfutter von Sandvik Capto, das von Capto gesteuert wird. Dieses Hochdruckkühlsystem kann einfach installiert werden, wenn die Maschine installiert ist.
Für die regelmäßige Bearbeitung von Titanteilen (insbesondere große und teure Flugzeugteile) Werkstatt, die Produktivität um 50% erhöht, sind sie die Investition lohnt sich, einen dedizierten Maschine Werkzeugfutter und eine Hochdruck-Kühlsystem installiert zu kaufen. Dieses Hochdruckkühlsystem hat einen einzigartigen Vorteil beim Drehen von Titanlegierungen, da es nicht so viel Kraterverschleiß erzeugt wie andere Werkstückmaterialien.
