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CNC-Drehen von Teilen aus Titanlegierung

CNC-Drehen von Titanlegierungs teilen für Automobile
Die besonderen Eigenschaften von Titanlegierungen machen es immer mehr weit verbreitet. Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, ausgezeichnete Zähigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Die Titanlegierung kann verwendet werden, um medizinische Human implantate zu machen, Rennteile, Schiffsteile, Flugzeugteile, Unterwasser-Atemgeräte, Golfschlägerköpfen und militärische Rüstung.

Die CNC-Drehbearbeitung von Titanlegierungs teilen ist jedoch sehr schwierig, was mechanische Technologen entmutigt. Sie glauben, dass die Superleistung der Titanlegierung ihre bearbeitbare "Fähigkeit" stark schwächt, was ihre CNC-Bearbeitung extrem herausfordernd macht.

Obwohl diese Ansicht vernünftig ist, ist sie nicht umfassend. Dieser Artikel beschreibt die Drehstrategie von Titanlegierungen, die für Mechaniker hilfreich sein wird, um eine so breite Palette schwer zu bearbeitender Materialien zu verarbeiten und neue Schneidtechnologien anzuwenden.
Der Hersteller von Titanlegierungen, Bill Headland, leitender Projektexperte bei RTI International Metals, wies darauf hin, dass die Verarbeitung von Teilen aus Titanlegierungen zwar von vielen Verarbeitungsbetrieben als entmutigend angesehen wird. Tatsächlich umfassen Titanlegierungen eine Vielzahl von Sorten, und Sie müssen wissen, welche Sorte Sie verarbeiten. Es gibt viele Typen von Titanlegierungen, einige sind für die CNC-Bearbeitung äußerst schwierig, während andere für die CNC-Bearbeitung relativ einfach sind. Kommerzielle reines Titan (CP-Qualität) ist ein nicht-Legierungs material, die üblicherweise in der Herstellung von medizinischen Teilen, Wärmetauscher und Brillenfassungen. CP-Typen weisen eine ausgezeichnete 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 Zugabe einer Legierung zu reinem Titan ändert sich deren Kristallphase (Kristallstruktur), und auch die Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit des Materials werden geändert. Alpha-Titanlegierungen und Quasi-Alpha-Titanlegierungen enthalten Additive wie Nickel, Aluminium und Vanadium. Die CNC-Bearbeitbarkeit dieser Titanlegierungen mittlerer Qualität ist recht gut. α-β-Titanlegierungsqualitäten können mehr Aluminium und Vanadium enthalten. Die gängige industrielle Titanlegierung Ti6Al4V ist eine α-β-Titanlegierung, die etwa 6% Aluminium und 4% Vanadium enthält. Ti6Al4V und seine Varianten machen etwa 50% -70% der derzeit verwendeten Titanlegierungen aus.

Titanlegierungen in Beta-Qualität mit Eisen-, Chrom- und anderen Bestandteilen sind eine der schwierigsten Qualitäten für die CNC-Bearbeitung. Aufgrund seiner hohen Bruchzähigkeit und seiner hervorragenden Beständigkeit gegen Ermüdung bei hohen Zyklen ist die Bearbeitbarkeit der β-Klasse ähnlich der von Hastelloy-Nickelbasislegierungen und ähnlichen Materialien. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Herstellung von leichten Federn, mit denen das faltbare Heck von unter Wasser abgefeuerten taktischen Raketen ausgelöst wird.

Verschiedene Titanlegierungen zeigen unterschiedliche CNC-Drehleistungen. Einige Leute glauben, dass die Zeit, die für die Bearbeitung eines Ti6Al4V-Werkstücks benötigt wird, normalerweise dreimal so hoch ist wie die CNC-Bearbeitung eines Stahlteils.
Einige Leute sagen, dass die CNC-Bearbeitung eines schwer zu bearbeitenden Ti5553-Werkstücks der Marke β doppelt so lange dauert wie die Bearbeitung eines Ti6Al4V-Werkstücks.

Bei der Verarbeitung von Drehtitan ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit das wichtigste Merkmal von Titanlegierungen. Da die beim Drehen erzeugte hohe Temperatur nur schwer vom Werkstück aufgenommen und auf die Schneidkante des Werkzeugs konzentriert werden kann, fördert übermäßige Wärme eine chemische Reaktion zwischen der Schneidkante und den Spänen und erzeugt Halbmondverschleiß.

Titanlegierungen neigen auch zur Kaltverfestigung, daher ist es wichtig, Titan eher durch Scheren als durch Extrudieren zu entfernen. Obwohl Titanlegierungen eine hohe Festigkeit aufweisen, weisen sie außerdem einen niedrigen Elastizitätsmodul auf. Dies bedeutet, dass Titanlegierungen im Vergleich zu anderen Materialien relativ elastischer sind und die Schneide leichter verlassen können (insbesondere beim Schneiden unter leichter Last). Um diese Eigenschaften von Titanlegierungen umfassend zu berücksichtigen, ist es entscheidend, das Gleichgewicht zwischen Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe zu erreichen, um das Drehen von Titanlegierungen erfolgreich zu realisieren.

Die CNC-Schnittgeschwindigkeit ist der Hauptfaktor, der die Schnittwärmeerzeugung beeinflusst. Stefan Gyllengahm, Drehexperte bei Sandvik Coromant, hat dreieinhalb Jahre lang Werkzeug qualitäten für Werkzeughersteller entwickelt. Während dieser Zeit führte er im Labor Ti6Al4V- und TC4-Schneidetests durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wahl der Schnittgeschwindigkeit sehr vorsichtig sein muss: In einigen Fällen wird die Werkzeuglebensdauer von 40 Teilen für die CNC-Bearbeitung auf 6 Teile reduziert, wenn die Schnittgeschwindigkeit um 10 bis 15% erhöht wird, was darauf hinweist, dass der Einstellbereich der Schnittgeschwindigkeit zu groß ist. Er fand auch, dass, wenn bei einer Schnittgeschwindigkeit drehen, die nicht die Standzeit nicht verkürzen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird, wird es eine kritische Temperatur, dass beeinträchtigt die Standzeit erreichen. Weil es einen Grenzbereich gibt, in dem zu viel Wärme vorhanden ist.

Die Werkzeuggeometrie spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung der Spanform, um Wärme abzuleiten. Der breitere und dünnere Span vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem zu bildenden Span und der Schneidkante, wodurch die Wärmespeicherung an der Schneidkante verringert wird. Wenn der Chip dünner ist und weniger Wärme erzeugt, kann die Schnittgeschwindigkeit höher sein.

Wenn beispielsweise ein Diamanteinsatz vom Typ C (80 °) mit einem Standard steigungswinkel von -5 ° für die Grobbearbeitung verwendet wird, sind die Spanstärke und die Vorschubgeschwindigkeit ungefähr gleich. Durch die Verwendung einer quadratischen Klinge mit einem Steigungswinkel von 45 ° kann sich das geschnittene Metall (und die Schneidwärme) entlang der längeren Schneidkante ausbreiten. Die runde Klinge bringt dieses Konzept theoretisch auf das Äußerste (aber nur, wenn die Schnitttiefe gering ist). Gyllengahm sagte, dass normalerweise, wenn die Schnitttiefe gering ist, eine runde Klinge verwendet werden kann, um sehr dünne Späne zu erhalten. Wenn man jedoch berücksichtigt, dass der effektive Steigungswinkel einer runden Klinge mit einem Beschriftung kreis von 12,7 mm abnimmt, wenn die Schnitttiefe größer als 2 mm ist, ist es besser, eine quadratische Klinge zu verwenden. Denn bei gleicher Schnitttiefe hat die Vierkantklinge noch einen Steigungswinkel von 45 °.

Bill Skoretz ist der Manager der CNC-Bearbeitung Teilung von Patriot Forge. Das Unternehmen bietet verschiedene Rohstoffe im Bereich von niedrig legierten Stahl und Edelstahl, um spezielle Typen von Aluminium-Legierung und Titan-Legierung. Manchmal werden auch Titanlegierungsteile für die Kunden des Unternehmens CNC-bearbeitet. Bei der Erörterung der Herausforderungen beim Drehen von Titanlegierungen konzentrierte er sich auf die Erfahrungen mit Kühlmittel-Titanlegierungsdüsen, die beim Drehen von Walzwerken verwendet werden. Dies ist eine korrosionsbeständige Titanlegierung. Aufgrund der Elastizität der Titanlegierung muss ein positiver Winkel der Werkzeuggeometrie verwendet und die Form des Werkzeugkopfs berücksichtigt werden. Wenn der Boden- oder Spanwinkel des Werkzeugs zu klein ist, erzeugt das Werkzeug Spannungen, die viele Probleme verursachen. Daher muss das beste Gleichgewicht zwischen dem positiven geometrischen Winkel des Werkzeugkopfs und der Stütze für die Schneide gefunden werden.

Skoretz beschrieb den Entwicklungsstand von CNC-Schneidwerkzeugen aus historischer Sicht. Vor der Entwicklung von Hartmetallwerkzeugen wurden Hochgeschwindigkeitsstahl werkzeuge hauptsächlich zum Schneiden von Stahl verwendet. Die Entstehung von Hartmetall-Werkzeugen ermöglicht es, einen positiven geometrischen Winkel zu übernehmen, aber die Werkzeugmaschine eines ausreichende Leistung haben muss. Die negativer Spanwinkel Klinge kann nur falten oder das Titan-Legierungs material zusammendrücken, aber es ist schwierig, sie zu entfernen. Aber er auch davor gewarnt, dass, wenn der vordere Winkel der Klinge zu groß ist, wird es auch zu Spannungen führt auf dem Titan-Legierung Material. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen Druckspannung und Zugspannung gefunden werden. Er erwähnte, dass er in der Vergangenheit Einsätze mit 0,1 mm oder 0,13 mm T-förmigem Steg an der Schneide verwendet hatte. "Hauptsächlich für die Sicherheit der Klinge kann eine zu scharfe Schneide nicht verwendet werden, da sie nicht lange hält." Er verwendet auch auf Ölbasis Schneidflüssigkeiten in der Verarbeitung, sondern in erster Linie verwendet, um seine Schmiereigenschaften eher als Kühlfunktionen.

Anderer Verarbeitungsbetrieb hat auch verschiedene Titanlegierungs verfahren Drehen, weil es verschiedene Lösungen für jede Materialentfernung verarbeitung ist.

CNC-Drehen von Teilen aus medizinischer Titanlegierung
30% des Geschäfts unseres Unternehmens sind die Verarbeitung von Rennwagenteilen, von denen viele teure Teile aus Titanlegierung sind. Weil die Top-Rennteams bereit sind, für leichte und hochfeste Teile extra zu zahlen, um ihre Autos auf dem nach den Regeln zulässigen Mindestgewicht zu halten. Gleichzeitig kann es dennoch die Kontrolle über die Verteilung seines gesamten Körpergewichts behalten. Zum Beispiel kann das Reduzieren der Masse von rotierenden Teilen und nicht gefederten Teilen (wie Rädern und Bremskomponenten) die Beschleunigungs- und Handhabungsleistung effektiv verbessern. Zu den von unserer Firma verarbeiteten Teilen aus Titanlegierung gehören Teile, die zwischen dem Bremssattel und dem Rotor verlaufen.

Greg Cox, Präsident von Rayco, erklärte auch, dass ein ausgewogener Ansatz erforderlich ist, um Titanlegierungen erfolgreich CNC-drehen zu können. Er ist der Ansicht, dass es bei der Auswahl der Schnittparameter wichtig ist, das Titan-Werkstückmaterial während der Verarbeitung nicht zu quetschen, da es sonst leicht zu einer Kaltverfestigung kommt und große Probleme bei der Verarbeitung verursacht. Die von unserer Firma üblicherweise verwendeten CNC-Bearbeitungsparameter sind: Schnittgeschwindigkeit 120sfm, Vorschubmenge 0,13-0,20 mm.

Die Schnitttiefe ist ebenfalls wichtig. Ebenso ist eine mäßige Schnitttiefe die beste Wahl. Die maximale Schnitttiefe von Rayco beträgt 0,8-1 mm. Die Titanlegierungsteile von Rayco können in Chargen von bis zu 200 Stück verarbeitet werden, die meisten liegen jedoch zwischen 5 und 20 Stück. Cox sagte, dass Rayco auch den Prozess zu verbessern fort, muss aber vorsichtig sein, wenn es um die Schnittparameter kommt, weil Titanlegierungen recht teuer sind, um nicht zu verursachen Teile verschrottet werden. Der Preis für Titanlegierungen ist rapide gestiegen, von 47 USD / lb auf 68 USD / lb im letzten Jahr. Der hohe Preis für Titanlegierungen hat auch den Bestand an Werkstück materialien verschärft.

Scott Holland, General Manager der Forschungs- und Entwicklungsabteilung des Herstellers von Tauchausrüstung Atomic Aquatics, sagte: Wenn CNC-Titan-Legierung Verarbeitung Unterwasseratemgerät, „versuchen wir immer, um kontinuierlich die Verarbeitungseffizienz zu verbessern, um die Verarbeitungszeit zu verkürzen, mehr Werkstücke Prozess und verlängern die Lebensdauer des Werkzeugs.“ Aber als sie versuchten, mehr Teile zu bearbeiten, brach das Werkzeug plötzlich. Holland hofft daher, einen optimalen Gleichgewichtspunkt zu erreichen, aber dieses Gleichgewicht besteht nicht nur aus Zahlen und Verfahren. Holland verfügt über fast zehn Jahre Erfahrung in der Verarbeitung von Titanlegierungen. Er verlässt sich auch darauf, die Form von Werkstücken und Werkzeugen zu beobachten und Schnittgeräusche zu hören, um dieses Gleichgewicht zu beherrschen. Holland sagte, dass die Verarbeitung von Titanlegierungen auch relativ einfach sein kann. "Wenn Sie scharfe Werkzeuge verwenden und die Werkzeuge entsprechend Ihrer geschätzten Zeit wechseln, können Sie Titanlegierungen nur in einem begrenzten Bereich verarbeiten. Sie können es auf Ihre eigene Weise versuchen, aber es funktioniert nicht unbedingt. Die Verarbeitung von Titanlegierungen unterliegt bestimmten Regeln. Wenn Sie diese Regeln beherrschen, können Sie praktisch sein. ""

Die zunehmende Verwendung von Titanlegierungen hat die Entwicklung der Schneidtechnologie gefördert, die sich auf das effektive Drehen von Titanlegierungen konzentriert. Das Verarbeitungsmanagement und die Technologie von Sandvik betonten, dass beim Drehen von Titanlegierungen der chemische Verschleiß der Hauptmechanismus für das Versagen von Werkzeugen ist und das Schneiden bei hohen Temperaturen den chemischen Verschleiß beschleunigt.

Wenn die heißen Späne die Spanfläche des Werkzeugs zerkratzen, "ziehen" sie tatsächlich das Kobalt von der Klinge. Mills führte eine zweistufige Methode ein, um die Schnitttemperatur zu senken: Der erste Schritt besteht darin, die Werkzeuggeometrie (z. B. quadratische oder runde Klingen mit einem Steigungswinkel von 45 °) zu verwenden, um die Spanstärke zu verringern, die Schnitttemperatur zu verringern und den dadurch verursachten Kraterverschleiß zu verringern. Schließlich kann ein höherer Vorschub verwendet und die Standzeit verlängert werden.
Der zweite Schritt ist die Verwendung eines Hochdruck kühlmittels mit einer speziellen Form. Dieses Kühlmittel hat nicht nur einen hohen Druck, sondern weist auch ein sehr präzises laminares Strahlmuster auf, das einen "Wasserkeil" zwischen den Spänen und der Spanfläche der Schaufel bilden kann, um die Späne zu halten. Minimieren Sie den Kontakt mit der Spanfläche, um einen Kraterverschleiß des Werkzeugs zu vermeiden.

Das Jetbreak-Kühlsystem von Sandvik hat einen Druck von 1000 bis 3000 psi, eine Düse mit einem Durchmesser von 1,27 mm und ein Standard-Emulsionskühlmittel. Es hat nicht nur eine kühlende Wirkung, sondern kann auch einen Auftrieb erzeugen, um die Späne zu halten, was die Reibung und Temperatur zwischen den Spänen und der Spanfläche verringern kann. Mit diesem System kann die Schnittgeschwindigkeit um 50% erhöht werden.

Mills beschrieb den Effekt der Kombination der beiden oben genannten Kühlstrategien: Bei Verwendung von CNMG-Einsätzen mit einem Steigungswinkel von -5 ° zur Optimierung der Schnittparameter (Schnittgeschwindigkeit: 40 m / min, Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm / U) bei der Bearbeitung von Titanlegierungen beträgt die Standzeit ca. 20 Minuten. Bei der Bearbeitung mit runden Einsätzen oder quadratischen Einsätzen mit einem Steigungswinkel von 45 ° kann die Schnittgeschwindigkeit auf 50-60 m / min erhöht werden, der Vorschub kann auf 0,4 mm / U erhöht werden und eine ähnliche Werkzeuglebensdauer kann beibehalten werden. Da gleichzeitig mehr Werkstückmaterial entfernt werden kann, kann die Produktivität verdoppelt werden, indem nur die Vierkantklinge verwendet wird. Wenn die Hochdruck-Kühlsystem wieder verwendet wird, kann die Schnittgeschwindigkeit um weitere 50% erhöht werden.

Das Hochdruck kühlmittel muss durch den Kanal in der Maschinenspindel (nicht durch das Außenrohr) transportiert werden. Das Kühlmittel fließt durch einen speziellen Anschluss am Schnellwechsel-Werkzeugfutter von Sandvik Capto, und Capto regelt den Druck. Bei der Installation der Werkzeugmaschine können Sie dieses Hochdruck kühlsystem problemlos installieren.

Für Werkstätten, in denen häufig Teile aus Titanlegierungen verarbeitet werden (insbesondere teure große Teile für die Luft- und Raumfahrt), lohnt sich die Steigerung der Produktivität um 50% in Spezialwerkzeug futter und Werkzeugmaschinen, die mit Hochdruc kkühlsystemen ausgestattet sind. Dieses Hochdruck kühlsystem hat einen einzigartigen Vorteil beim Drehen von Titanlegierungen, da es keinen Halbmondverschleiß wie bei der CNC-Bearbeitung anderer Werkstück materialien erzeugt.
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