CNC-drejning af titaniumlegeringsdele

CNC-drejning af titaniumlegeringsdele til biler

Imidlertid, CNC-drejning af titanlegeringsdele er meget vanskelig, gør mekaniske teknologer skræmmende. De mener, at den superydeevne af titanlegering i høj grad svækker dens bearbejdelighed “evne”, gør sin CNC-bearbejdning ekstremt udfordrende.

Selvom denne opfattelse er rimelig, det er ikke dækkende. Denne artikel diskuterer drejningsstrategien for titanlegeringer, hvilket vil være nyttigt for mekaniske teknologer til at behandle en så bred vifte af materialer, der er svære at bearbejde, og til at anvende nye skæreteknikker.

Titaniumlegeringsproducent Bill Headland, senior projektekspert hos RTI International Metals, påpegede, at selvom mange forarbejdningsbutikker betragter behandling af titanlegeringsdele som en skræmmende måde. Men faktisk, titanlegeringer omfatter en bred vifte af varianter, og du skal vide, hvilken karakter du behandler. There are many grades of titanium alloy, some grades are extremely difficult to CNC machining, while others are relatively easy to CNC machining. Commercial pure titanium (CP grade) is a non-alloy material commonly used in the manufacture of medical parts, heat exchangers and spectacle frames. CP grades have excellent corrosion resistance and are relatively easy to process. But compared with other titanium alloys, its strength is very low, and it is sticky and soft.

After adding an alloy to pure titanium, its crystal phase (crystal structure) is changed, and the characteristics and machinability of the material are also changed. Alpha titanium alloys and quasi-alpha titanium alloys contain additives such as nickel, aluminium, and vanadium. The CNC machinability of these intermediate grade titanium alloys is quite good. α-β titanlegeringskvaliteter kan indeholde mere aluminium og vanadium. Den almindelige industrielle titanlegering Ti6Al4V er en α-β titanlegering kvalitet, som indeholder ca 6% aluminium og 4% vanadium. Ti6Al4V og dens varianter tegner sig for ca 50%-70% af de titanlegeringer, der i øjeblikket anvendes.

Beta-grade titanlegeringer tilsat jern og krom er en af ​​de sværeste kvaliteter at forarbejde. På grund af dens høje brudsejhed og fremragende modstandsdygtighed over for høj cyklustræthed, bearbejdeligheden af ​​β-kvaliteten svarer til den for Hastelloy nikkel-baserede legeringer og lignende materialer. Et typisk anvendelseseksempel er fremstilling af lette fjedre, som bruges til at udløse den foldbare hale af taktiske missiler affyret under vandet.

Forskellige titanlegeringer viser forskellige CNC-drejeydelser. Some people believe that the time required to process a Ti6Al4V workpiece is usually three times that of CNC machining a steel part;
Some people say that CNC machining a Ti5553 difficult-to-machine β brand workpiece takes twice as long as machining a Ti6Al4V workpiece.

In turning titanium processing, the most important characteristic of titanium alloys is poor thermal conductivity. Because the high temperature generated during turning is difficult to be absorbed by the workpiece and concentrated on the cutting edge of the tool, excessive heat promotes a chemical reaction between the cutting edge and the chips and produces crescent wear.

Titanium alloys also have a tendency to work hardening, so it is important to remove titanium by shearing rather than extrusion. Ud over, selvom titanlegeringer har høj styrke, de har også et lavt elasticitetsmodul. Det betyder, at sammenlignet med andre materialer, titanlegeringer er relativt mere elastiske og nemmere at forlade skærkanten (især ved skæring med let belastning). I betragtning af disse egenskaber af titanlegeringer omfattende, for med succes at realisere drejning af titanlegeringer, nøglen er at opnå balancen mellem skærehastigheden, tilspændingshastighed og skæredybde.

CNC-drejning af medicinske titanlegeringsdele

CNC skærehastighed er den primære faktor, der påvirker skærevarmegenerering. Stefan Gyllengahm, en drejeekspert hos Sandvik Coromant, brugt tre et halvt år på at udvikle værktøjskvaliteter til værktøjsproducenter. I denne periode, han udførte Ti6Al4V og TC4 skæretest i laboratoriet. Resultaterne viste, at valget af skærehastighed skal være meget omhyggeligt:
I nogle tilfælde, når skærehastigheden øges med 10%-15%, værktøjets levetid reduceres fra 40 stykker til CNC-bearbejdning til 6 stykker, hvilket indikerer, at indstillingsområdet for skærehastigheden er for stort. Han fandt også ud af, at når man drejer med en skærehastighed, der ikke forkorter værktøjets levetid, hvis tilførselshastigheden øges, en kritisk temperatur, der vil forringe værktøjets levetid, er nået. For der er et grænseområde, hvor der er for meget varme.

Værktøjsgeometri spiller en nøglerolle i at kontrollere spånformen for at sprede varme. Den bredere og tyndere spån forstørrer kontaktområdet mellem formspånen og skæret, hvorved ophobningen af ​​varme på skærkanten reduceres. Hvis chippen er tyndere og genererer mindre varme, skærehastigheden kan være hurtigere.

For eksempel, ved brug af en C-type (80°) diamantskær med en standard blyvinkel på -5° til grovbearbejdning, spåntykkelsen og fremføringshastigheden er omtrent ens; Brugen af ​​en firkantet klinge med en 45° blyvinkel gør det muligt at skære metal (og skærevarme) at sprede langs den længere skærekant. Den runde klinge tager i teorien dette koncept til det yderste (men kun når skæredybden er lille). Gyllengahm sagde, at normalt når skæredybden er lille, en rund klinge kan bruges til at opnå meget tynde spåner.
Imidlertid, i betragtning af, at den effektive vinkel for en rund klinge med en indskrevet cirkel på 12,7 mm vil falde, når skæredybden er større end 2 mm, det er bedre at bruge en firkantet klinge. Fordi i samme skæredybde, den firkantede klinge har stadig en forspringsvinkel på 45°.

Bill Skoretz er leder af CNC-bearbejdningsafdelingen i Patriot Forge. Virksomheden leverer forskellige råmaterialer lige fra lavlegeret stål og rustfrit stål til specialkvaliteter af aluminiumslegering og titanlegering. Nogle gange er det også CNC-bearbejdning af titanlegeringsdele til virksomhedens kunder. Når man diskuterer udfordringerne ved at dreje titanlegeringer, han fokuserede på at gennemgå oplevelsen af ​​dyser af titaniumlegering af kølemiddel, der bruges i drejevalseværker. Dette er en korrosionsbestandig titanlegeringskvalitet. På grund af elasticiteten af ​​titanlegering, en positiv værktøjsgeometrivinkel skal anvendes, og man skal være opmærksom på værktøjshovedets form. Hvis værktøjets bund- eller skråvinkel er for lille, værktøjet vil begynde at generere spænding, hvilket vil give mange problemer. Derfor, the best balance must be found between the positive geometric angle of the tool head and the support for the cutting edge.

Skoretz described the development status of CNC cutting tools from a historical perspective. Before the development of cemented carbide tools, high-speed steel tools were mainly used to cut steel. The emergence of cemented carbide tools makes it possible to adopt a positive geometric angle, but the machine tool must have sufficient power. The negative rake angle blade can only fold or squeeze the titanium alloy material, but it is difficult to remove it. But he also warned that if the front angle of the blade is too large, it will also cause tension on the titanium alloy material. Derfor, a balance must be found between compressive stress and tensile stress. He mentioned that he had used inserts with 0.1mm or 0.13mm T-shaped land on the cutting edge in the past. “Mainly for the safety of the blade, a cutting edge that is too sharp cannot be used because it will not last long.” He also uses oil-based cutting fluids in processing, but mainly uses its lubricating properties rather than cooling capabilities.

Other processing workshops also have different titanium alloy turning methods, because there are various solutions for any material removal processing.

My company has 30% of the business is processing car parts, many of which are expensive titanium parts. Because the top racing teams are willing to pay extra for light-weight and high-strength parts to keep their cars at the minimum weight allowed by the rules. But at the same time, den kan stadig bevare kontrol over fordelingen af ​​hele sin kropsvægt. For eksempel, reduktion af massen af ​​roterende dele og ikke-ophængende dele (såsom hjul og bremsekomponenter) kan effektivt forbedre acceleration og håndteringsydelse. De titanlegeringsdele, der behandles af vores virksomhed, omfatter dele, der løber mellem bremsekaliberen og rotoren.

Raycos præsident, Greg Cox, udtalte også, at for at kunne lykkes med CNC-drejning af titanlegeringer, en afbalanceret tilgang er nødvendig. Han mener, at når man vælger skæreparametre, det er vigtigt ikke at klemme titanium-emnematerialet under bearbejdningen, ellers er det let at fremstille arbejdshærdning og give store besvær ved forarbejdningen. De behandlingsparametre, der normalt bruges af Rayco er: skærehastighed 120sfm, fodermængde 0,13-0,20mm.

Skæredybden er også vigtig. Tilsvarende, en moderat skæredybde er det bedste valg. Den maksimale skæredybde, som Rayco bruger, er 0,8-1 mm. Raycos titanlegeringsdele kan behandles i partier så højt som 200 stykker, men de fleste af dem er imellem 5-20 stykker. Cox sagde, at Rayco også fortsætter med at forbedre processen, men skal være forsigtig, når det kommer til skæreparametre, fordi titanlegeringer er ret dyre, for ikke at få dele til at blive skrottet. Prisen på titanlegeringer er steget hurtigt, fra US$47/lb til US$68/lb sidste år. Den høje pris på titanlegering har også strammet beholdningen af ​​emnematerialer.

Scott Holland, daglig leder af R&D og fremstillingsgren af ​​dykkerudstyrsproducenten Atomic Aquatics, sagde: When processing underwater breathing apparatus with titanium alloy, “we always try to continuously improve processing efficiency to shorten processing time, process more workpieces and extend tool life.” But when they tried to machine more parts, the tool suddenly broke. Derfor, Holland hopes to reach an optimal balance point, but this balance is not just numbers and procedures. Holland has nearly ten years of experience in titanium alloy processing. He also relies on observing the shape of workpieces and tools and listening to cutting noise to master this balance. Holland said that processing titanium alloys can also be relatively simple. “If you use sharp tools and change the tools according to your estimated time, you can only process titanium alloys within a limited range. You can try it your own way, but it doesn’t necessarily work. Titanium alloy processing has certain rules, if you master these rules, you can be handy. ”

The increasing use of titanium alloys has promoted the development of cutting technology, which focuses on effectively turning titanium alloys. Sandvik processing management and technology emphasized that when turning titanium alloys, chemical wear is the main tool failure mechanism, and high temperature cutting accelerates chemical wear.

When the hot chips scratch the rake face of the tool, they actually “pulls” the cobalt from the blade. Mills introduced a two-step method to reduce the cutting temperature: The first step is to use tool geometry design (such as square or round blades with a 45° lead angle) to reduce the chip thickness to reduce the cutting temperature and reduce the crater wear caused by this. Endelig, a higher feed rate can be used and tool life can be extended; The second step is to use a high-pressure coolant with a special shape. This coolant not only has a high pressure, but also presents a very precise laminar jet pattern, which can form a “water wedge” between the chips and the rake face of the blade to hold up the chips. Minimize the contact with the rake face, so as to prevent the tool from crater wear.

Sandvik’s Jetbreak cooling system has a pressure of 1000-3000 psi, a nozzle with a diameter of 1.27 mm and a standard emulsion coolant. It not only has a cooling effect, but also can generate lift to hold the chips, which can reduce the friction and temperature between the chips and the rake face. Using this system can increase the cutting speed by 50%.

Mills described the effect of combining the above two cooling strategies: Using CNMG inserts with -5° lead angle to optimize cutting parameters (cutting speed: 40m/min, feed rate: 0.3mm/rev) when machining titanium alloys, the tool life is about 20 minutter; When machining with round inserts or square inserts with 45° lead angle, the cutting speed can be increased to 50-60m/min, the feed rate can be increased to 0.4mm/rev, and similar tool life can be maintained. Since more workpiece material can be removed in the same time, the productivity can be doubled by using only the square blade. If the high-pressure cooling system is used again, the cutting speed can be increased by another 50%.

The high-pressure coolant must be transported through the channel inside the machine spindle (not the external pipe). The coolant flows through a special connector on the Sandvik Capto quick-change tool chuck, and Capto controls its pressure. When installing the machine tool, you can easily install this high-pressure cooling system.

For workshops that often process titanium alloy parts (especially expensive large aerospace parts), det 50% increase in productivity is worth their investment in special tool chucks and machine tools equipped with high-pressure cooling systems. This high-pressure cooling system has a unique advantage when turning titanium alloys, because it will not produce crescent wear like CNC machining other workpiece materials.