CNC-svarvning av titanlegeringsdelar

CNC-svarvning av titanlegeringsdelar för bilar

dock, CNC-svarvning av titanlegeringsdelar är mycket svårt, gör mekaniska teknologer skrämmande. De tror att superprestandan hos titanlegering kraftigt försvagar dess bearbetningsbara “förmåga”, vilket gör sin CNC-bearbetning extremt utmanande.

Även om denna uppfattning är rimlig, den är inte heltäckande. Den här artikeln diskuterar svarvstrategin för titanlegeringar, vilket kommer att vara till hjälp för mekaniska teknologer att bearbeta ett så brett utbud av svårbearbetade material och att tillämpa nya skärtekniker.

Titanlegeringsproducent Bill Headland, senior projektexpert på RTI International Metals, påpekade att även om många bearbetningsbutiker betraktar bearbetning av titanlegeringsdelar som ett skrämmande sätt. Men egentligen, titanlegeringar inkluderar ett brett utbud av varianter, och du måste veta vilket betyg du bearbetar. Det finns många kvaliteter av titanlegering, vissa kvaliteter är extremt svåra att CNC-bearbeta, medan andra är relativt lätta att CNC-bearbeta. Kommersiellt rent titan (CP-klass) är ett olegerat material som vanligtvis används vid tillverkning av medicinska delar, värmeväxlare och glasögonbågar. CP-kvaliteter har utmärkt korrosionsbeständighet och är relativt lätta att bearbeta. Men jämfört med andra titanlegeringar, dess styrka är mycket låg, och den är klibbig och mjuk.

Efter att ha tillsatt en legering till rent titan, dess kristallfas (kristallstruktur) ändras, och materialets egenskaper och bearbetbarhet förändras också. Alfa titanlegeringar och kvasi-alfa titanlegeringar innehåller tillsatser som nickel, aluminium, och vanadin. CNC-bearbetbarheten för dessa titanlegeringar av mellanklass är ganska bra. α-β titanlegeringskvaliteter kan innehålla mer aluminium och vanadin. Den vanliga industriella titanlegeringen Ti6Al4V är en α-β titanlegeringskvalitet, som innehåller ca 6% aluminium och 4% vanadin. Ti6Al4V och dess varianter står för ca 50%-70% av de titanlegeringar som för närvarande används.

Beta-grade titanlegeringar med järn och krom tillsatt är en av de svåraste kvaliteterna att bearbeta. På grund av dess höga brottseghet och utmärkta motståndskraft mot hög cykelutmattning, bearbetbarheten för β-kvaliteten liknar den för Hastelloy nickelbaserade legeringar och liknande material. Ett typiskt applikationsexempel är tillverkning av lätta fjädrar, som används för att utlösa den vikbara svansen av taktiska missiler som skjuts upp under vattnet.

Olika titanlegeringar visar olika CNC-svarvningsprestanda. Vissa människor tror att tiden som krävs för att bearbeta ett Ti6Al4V-arbetsstycke vanligtvis är tre gånger så lång som för CNC-bearbetning av en ståldel;
Vissa människor säger att CNC-bearbetning av ett arbetsstycke av märket Ti5553 som är svårt att bearbeta tar dubbelt så lång tid som att bearbeta ett Ti6Al4V-arbetsstycke.

I svarvning titan bearbetning, den viktigaste egenskapen hos titanlegeringar är dålig värmeledningsförmåga. Eftersom den höga temperaturen som genereras under svarvning är svår att absorberas av arbetsstycket och koncentreras till verktygets skäregg, överdriven värme främjar en kemisk reaktion mellan skäreggen och spånen och producerar halvmåneförslitning.

Titanlegeringar har också en tendens att arbeta härdande, så det är viktigt att ta bort titan genom klippning snarare än extrudering. Dessutom, även om titanlegeringar har hög hållfasthet, de har också en låg elasticitetsmodul. Detta innebär att jämfört med andra material, titanlegeringar är relativt mer elastiska och lättare att lämna skärkanten (speciellt vid skärning med lätt belastning). Med tanke på dessa egenskaper hos titanlegeringar heltäckande, för att framgångsrikt förverkliga svarvningen av titanlegeringar, the key is to achieve the balance of cutting speed, feed rate and cutting depth.

CNC-svarvning av medicinska titanlegeringsdelar

CNC cutting speed is the primary factor affecting cutting heat generation. Stefan Gyllengahm, a turning expert at Sandvik Coromant, spent three and a half years developing tool grades for tool manufacturers. During this period, he conducted Ti6Al4V and TC4 cutting tests in the laboratory. The results showed that the choice of cutting speed must be very careful:
In some cases, when the cutting speed is increased by 10%-15%, the tool life will be reduced from 40 pieces for CNC machining to 6 bitar, which indicates that the adjustment range of the cutting speed is too large. He also found that when turning at a cutting speed that does not shorten the life of the tool, om matningshastigheten ökas, en kritisk temperatur som kommer att försämra verktygets livslängd uppnås. För det finns ett gränsområde där det är för mycket värme.

Verktygsgeometri spelar en nyckelroll för att kontrollera spånformen för att avleda värme. Den bredare och tunnare spånan förstorar kontaktytan mellan formspånan och skäreggen, därigenom minskar ackumuleringen av värme på skäreggen. Om chipet är tunnare och genererar mindre värme, skärhastigheten kan vara snabbare.

Till exempel, när du använder en C-typ (80°) diamantskär med en standard blyvinkel på -5° för grovbearbetning, spåntjockleken och matningshastigheten är ungefär lika; Användningen av ett fyrkantigt blad med en blyvinkel på 45° tillåter skärning av metall (och skärvärme) att sprida längs den längre skäreggen. Det runda bladet tar i teorin detta koncept till sin extrema (men bara när skärdjupet är litet). Gyllengahm sa att vanligtvis när skärdjupet är litet, ett runt blad kan användas för att få mycket tunna spån.
dock, med tanke på att den effektiva blyvinkeln för ett runt blad med en inskriven cirkel på 12,7 mm kommer att minska när skärdjupet är större än 2 mm, det är bättre att använda ett fyrkantigt blad. För på samma skärdjup, det fyrkantiga bladet har fortfarande en 45° blyvinkel.

Bill Skoretz är chef för CNC-bearbetningsavdelningen på Patriot Forge. Företaget tillhandahåller olika råvaror allt från låglegerat stål och rostfritt stål till specialkvaliteter av aluminiumlegering och titanlegering. Ibland är det även CNC-bearbetning av titanlegeringsdelar för företagets kunder. När vi diskuterar utmaningarna med att svarva titanlegeringar, han fokuserade på att granska upplevelsen av kylmedelsmunstycken av titanlegering som används i svarvningsvalsverk. Detta är en korrosionsbeständig titanlegeringskvalitet. På grund av motståndskraften hos titanlegering, en positiv verktygsgeometrivinkel måste användas, och uppmärksamhet måste ägnas åt formen på verktygshuvudet. Om verktygets botten- eller spånvinkel är för liten, verktyget kommer att börja generera spänning, vilket kommer att orsaka många problem. Därför, den bästa balansen måste hittas mellan den positiva geometriska vinkeln på verktygshuvudet och stödet för skäreggen.

Skoretz beskrev utvecklingsstatusen för CNC-skärverktyg ur ett historiskt perspektiv. 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. Därför, 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.” Han använder också oljebaserade skärvätskor vid bearbetning, men använder främst sina smörjande egenskaper snarare än kylningsförmåga.

Andra bearbetningsverkstäder har också olika svarvmetoder av titanlegering, eftersom det finns olika lösningar för all materialborttagning.

Mitt företag har 30% av verksamheten bearbetar bildelar, många av dem är dyra titandelar. Eftersom de bästa racingteamen är villiga att betala extra för lätta och höghållfasta delar för att hålla sina bilar på den lägsta vikt som reglerna tillåter. Men samtidigt, den kan fortfarande behålla kontrollen över fördelningen av hela sin kroppsvikt. Till exempel, minska massan av roterande delar och icke-upphängningsdelar (såsom hjul och bromskomponenter) kan effektivt förbättra acceleration och köregenskaper. The titanium alloy parts processed by our company include parts that run between the brake caliper and the rotor.

Rayco president Greg Cox also stated that in order to successfully CNC turning titanium alloys, a balanced approach is needed. He believes that when selecting cutting parameters, it is important not to squeeze the titanium workpiece material during processing, otherwise it is easy to produce work hardening and cause great troubles in processing. The processing parameters usually used by Rayco are: cutting speed 120sfm, feed amount 0.13-0.20mm.

The depth of cut is also important. Similarly, a moderate depth of cut is the best choice. The maximum depth of cut used by Rayco is 0.8-1mm. Rayco’s titanium alloy parts can be processed in batches as high as 200 bitar, but most of them are between 5-20 bitar. Cox said that Rayco is also continuing to improve the process, but must be careful when it comes to cutting parameters, because titanium alloys are quite expensive, so as not to cause parts to be scrapped. The price of titanium alloys has risen rapidly, from US$47/lb to US$68/lb last year. The high price of titanium alloy has also tightened the inventory of workpiece materials.

Scott Holland, general manager of the R&D and manufacturing branch of diving equipment manufacturer Atomic Aquatics, sa: 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. Därför, Holland hopes to reach an optimal balance point, men denna balans är inte bara siffror och procedurer. Holland har nästan tio års erfarenhet av bearbetning av titanlegeringar. Han förlitar sig också på att observera formen på arbetsstycken och verktyg och lyssna på skärljud för att bemästra denna balans. Holland sa att bearbetning av titanlegeringar också kan vara relativt enkel. “Om du använder vassa verktyg och byt verktygen efter din beräknade tid, du kan bara bearbeta titanlegeringar inom ett begränsat intervall. Du kan prova på ditt eget sätt, men det fungerar inte nödvändigtvis. Titanlegeringsbearbetning har vissa regler, om du behärskar dessa regler, du kan vara händig. ”

Den ökande användningen av titanlegeringar har främjat utvecklingen av skärteknik, som fokuserar på att effektivt svarva titanlegeringar. Sandviks processledning och teknik betonade det vid svarvning av titanlegeringar, kemiskt slitage är den huvudsakliga verktygsfelmekanismen, och högtemperaturskärning påskyndar kemiskt slitage.

När de varma spånorna skrapar verktygets rakyta, de faktiskt “drar” kobolten från bladet. Mills introducerade en tvåstegsmetod för att minska skärtemperaturen: Det första steget är att använda verktygsgeometridesign (såsom fyrkantiga eller runda blad med en 45° vinkel) för att minska spåntjockleken för att minska skärtemperaturen och minska det kraterslitage som orsakas av detta. Till sist, en högre matningshastighet kan användas och verktygslivslängden kan förlängas; Det andra steget är att använda en högtryckskylvätska med en speciell form. Denna kylvätska har inte bara ett högt tryck, men presenterar också ett mycket exakt laminärt jetmönster, som kan bilda en “vattenkil” mellan spånorna och spånytan på bladet för att hålla upp spånorna. Minimera kontakten med räffladen, för att förhindra att verktyget slits på krater.

Sandviks Jetbreak-kylsystem har ett tryck på 1000-3000 psi, ett munstycke med en diameter på 1.27 mm och en vanlig emulsionskylvätska. Det har inte bara en kylande effekt, men kan också generera lyft för att hålla chipsen, vilket kan minska friktionen och temperaturen mellan spånen och spånytan. Att använda detta system kan öka skärhastigheten med 50%.

Mills beskrev effekten av att kombinera ovanstående två kylningsstrategier: Använder CNMG-skär med -5° ledningsvinkel för att optimera skärparametrarna (skärhastighet: 40m/min, inmatningshastighet: 0.3mm/varv) vid bearbetning av titanlegeringar, verktygslivslängden handlar om 20 minuter; Vid bearbetning med runda skär eller fyrkantiga skär med 45° framvinkel, skärhastigheten kan ökas till 50-60m/min, matningshastigheten kan ökas till 0,4 mm/varv, och liknande verktygslivslängd kan bibehållas. Eftersom mer arbetsstyckesmaterial kan tas bort samtidigt, produktiviteten kan fördubblas genom att endast använda det fyrkantiga bladet. Om högtryckskylsystemet används igen, skärhastigheten kan ökas med en annan 50%.

Högtryckskylvätskan måste transporteras genom kanalen inuti maskinspindeln (inte det yttre röret). Kylvätskan strömmar genom en speciell koppling på Sandvik Capto-verktygschucken för snabbväxling, och Capto kontrollerar sitt tryck. När du installerar verktygsmaskinen, du kan enkelt installera detta högtryckskylsystem.

For workshops that often process titanium alloy parts (especially expensive large aerospace parts), de 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.