Uitgebreide gids voor het bewerken van titaniumlegeringen

Titaan en legeringen gebruiken hun unieke eigenschappen om steeds vaker in de luchtvaart- en biomedische sectoren toegepast te worden. Dit populaire metaal heeft anti-roest en anti-chemische effecten, kan gerecycled worden, en heeft licht gewicht, hoge sterkte en uitstekende corrosieweerstand, wat veel ingenieursproblemen oplost. Titaanonderdelen duren langer en bieden betere prestaties en resultaten dan andere metalen en materialen.

Titaan is 30% sterker dan staal, maar bijna 50% lichter dan staal. Titaan is 60% zwaarder dan aluminium, maar de sterkte is twee keer zo groot als die van aluminium. Echter, bij het bewerken van titaniumlegeringen en het selecteren van de juiste gereedschappen en parameters, moeten enkele uitdagingen overwogen worden.

Hier hebben we een diepgaand begrip van titaanbewerking, waarom het zo moeilijk is om titaan te bewerken, en bieden we enkele technische inzichten en tips die de succesratio van titaanverwerking kunnen verbeteren, inclusief de voordelen en toepassingen.

Titaanbewerking variëteiten

Er zijn veel kwaliteiten en variëteiten van titaniumlegeringen, meer dan 100 soorten. Elke legering heeft zijn eigen unieke eigenschappen. 40-50 soorten zijn in de industrie beschikbaar, en meer dan tien zijn de meest gebruikte. Inclusief diverse smaken van industriële zuiver titaan en geselecteerde titaniumlegeringen, zoals Ti-6AL-4V, Ti-5AL-2.5Sn, TI-2AL-1.5Mn, Ti-3AL-2.5V, Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo, en Ti-10V-2Fe-3AL en Ti-0.20Pd, T-0.3Mo-0.8N, etc. Echter, voor de meeste landen zijn de eerste twee belangrijke legeringen (Ti-6Al-4V, Ti-5A-2.5Sn) de meest typische, en ze worden ook wereldwijd erkend.

Volgens de organisatieclassificatie worden titaniumlegeringen ingedeeld in de volgende drie categorieën: α-legeringen, (α+β) legeringen en β-legeringen.

α Titaniumlegering

Het is een enkelvoudige legering samengesteld uit α-fase vaste oplossing. Het is α-fase ongeacht normale temperatuur of hogere praktische toepassingstemperatuur, met stabiele structuur, hogere slijtvasteheid dan zuiver titaan, en sterke oxidatiewerstand. Bij een temperatuur van 500°C tot 600°C behoudt het nog steeds zijn sterkte en Kriekwiderstand, maar kan niet worden versterkt door warmtebehandeling, en de kamertemperatuursterkte is niet hoog.

β Titaniumlegering

Het is een enkelvoudige legering samengesteld uit β-fase vaste oplossing. Het heeft hoge sterkte zonder warmtebehandeling. Na afkoeling en oudering wordt de legering verder versterkt. De kamertemperatuursterkte kan 1372 ~ 1666 MPa bereiken; maar de thermische stabiliteit is slecht en het is niet geschikt voor gebruik bij hoge temperaturen.

α+β Titaniumlegering

Het is een tweefase legering met goede algemene eigenschappen, goede structurele stabiliteit, goede zwaartekracht, plasticiteit en hoge-temperatuur vervormingseigenschappen, en kan goed warmte-drukverwerking uitvoeren, en kan worden afkoeld en geouderd om de legering te versterken. De sterkte na warmtebehandeling is ongeveer 50%-100% hoger dan de gegloeide toestand; de hoge-temperatuursterkte is hoog, en het kan langdurig werken bij een temperatuur van 400℃～500℃, en de thermische stabiliteit is na die van α titaniumlegering.

De meest gebruikte van de drie titaniumlegeringen zijn α titaniumlegering en α + β titaniumlegering. α titaniumlegering heeft de beste bewerkbaarheid, gevolgd door α + β titaniumlegering, en β titaniumlegering is de slechtste.

Waarom is titaan moeilijk te bewerken?

Fysische verschijnselen van titaanbewerking

De snijkracht tijdens de bewerking van titaniumlegering is slechts iets hoger dan die van staal met dezelfde hardheid, maar het fysische verschijnsel van de bewerking van titaniumlegering is veel complexer dan dat van de bewerking van staal, wat titanumbewerking met enorme problemen confronteert.

De warmtegeleiding van de meeste titaniumlegeringen is erg laag, slechts 1/7 van die van staal en 1/16 van die van aluminium. Daarom zal de warmte die gegenereerd wordt tijdens het snijden van titaniumlegering niet snel worden overgedragen aan het werkstuk of door de spanen weggevoerd, maar geconcentreerd in het snijgebied. De gegenereerde temperatuur kan zo hoog oplopen als 1.000 ℃, waardoor de snijrand van het gereedschap snel verslijt, barst en opgebouwde rand ontstaat, snelle slijtage van de mesjes ontstaat, en meer warmte in het snijgebied genereert, wat de levensduur van het gereedschap verder verkort.

De hoge temperatuur die gegenereerd wordt tijdens het snijproces vernietigt ook de oppervlakte-integriteit van de titaniumlegeringsonderdelen, wat resulteert in een afname van de geometrische nauwkeurigheid van de onderdelen en een werkverhardingsverschijnsel dat de vermoeidheidssterkte ernstig verlaagt.

De elasticiteit van titaniumlegering kan voordelig zijn voor de prestaties van onderdelen, maar in het snijproces is de elastische vervorming van het werkstuk een belangrijke oorzaak van trilling. De snijddruk zorgt ervoor dat het "elastische" werkstuk het gereedschap verlaat en terugkaatst, zodat de wrijving tussen het gereedschap en het werkstuk groter is dan de snijactie. Het wrijvingsproces genereert ook warmte, wat de slechte warmtegeleiding van titaniumlegeringen verergeren.

"Hitte" is de "dadertje" in de moeilijke bewerking van titaniumlegeringen!

Hoe de titaanbewerking te verbeteren?

Op basis van het begrip van het bewerkingsmechanisme van titaniumlegeringen, plus eerdere ervaring, zijn de belangrijkste technologische know-how voor het bewerken van titaniumlegeringen als volgt:

Meer koelmiddel

Titaan is een isolator, dus de warmte die gegenereerd wordt tijdens de snijbewerking heeft de neiging om in de buurt van het snijgereedschap te blijven. Een duidelijke manier om om te gaan met overmaat van warmte is koelmiddel toe te voegen. Het werkgebied en gereedschappen worden besproeid met 10% geconcentreerd koelmiddel geleverd onder hoge druk om ervoor te zorgen dat het contactgebied koel blijft en alle warmte-dragende spanen weggewaaid worden.

Hoge-druk koelmiddel

Voor draai-toepassingen zijn de locatie en druk van het koelmiddel cruciaal. Met de juiste toepassing kunnen hogere oppervlaktesnelheden en metaalverwijderingssnelheden worden bereikt. Het enige nadeel is dat het basismateriaal zich opnieuw op het oppervlak van het onderdeel kan neerleggen. Dit kan worden overwonnen door de snijstrategie te plannen en de koelmiddeldruk te verlagen voor de eindafwerking.

Constant voorschub

Titaan is gevoelig voor werkverharding, dat wil zeggen, bij het snijden van materialen wordt titaan harder en verslijdt daardoor meer gereedschappen. De constante voorschub zorgt ervoor dat het bewerkte verhardde materiaal op een absoluut minimum wordt gehouden.

Verhoog de voedselsnelheid

Als de machine het toestaat, betekent het verhogen van de voedselsnelheid dat het gereedschap minder tijd in een specifiek gebied doorbrengt, zodat er geen meer tijd is voor warmteopbouw en werkverharding om de snijrand van het gereedschap te beïnvloeden.

Gereedschappen

De PVD-gecoate hardmetaalpunt is het meest geschikte gereedschap voor het snijden van titaan. Nieuwere en meer geavanceerde gereedschapscoatings kunnen ook worden aangeboden, zoals TiAIN (titanium aluminium nitriet). Titaan is een elastisch materiaal, dus dit scherpe gereedschap is absoluut essentieel. Stompe gereedschappen zullen het oppervlak wissen en trillingen veroorzaken.

Spankontrole

Titaan produceert lange spanen, die het gereedschap gemakkelijk kunnen beschadigen en het oppervlak van het werkstuk kunnen markeren. Daarnaast zijn lange, dunne spanen niet ideaal omdat ze niet helpen om warmte van het werkgebied af te voeren. Daarom is bij het bewerken van titaan ideale gereedschappen en gereedschappaden ideaal om kleinere en dikke spanen te maken.

Gereedschappad

Het kiezen van het juiste gereedschappad bij het bewerken van titaan is even belangrijk als het kiezen van het juiste gereedschap. Bij het bewerken van titaan is het absoluut noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het gereedschappad altijd het werkstuk aanspreekt. Bij het snijden van een gleuf, zal het gereedschappad gecombineerd met een cycloid patroon de tijd verminderen dat een gleuf met het materiaal in contact komt, wat helpt de warmteopbouw te beperken. Het aandrijven van het snijgereedschap in en uit het werkstuk helpt schokken en plotselinge bewegingen te verminderen die het gereedschap ernstig kunnen beschadigen.

Werkstukmachine

Een robuuste werktuigmachine is essentieel voor de succesvolle bewerking van titaan. De ideale titaanfreesa machine moet stijf zijn, en de spil moet in staat zijn om te draaien bij lage spilsnelheid en hoog koppel. Dit helpt trillingen te absorberen en ratelen tijdens het snijden te verminderen, wat een veelvoorkomend probleem is bij het bewerken van titaniumlegeringen.

Voordelen en nadelen van titaanbewerking

Titaniumlegering heeft de voordelen van licht gewicht, hoge sterkte, goede corrosieweerstand, etc., dus het wordt wijd gebruikt in de auto-industrie. Het meest gebruikte titaniumlegering is in auto-motoren. De lage dichtheid van titaniumlegering kan de inertiële massa van bewegende delen verminderen. Tegelijkertijd kan de titaanklepveer de vrije trilling verhogen, de trilling van de voertuigkarosserie verminderen, en de motortoer en uitvermogen verhogen.

Het kiezen van titaniumlegering kan de belastingsspanning van gerelateerde onderdelen verminderen en de grootte van de onderdelen verkleinen, waardoor de kwaliteit van de motor en het gehele voertuig wordt verminderd. De vermindering van de inertiële massa van de onderdelen vermindert de trilling en geluid en verbetert de motorprestaties. De toepassing van titaniumlegering op andere onderdelen kan het comfort van het personeel en de schoonheid van de auto verbeteren. In de toepassing van de auto-industrie heeft titaniumlegering een onschatbare rol gespeeld in energiebesparing en verbruiksvermindering.

Hoge corrosieweerstand, uitstekende bio-compatibiliteit en de beste sterkte-gewichtsverhouding van alle metalen. Deze kwaliteiten maken titaniumlegering een bijzonder gezocht materiaal in de luchtvaart- en medische industrie.

Vanwege de affiniteit voor andere elementen kan titaan niet in de natuur worden gevonden, dus complexe en energieverterende processen zijn vereist om het te raffineren. Dit betekent dat de prijs van titaniumlegeringen veel hoger is dan andere metalen, of het nu de initiële vertering van het metaal of de daaropvolgende bewerking is.

Een ander groot nadeel van titaan is de technische moeilijkheid in het bewerkingsproces.

Gerelateerd artikel: Alles over roestvrij staal bewerkingsonderdelen

Alles over messing bewerkingsonderdelen

Alles over aluminium bewerkingsonderdelen