Analyse des CNC-Bearbeitungsprozesses von Titanlegierungen

Was die Bearbeitung von Titanlegierungen erschwert

Drei Materialeigenschaften dominieren das Bearbeitungsverhalten von Titan. Erstens ist die Wärmeleitfähigkeit niedrig - bei etwa 7 W/mK für Ti-6Al-4V, etwa ein Fünftel von Stahl – so konzentriert sich die Schneidwärme an der Werkzeugkante, anstatt in den Span zu fließen. Zweitens führt die chemische Reaktivität von Titan dazu, dass es sich mit Werkzeugmaterialien verschweißt, was zu Aufbauschneiden- und Diffusionsverschleiß führt. Drittens bleibt die hohe Festigkeit der Legierung bei erhöhter Temperatur erhalten, sodass das Werkzeug ein Material schneidet, das hart bleibt, während das Werkzeug selbst weich wird. Das Ergebnis ist ein enges Schnittfenster, in dem Geschwindigkeit, Vorschub und Tiefe sorgfältig ausbalanciert werden müssen.

Prozessplanung für Titankomponenten

Die Prozessplanung beginnt mit der Materialauswahl: Walzbarren oder geschmiedete Vorformlinge mit gleichmäßiger Mikrostruktur lassen sich vorhersehbarer bearbeiten als gegossenes oder stark bearbeitetes Material. Die Abfolge verläuft typischerweise vom Schruppen, bei dem der Großteil des Materials bei mäßiger Geschwindigkeit und hoher Spanlast abgetragen wird, zum Vorschlichten und anschließenden Schlichten mit leichten Schnitten und scharfen Werkzeugen. Dünnwandige Komponenten werden mit einer Strategie bearbeitet, bei der sich Schnitte über das Teil abwechseln, um Restspannungen auszugleichen. Außerdem muss die Vorrichtungskonstruktion starr sein. - Titan verformt sich, bevor es nachgibt, und Vibrationen zerstören die Oberflächengüte.

Schnittparameter und Werkzeugauswahl

Für Ti-6Al-4V mit unbeschichteten Hartmetalleinsätzen liegen die praktischen Startparameter bei 30–60 m/min Schnittgeschwindigkeit beim Schruppen und 60–90 m/min beim Schlichten, mit Vorschüben von 0,1–0,3 mm/U beim Drehen und Spanlasten von 0,05–0,15 mm/Zahn beim Fräsen. Die Schnitttiefe beim Schruppen kann 2–4 mm betragen; Die Schlichtdurchgänge werden unter 1 mm gehalten. Positive Spanwinkel, scharfe Kanten und große Steigungswinkel reduzieren Schnittkräfte und Hitze. Hartmetallsorten im Bereich ISO K10-K20 oder PVD-beschichtetes Hartmetall sind die erste Wahl; Keramik- und CBN-Werkzeuge versagen auf Titan aufgrund chemischer Reaktivität und mechanischer Stöße.

Kühlung, Schmierung und Spankontrolle

Hochdruckkühlmittel, das mit 50-100 bar direkt in die Schneidzone geleitet wird, ist die wirksamste Maßnahme zur Verlängerung der Werkzeugstandzeit bei Titan. Es leitet Wärme ab, spült Späne weg und verhindert das erneute Zerschneiden verhärteter Späne. Da Titanspäne dünn und fadenziehend sind, sind Spanbrecher und Schneidzyklen erforderlich, um Vogelnester um das Werkzeug herum zu vermeiden. Bei schweren Schnitten reicht das Flutkühlmittel allein oft nicht aus; die Wärme, die nicht abgeführt werden kann, gelangt in das Werkzeug.

Qualitätskontrolle und häufige Fehler

Typische Mängel bei der CNC-Bearbeitung von Titan sind eine schlechte Oberflächengüte aufgrund von Werkzeugverschleiß, Maßabweichungen aufgrund von thermischem Wachstum, Gratbildung an den Ausgängen und Mikrorisse, die durch falsche Parameter verursacht werden. Zu den prozessbegleitenden Kontrollen gehören die Prüfung des Werkzeugverschleißes nach ISO 8688, die Messung der Oberflächenrauheit und die Maßprüfung des ersten-Artikels. Bei Arbeiten in der Luft- und Raumfahrt ist eine Dokumentation der Schmelzenzahl, der Charge und der Bearbeitungsparameter erforderlich, und die Teile werden nach der Bearbeitung häufig mit Farbeindringverfahren oder Ultraschallverfahren geprüft, um ihre Unversehrtheit zu bestätigen.

Häufig gestellte Fragen

Warum entsteht bei der Titanbearbeitung so viel Wärme am Werkzeug?

Die geringe Wärmeleitfähigkeit hält die Wärme in der Schneidzone und die Temperaturfestigkeit von Titan hält das Werkstück hart, sodass nahezu die gesamte Energie an der Werkzeugkante in Wärme umgewandelt wird.

Was ist die beste Schnittgeschwindigkeit für Ti-6Al-4V?

Für Hartmetallwerkzeuge sind 30–60 m/min beim Schruppen und bis zu 90 m/min beim leichten Schlichten ein praktischer Bereich; Höhere Geschwindigkeiten verkürzen die Standzeit des Werkzeugs erheblich.

Sollte ich bei der Bearbeitung von Titan Kühlmittel verwenden?

Ja. Es wird dringend empfohlen, an der Schneidzone ein Kühlmittel mit hohem Druck zu verwenden, um die Temperatur zu kontrollieren, Späne abzuspülen und eine Kantenbildung zu verhindern.

Warum versagen Keramikwerkzeuge auf Titan?

Titan reagiert bei der Schneidtemperatur chemisch mit keramischen Werkzeugmaterialien und führt zu schnellem Diffusionsverschleiß und Kantenbruch.

Wie kann ich Grate an Titanteilen vermeiden?

Verwenden Sie scharfe Werkzeuge, verringern Sie die endgültige Schnitttiefe und stützen Sie die Austrittskante ab; Entgratungsdurchgänge mit kleinem Steigungswinkel tragen dazu bei, die Gratbildung zu minimieren.

Was verursacht Vibrationen bei der Titanbearbeitung?

Aufgrund des niedrigen Moduls und der hohen Streckgrenze verformt sich Titan eher, als dass es beim Rattern sauber schneidet. Starre Aufspannung, kurzer Werkzeugüberhang und stabile Schnittparameter schaffen Abhilfe.