CNC-Bearbeitung von Titanlegierungen: Werkzeuge, Geschwindigkeiten und Kühlmittelpraxis

Korrektur zuerst: Titan ist kein leicht zu bearbeitendes Material

Titanlegierungen werden wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit geschätzt und werden häufig in Flugzeugstrukturen, Triebwerken, medizinischen Geräten und chemischen Geräten eingesetzt. Ihr Bearbeitungsverhalten wird jedoch häufig falsch dargestellt. Manchmal wird geschrieben, dass Titan eine mäßige Härte hat und sich leicht schneiden lässt, oder dass es chemisch stabil ist und daher beim Schneiden gegenüber Sauerstoff nicht reagiert. Keine der Aussagen überlebt den Kontakt mit einer Maschinenwerkstatt. Titan ist reaktiv: Es bildet sofort ein stabiles Oxid und absorbiert bei den an einer Schneidkante erreichten Temperaturen Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff, wodurch die Oberfläche spröde wird und eine harte, abrasive Alpha-Hülle entsteht. Die Bearbeitung von Titan ist aus gut bekannten physikalischen Gründen schwierig und die Parameter, die funktionieren, werden von ihnen bestimmt.

Geringe Wärmeleitfähigkeit, etwa 7 W/m·K, etwa ein Viertel so viel wie Stahl bei vergleichbarer Temperatur, sodass 70–80 % der Schneidwärme im Werkzeug und Werkstück verbleibt und nicht mit dem Span verschwindet.

Niedriger Elastizitätsmodul, etwa 110 GPa, sodass sich das Werkstück vom Werkzeug wegbiegt, was zu Rattern, schlechter Maßhaltigkeit und beschleunigtem Kantenabplatzen führt.

Hohe chemische Affinität zu WerkzeugmaterialienDies führt zu Druckverschweißungen und Abrieb an der Spanfläche, was eher zu einer Aufbauschneide und einem katastrophalen Kantenversagen als zu glattem Flankenverschleiß führt.

Dünne, stark segmentierte Chipsmit einer kleinen Kontaktfläche, die eine sehr hohe Kontaktspannung und lokale Kantentemperaturen über 1000 Grad erzeugt.

Verfestigung und AlphafallbildungWenn die Oberfläche überhitzt oder verunreinigt ist, schneiden nachfolgende Durchgänge eine abrasive Schicht mit geringer Duktilität ab.

Richtwerte für Schnittdaten

Die Tabelle gibt Ausgangspunkte für Ti-6Al-4V mit modernen Werkzeugen an. Die Werte müssen auf die spezifische Maschine, Steifigkeit und Werkzeugsorte zugeschnitten werden; Sie sind ein Ausgangspunkt, keine Spezifikation.

Werkzeuge und Werkzeugmaterialien

Unbeschichtetes feinkörniges Hartmetall mit einer scharfen, positiven-Spangeometrie bleibt der Maßstab für die Endbearbeitung von Titan. PVD-Beschichtungen auf Basis von Aluminiumtitannitrid oder Aluminiumchromnitrid verlängern die Lebensdauer bei unterbrochenen Schnitten, wohingegen titanhaltige Beschichtungen wie Titannitrid normalerweise vermieden werden, da die Beschichtungschemie dem Arbeitsmaterial ähnelt und die Haftung fördert. Werkzeugkanten müssen scharf sein; Eine für Stahl konzipierte geschliffene oder abgeschrägte Kantengeometrie führt zum Rattern und zur Härtung von Titan. Kobalthaltiger Schnellarbeitsstahl wird immer noch für Gewindebohrer, Reibahlen und Niedergeschwindigkeitsbohren verwendet, wo seine Zähigkeit die geringere Warmhärte überwiegt. Polykristalliner Diamant wird bei der Massenproduktion von Titankomponenten verwendet, ist jedoch unter bestimmten Bedingungen chemisch ungeeignet für reines Titan und reagiert bei hohen Temperaturen mit dem Werkstück. Daher müssen die Angaben des Lieferanten befolgt werden.

Kühlmittel, Spankontrolle und Brandschutz

Verwenden Sie reichlich Hochdruck-Kühlmittel, das so nah wie möglich an der Schneidkante zugeführt wird. Durch-Werkzeugzustellung bei 3–7 MPa ist die Standardlösung für Bohren und tiefes Taschenfräsen.

Für die Wärmeableitung wird im Allgemeinen eine wasserbasierte Emulsion verwendet. Reine Öle verbessern die Oberflächengüte und die Standzeit beim Gewindeschneiden und Verzahnen. Die Schmierung mit minimaler-Menge eignet sich nur für leichte Endbearbeitungen, bei denen die Wärmeentwicklung gering ist.

Lassen Sie niemals zu, dass die Kühlmittelzufuhr mitten im Schnitt unterbrochen wird. Intermittierendes Abkühlen führt zu thermischen Wechseln und schnellem Kantenbruch.

Titanfeine sind pyrophor. Halten Sie die Späne frei, vermeiden Sie die Trockenbearbeitung feiner Späne, da diese sich in der Nähe von Zündquellen ansammeln können, lagern Sie sie getrennt und verwenden Sie ein geeignetes Trockenpulver-Löschmittel. Benutzen Sie keinen Wasserstrahl auf einem brennenden Titanspänehaufen.

Halten Sie die Kühlmittelkonzentration und das Filtersystem ein. Eine Verunreinigung mit Stahlfeinteilen beschleunigt das Festfressen und verringert die Oberflächenintegrität.

Werkstückspannung, Verformung und Oberflächenintegrität

Da sich Titan bei gleicher Schnittkraft etwa doppelt so stark durchbiegt wie Stahl, ist eine stabile und gut{0}}gestützte Spannvorrichtung wichtiger als die bloße Maschinenleistung. Unterstützen Sie dünne Abschnitte mit speziellen Vorrichtungen oder Opfermaterial, halten Sie das Werkstück so nah wie möglich an der Spindel, verwenden Sie Gleichlauffräsen für dünne Wände und führen Sie ausgewogene Schnitte auf beiden Seiten eines Stegs durch. Lassen Sie das Teil vor dem Schlichtdurchgang ein thermisches Gleichgewicht erreichen und vermeiden Sie ein erneutes Einspannen zwischen Schruppen und Schlichten, wenn die Maßtoleranzen eng sind. Nach jedem thermischen Vorgang - Schweißen, Wärmebehandlung oder einem Bearbeitungsdurchgang, der heiß genug ist, um die Oberfläche zu verfärben - muss die Alpha-Hülle durch Beizen oder mechanisches Bearbeiten entfernt werden, bevor das Teil in den Ermüdungszustand geht-kritischer Betrieb, da es spröde ist und Risse verursachen kann.

Häufige Missverständnisse

„Titan hat eine mäßige Härte und lässt sich daher leicht bearbeiten.“Die Eindruckhärte ist nicht die entscheidende Eigenschaft; Wärmeleitfähigkeit, Modul und chemische Affinität sind.

„Titan ist beim Schneiden chemisch inert.“Bei erhöhter Temperatur reagiert es leicht mit Sauerstoff und Stickstoff und bildet eine harte, spröde Oberflächenschicht.

„Höhere Geschwindigkeiten enden schneller.“Oberhalb des empfohlenen Fensters sinkt die Werkzeugstandzeit und die Oberflächenintegrität verschlechtert sich, sodass die Gesamtkosten steigen.

„Ein stärkerer Vorschub beschädigt immer das Teil.“Ein höherer Vorschub pro Zahn leitet in gewissen Grenzen die Wärme mit dem Span ab und verringert die Reibung; ein zu leichter Vorschub reibt und verfestigt sich stattdessen.

FAQ

F: Warum erhitzt Titan das Schneidwerkzeug so stark?
Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt nur etwa 7 W/m·K, so dass die an der Kante entstehende Wärme nicht schnell in den Span oder das Werkstück entweichen kann und sich im Werkzeug konzentriert.

F: Welche Beschichtungen werden für die Titanbearbeitung empfohlen?
PVD-Aluminiumtitannitrid oder Aluminiumchromnitrid, auf feinkörnigem Karbid mit einem scharfen positiven Spanwinkel; Unbeschichtetes Hartmetall eignet sich weiterhin hervorragend für die Schlichtbearbeitung.

F: Ist Hochdruckkühlmittel wirklich notwendig?
Beim Bohren, bei tiefen Taschen und beim hochproduktiven Drehen ist es entscheidend, sowohl für die Kühlung als auch für das Brechen der Späne; Leichte Endbearbeitungen können oft mit Flutkühlmittel oder Minimalmengenschmierung durchgeführt werden.

F: Was verursacht Rattern beim Fräsen dünner Titanwände?
Der niedrige Elastizitätsmodul von Titan ermöglicht eine Durchbiegung der Wand unter Schnittlast; Gleichlauffräsen, verringerter radialer Eingriff und bessere Abstützung der Wand beheben dieses Problem.

F: Stellen Titanspäne eine Brandgefahr dar?
Feine, trockene Späne können sich entzünden. Halten Sie sie frei und lagern Sie sie getrennt, vermeiden Sie Zündquellen und verwenden Sie trockene -Pulverlöschmittel anstelle von Wasser.

F: Verändert die Bearbeitung die Materialeigenschaften der Oberfläche?
Ja. Überhitzung und Verschmutzung können zu einer mit Sauerstoff angereicherten Alphaschicht und Eigenspannung führen, weshalb Schneidparameter die Oberflächenintegrität steuern und die Schicht an ermüdungskritischen Stellen entfernt wird.