Dôvody, prečo sa zliatina titánu ťažko spracováva a ako sa s tým vysporiadať

Titán je dôležitý konštrukčný kov vyvinutý v 50. rokoch minulého storočia. Zliatiny titánu sú široko používané v rôznych oblastiach kvôli ich vysokej pevnosti, dobrej odolnosti proti korózii a vysokej tepelnej odolnosti. Mnohé krajiny vo svete uznali dôležitosť materiálov zliatiny titánu, postupne na nich uskutočnili výskum a vývoj a získali praktické aplikácie. V 50. a 60. rokoch 20. storočia boli vyvinuté najmä vysokoteplotné zliatiny titánu pre letecké motory a konštrukčné zliatiny titánu pre draky lietadiel. V sedemdesiatych rokoch minulého storočia bola vyvinutá séria zliatin titánu odolných voči korózii. Od 80. rokov 20. storočia sa ďalej vyvíjali zliatiny titánu odolné voči korózii a zliatiny titánu s vysokou pevnosťou. rozvíjať.

Titánová zliatina priniesla výrobnému priemyslu určité výzvy kvôli jej ťažko spracovateľným vlastnostiam.

Hustota titánových zliatin je vo všeobecnosti okolo 4,51 g/cm3, čo je len 60 % ocele. Hustota čistého titánu je len blízka hustote bežnej ocele. Niektoré vysokopevnostné zliatiny titánu prevyšujú pevnosť mnohých legovaných konštrukčných ocelí. Preto je špecifická pevnosť (pevnosť/hustota) titánovej zliatiny oveľa väčšia ako u iných kovových konštrukčných materiálov a možno vyrobiť diely s vysokou jednotkovou pevnosťou, dobrou tuhosťou a nízkou hmotnosťou. Zliatiny titánu sa používajú v komponentoch leteckých motorov, rámoch, plášťoch, spojovacích materiáloch a podvozkoch. Okrem toho sa zliatiny titánu široko používajú aj v automobilových súčiastkach, zdravotníckych zariadeniach a elektronickom priemysle 3C.

Rezná sila pri spracovaní zliatin titánu je len o niečo vyššia ako sila ocele rovnakej tvrdosti, ale fyzikálne javy spracovania zliatin titánu sú oveľa zložitejšie ako spracovanie ocele, takže spracovanie zliatiny titánu čelí obrovským ťažkostiam.
Tepelná vodivosť väčšiny zliatin titánu je veľmi nízka, iba 1/7 ocele a 1/16 hliníka. Preto teplo vznikajúce pri rezaní titánovej zliatiny nebude rýchlo prenesené na obrobok ani odvedené trieskami. Namiesto toho sa bude hromadiť v oblasti rezu a vygenerovaná teplota môže dosiahnuť viac ako 1000 stupňov, čo spôsobí rýchle opotrebovanie reznej hrany nástroja, vznik trhlín a zrastené hrany a rezná hrana sa rýchlo opotrebuje, čo vytvára viac tepla v oblasti rezu a ďalej skracuje životnosť nástroja.

Vysoká teplota vznikajúca počas procesu rezania tiež ničí integritu povrchu dielov zo zliatiny titánu, čo má za následok zníženie geometrickej presnosti dielov a jav deformácie, ktorý vážne znižuje ich únavovú pevnosť.
Elasticita titánových zliatin môže byť prospešná pre výkon dielu, ale počas procesu rezania je elastická deformácia obrobku dôležitou príčinou vibrácií. Rezný tlak spôsobí, že sa „elastický“ obrobok vzdiali od nástroja a odrazí sa, čo spôsobí, že trenie medzi nástrojom a obrobkom preváži reznú činnosť. Proces trenia tiež vytvára teplo, čo zhoršuje problém zlej tepelnej vodivosti titánových zliatin.
Tento problém je ešte závažnejší pri spracovaní tenkostenných alebo prstencových dielov, ktoré sa ľahko deformujú. Spracovať tenkostenné diely zo zliatiny titánu na očakávanú rozmerovú presnosť nie je jednoduché. Pretože pri odtláčaní materiálu obrobku nástrojom lokálna deformácia tenkej steny prekročila elastický rozsah a dochádza k plastickej deformácii, výrazne sa zvyšuje pevnosť a tvrdosť materiálu v mieste rezu. V tomto bode sa pôvodne určená rezná rýchlosť stane príliš vysokou, čo ďalej spôsobí rýchle opotrebovanie nástroja.

Preto je hlavným vinníkom ťažkostí pri spracovaní titánových zliatin "teplo".

Na prekonanie týchto výziev a úspešné opracovanie titánových zliatin možno použiť niekoľko prístupov. Tie obsahujú:

(1) Na zníženie reznej sily, rezného tepla a deformácie obrobku používajte doštičky s kladným uhlom.
(2) Udržujte konštantný posuv, aby ste zabránili stvrdnutiu obrobku. Nástroj musí byť počas procesu rezania vždy v stave posuvu. Radiálne rezné množstvo ae by malo byť 30 % polomeru počas frézovania.
(3) Na zabezpečenie tepelnej stability procesu obrábania a zabránenie degenerácii povrchu obrobku a poškodeniu nástroja v dôsledku nadmernej teploty používajte reznú kvapalinu s vysokým tlakom a vysokým prietokom.
(4) Udržujte ostrie čepele ostré. Tupé nástroje sú príčinou hromadenia tepla a opotrebovania, ktoré môže ľahko viesť k poruche nástroja.
(5) Spracujte zliatinu titánu čo najviac v čo najjemnejšom stave, pretože materiál sa po kalení ťažšie spracováva a tepelné spracovanie zvyšuje pevnosť materiálu a zvyšuje opotrebovanie čepele.
(6) Použite veľký polomer oblúka špičky nástroja alebo skosenie na vloženie čo najväčšej časti ostria nástroja do rezu. To znižuje reznú silu a teplo v každom bode a zabraňuje lokálnemu zlomeniu. Pri frézovaní titánovej zliatiny má spomedzi rezných parametrov najväčší vplyv na životnosť nástroja vc rezná rýchlosť, po ktorej nasleduje radiálny záber nástroja (hĺbka frézovania) ae.

Vo všeobecnosti je opotrebovanie drážky kotúča, ku ktorému dochádza pri obrábaní zliatin titánu, miestne opotrebovanie zadnej a prednej časti v smere hĺbky rezu. Často je to spôsobené vytvrdenou vrstvou, ktorá zostala po predchádzajúcom spracovaní. Chemická reakcia a difúzia medzi nástrojom a materiálom obrobku pri teplote spracovania presahujúcej 800 stupňov je tiež jednou z príčin opotrebovania drážky. Pretože počas procesu obrábania sa molekuly titánu z obrobku hromadia pred čepeľou a sú "privarené" k čepeli pod vysokým tlakom a teplotou, čím sa vytvorí nahromadená hrana. Keď sa nánosová hrana odlepí od reznej hrany, vezme so sebou karbidový povlak doštičky, takže obrábanie titánu vyžaduje špeciálne materiály a geometrie doštičiek.

Rezné podmienky, vrátane reznej rýchlosti, rýchlosti posuvu a hĺbky rezu, tiež zohrávajú dôležitú úlohu pri určovaní výkonu rezného nástroja a kvality hotového dielu. Optimálne rezné parametre sa môžu líšiť v závislosti od typu obrábanej titánovej zliatiny, ale vo všeobecnosti sa odporúčajú pomalšie rezné rýchlosti a vyššie rýchlosti posuvu, aby sa znížilo teplo a zabránilo sa mechanickému spevneniu.

Používanie správneho chladiaceho systému je rozhodujúce pre udržanie rezných nástrojov a obrobkov pri správnej teplote. Chladivá na vodnej báze, ako sú emulzie, sú široko používané pri obrábaní titánu, pretože poskytujú efektívne chladiace a mazacie vlastnosti bez toho, aby spôsobovali chemické reakcie s materiálom.
Napriek svojim výzvam zostáva titán veľmi vyhľadávaným materiálom, ktorý je rozhodujúci pre mnohé moderné aplikácie. Použitím správnych rezných nástrojov, rezných podmienok, chladiacich systémov a pokročilých techník obrábania je možné prekonať ťažkosti pri obrábaní tohto materiálu a naplno využiť jeho potenciál.