Titanbearbeitung: Warum sie schwierig ist und wie sie gehandhabt wird

Was macht Titan unterschiedlich zu schneiden

Die Härte des Materials ist nur ein Teil des Problems und oft ein kleiner. Die kontrollierenden Faktoren sind gleichzeitig chemischer, physikalischer und mechanischer Natur.

• Ein niedriger Verformungskoeffizient. Der Span ist dünn und der Verformungskoeffizient liegt nahe bei eins, sodass der Span über die Spanfläche weit gleitet und der abrasive Verschleiß beschleunigt wird.
• Wärme, die nirgendwohin entweichen kann. Die Wärmeleitfähigkeit von Titan ist ein kleiner Bruchteil der von Stahl, und die Kontaktlänge zwischen Span und Werkzeug ist sehr kurz. Die beim Schneiden erzeugte Wärme entweicht nicht in den Span oder das Werkstück; sie konzentriert sich in der Schnittzone und an der Schneide. Unter gleichen Bedingungen kann die Schnitttemperatur beim Schneiden von Titan wesentlich höher sein als beim Schneiden von Stahl.
• Eine kleine Kontaktfläche, die eine große Last trägt. Weil die Kontaktlänge kurz ist, ist der Flächendruck auf der Kontaktfläche hoch. Das ist es, was Abplatzungen und Kantendefekte verursacht, selbst wenn die gesamte Schneidkraft geringer ist als bei Stahl.
• Ein niedriger Elastizitätsmodul. Titan weicht unter Schnittkraft aus, was Vibrationen erzeugt, das Werkstück vom Werkzeug wegzieht und die Maßgenauigkeit verschlechtert. Dünne Wände und schlanke Wellen verstärken dies.
• Arbeitsbedingte Härtung und kontaminierte Haut. Titan reagiert bei Schneidetemperatur leicht mit Sauerstoff und Stickstoff, um eine harte, spröde Oberflächenschicht zu bilden, und plastische Verformung trägt dazu bei. Die harte Haut reduziert die Dauerfestigkeit und beschleunigt den Werkzeugverschleiß. Schmieden, Walzen und Gießen hinterlassen alle eine harte, ungleichmäßige Haut, die das schwierigste Material am Bauteil zu entfernen ist.
• Chemische Affinität. Titan neigt dazu, an Schneidwerkzeugmaterialien zu haften und gegen sie zu reiben, wodurch Haft- und Diffusionsverschleiß entsteht. Bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten verschleißt die Freifläche; bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten verschleißt die Spanfläche; und beim Drehen kann die Spanfläche schneller verschleißen als die Freifläche.

Verfügbare Werkzeugoptionen

Zwei Ziele bestimmen die Werkzeugauswahl: die Schneidtemperatur niedrig zu halten und die Haftung zu reduzieren.

• Verwenden Sie Hartmetall, nicht Schnellarbeitsstahl. Schnellarbeitsstahl hat nicht die Warmhärte für Titan. Hartmetallsorten mit guter Warmhärte, Biegefestigkeit bei Querkraft und Wärmeleitfähigkeit sowie geringer Affinität zu Titan sind der Standard.
• Vermeiden Sie titanaffine Beschichtungen und Qualitäten. Beschichtete Einsatzwerkzeuge und Sorten, die stark mit Titan reagieren, beschleunigen den Adhäsionsverschleiß und sind eine schlechte Wahl für Titan.
• Für komplexe Mehrkant-Werkzeuge — Bohrer, Reibahlen, Schaftfräser, Räumwerkzeuge und Gewindebohrer — der übliche Weg ist ein Hochgeschwindigkeitsstahl mit hohem Vanadium-, hohem Kobalt- oder hohem Aluminiumgehalt, der Schneidenzähigkeit mit Hitzebeständigkeit ausgleicht.
• Diamant und kubisches Bornitrid bringen große Gewinne, wo die Geometrie sie erlaubt, und werden je nach Operation mit und ohne Kühlmittel verwendet.

Prozessentscheidungen

• Klemmkraft. Da der Elastizitätsmodul niedrig ist, verformt sich das Werkstück sowohl beim Spannen als auch beim Schneiden. Der Spannungsdruck sollte so niedrig wie sicher gehalten werden, wobei zusätzliche Stützen hinzugefügt werden, wo sich ansonsten ein dünner Abschnitt bewegen würde.
• Steifheit des gesamten Systems. Radiale Ablenkung erzeugt Vibrationen, die das Werkzeug abnutzen und die Toleranz verderben. Maschine, Halter und Werkstück müssen als steife Kette wirken; ein schlankes Teil benötigt eine laufruhige oder gleichwertige Unterstützung.
• Vorschub und Schnittgeschwindigkeit. Sehr leichte Vorschübe und sehr hohe Geschwindigkeiten begünstigen Reibung, Wärmeaufbau und Gallenbildung. Ein schwererer Vorschub, der die Schneide eher schneidend als reibend hält, ist im Allgemeinen stabiler, und die Spanstärke wird bewusst so gesteuert, dass feine Späne keine Gefahr darstellen.
• Chip-Management und Brandrisiko. Feine Titanspäne können sich entzünden. Kühlmittel überfluten, Späne aus der Maschine entfernen, anstatt sie sich ansammeln zu lassen, Werkzeuge sofort austauschen, sobald sie stumpf werden, und Geschwindigkeit zugunsten der Vorschubgeschwindigkeit reduzieren, sind die üblichen Vorsichtsmaßnahmen. Wenn ein Titanspänefeuer entsteht, muss es erstickt werden — Wasser beschleunigt es, und die Verwendung eines wasserbasierten Feuerlöschers oder von Kohlendioxid oder Tetrachlorkohlenstoff ist gefährlich. Trockenes Pulver, Kalksteinpulver oder trockener Sand sind die richtigen Löschmittel.

Kontaminationsregeln

Das sind keine optionalen Hausarbeiten. Sie sind der Grund, warum Titanteile, die aus einer Werkstatt kommen, die auch Stahl bearbeitet, eine separate Disziplin benötigen.

1. Kein wasserstoffhaltiges Kühlmittel in einer Weise, die aufgenommen werden kann. Bei Schneidetemperatur kann Wasserstoff freigesetzt werden, vom Titan aufgenommen werden und Wasserstoffversprödung verursachen — oder zur Spannungsrisskorrosion beitragen.
2. Kühlmittel, das Chloride enthält, muss sorgfältig gehandhabt werden. Chloride können bei der Verwendung zersetzen oder gefährliche Dämpfe freisetzen, erfordern Schutzmaßnahmen, und das Teil muss anschließend gründlich mit einem chloridfreien Reiniger gereinigt werden, um alle Rückstände zu entfernen.
3. Kein Blei, Zink, Kupfer, Zinn oder Cadmium oder deren Legierungen, die mit Titan in Kontakt kommen. Werkzeuge, Vorrichtungen und Handhabungsgeräte aus diesen Materialien sind im Kontakt mit Titanarbeiten verboten.
4. Alles, was das Teil berührt, muss sauber sein. Fett- und Fingerabdruckkontaminationen auf einem gereinigten Titanteil können später chloridebedingte Spannungsrisskorrosion verursachen, daher muss auf die Reinigung eine kontrollierte Handhabung folgen.

Wie dies hier gehandhabt wird

Die Bearbeitung wird durchgeführt durch Baoji Tuohang Präzisionsfertigung GmbH auf 5-Achsen-Simultan-, 4/3-Achsen- und Drehmaschinen, mit Zwischenmessungen und KMG-Prüfung anhand der Zeichnung. Da die auf der Zeichnung angegebene Güte das Schneidverhalten bestimmt, geben wir die Güte und den Prozess zusammen an, anstatt das Material als gegeben zu betrachten.