La lega di titanio è ampiamente utilizzata nell'industria aerospaziale, medica, automobilistica e in altri settori di produzione di fascia alta a causa delle sue eccellenti proprietà, come l'elevata resistenza specifica,resistenza alla corrosione e biocompatibilitàTuttavia, la sua scarsa lavorabilità, caratterizzata da alta temperatura di taglio, forte usura degli utensili e facile indurimento del lavoro, pone grandi sfide ai processi di lavorazione.ridurre il consumo di utensili e garantire la qualità del pezzo, è essenziale padroneggiare i seguenti tre punti chiave, con particolare attenzione alla selezione del rivestimento e all'ottimizzazione dei parametri di taglio.
Punto chiave 1: comprendere la lavorabilità della lega di titanio
Prima di selezionare i rivestimenti e fissare i parametri di taglio è necessario chiarire le caratteristiche intrinseche della lega di titanio che influenzano l'elaborazione,che costituisce la base per la successiva ottimizzazione:
•Bassa conducibilità termicaLa conducibilità termica della lega di titanio è solo 1/4~1/5 di quella dell'acciaio.la maggior parte del calore generato si accumula nella zona di taglio (punta dell'utensile e zona di contatto del pezzo di lavoro) invece di essere dissipato attraverso le truciole o i pezzi di lavoro, che porta ad una temperatura locale estremamente elevata (fino a 800~1000°C), che accelera l'usura dell'utensile e la deformazione del pezzo.
•Alta attività chimica: alle alte temperature, la lega di titanio è facile da reagire con ossigeno, azoto e carbonio nell'aria per formare composti duri e fragili (come TiO2, TiN, TiC),che aumenterà la forza di taglio e causerà usura abrasiva degli utensiliPuò anche attaccarsi al materiale dell'utensile, causando usura adesiva.
•Tendenza al rinforzo del lavoro: la lega di titanio ha un'elevata resistenza al rendimento e un evidente effetto di indurimento del lavoro.che graffiano lo strumento e influenzano la qualità superficiale dell'elaborazione successiva.
Nota: il P1 può essere un diagramma di confronto della conduttività termica tra lega di titanio e metalli comuni, o un diagramma microscopico dello strato di indurimento del lavoro della lega di titanio dopo il taglio.
Punto chiave 2: selezione razionale dei rivestimenti degli utensili
I rivestimenti degli utensili svolgono un ruolo cruciale nella lavorazione delle leghe di titanio riducendo l'attrito, isolando le alte temperature, migliorando la stabilità chimica e aumentando la resistenza all'usura.La scelta dei rivestimenti deve essere basata sul tipo di lega di titanio (come Ti-6Al-4V), titanio puro), metodo di lavorazione (fresatura, tornitura, trivellazione) e requisiti di lavorazione (grossimità, finitura).
2.1 Rivestimento in nitruro di titanio (TiN)
Il rivestimento in TiN è un tradizionale rivestimento duro con una durezza di circa 2000 ~ 2500 HV e un basso coefficiente di attrito (0,4 ~ 0,6).e può ridurre efficacemente l'usura dell'adesivo tra lo strumento e la lega di titanioTuttavia, la sua resistenza all'ossidazione è scarsa e si ossida e non funziona quando la temperatura supera i 500 °C. È adatto per la lavorazione a bassa velocità di titanio puro e di titanio a bassa lega,o scenari di lavorazione a bassa temperatura di taglio.
2.2 Rivestimento in carbonitruro di titanio (TiCN)
Il rivestimento TiCN è una versione migliorata del TiN, con una durezza di 2500 ~ 3000 HV, una maggiore resistenza all'usura e stabilità termica rispetto al TiN.L'aggiunta dell'elemento carbonio migliora la resistenza del rivestimento all'usura da adesivo e da abrasivo, e la sua temperatura di resistenza all'ossidazione è aumentata a 600 ~ 650 °C. È adatto per la tornitura e la fresatura a media velocità di Ti-6Al-4V e di altre leghe di titanio comunemente utilizzate,e può bilanciare l'efficienza di lavorazione e la durata dell'utensile.
2.3 Rivestimento in nitruro di titanio di alluminio (AlTiN)
Il rivestimento in AlTiN è un rivestimento resistente alle alte temperature con eccellenti prestazioni complete, con una durezza di 3000 ~ 3500 HV e una temperatura di resistenza all'ossidazione fino a 800 ~ 900 °C.L'elemento di alluminio nel rivestimento forma un film denso di Al2O3 ad alta temperatura, che può isolare efficacemente la reazione chimica tra lega di titanio e il substrato dell'utensile (come il carburo) e ridurre significativamente l'usura termica e l'usura chimica.È il rivestimento preferito per la finitura ad alta velocità e la semifinazione della lega di titanio, particolarmente adatto a scenari di lavorazione ad alta temperatura come la fresatura ad alta velocità e la perforazione a profondo.
2.4 Rivestimento di carbonio simile al diamante (DLC)
Il rivestimento DLC ha un coefficiente di attrito estremamente basso (0,1 ~ 0,2) e un'elevata durezza (1500 ~ 2500 HV), che può ridurre al minimo l'attrito e l'adesione tra lo strumento e la lega di titanio,Evitare l'indurimento del lavoro causato da una forza di taglio eccessivaTuttavia, la sua stabilità termica è scarsa (fallimento dell'ossidazione al di sopra di 400°C) ed è fragile, quindi è indicata solo per le operazioni a bassa velocità,con una lunghezza massima di 20 mm o più, ma non superiore a 30 mm, e non per la lavorazione a alta temperatura.
Nota: il P2 può essere una tabella di confronto delle prestazioni di diversi rivestimenti (durezza, temperatura di ossidazione, scenario applicabile) o un diagramma fisico di utensili rivestiti per l'elaborazione di leghe di titanio.
Punto chiave 3: impostazione scientifica dei parametri di taglio
I parametri di taglio (velocità di taglio, velocità di alimentazione, profondità di taglio) influenzano direttamente la temperatura di taglio, la forza di taglio, l'usura dell'utensile e la qualità del pezzo.il principio fondamentale della regolazione dei parametri è:"bassa velocità di taglio, velocità di alimentazione moderata, piccola profondità di taglio", per controllare la temperatura di taglio e ridurre l'indurimento del lavoro.e attrezzi in carburo come esempi):
3.1 Parametri di rotazione
•Velocità di taglio (vc): per la lavorazione grezza, la velocità è di 30~60 m/min; per la finitura, è di 60~100 m/min. Se si utilizzano attrezzi rivestiti con AlTiN, la velocità può essere adeguatamente aumentata a 80~120 m/min; per il titanio puro,la velocità deve essere ridotta del 20% al 30% per evitare un'eccessiva adesione.
•Tasso di alimentazione (f): la velocità di alimentazione è di 0,1 - 0,3 mm/h per la macinazione grezza e di 0,05 - 0,15 mm/h per la finitura.una velocità di alimentazione troppo bassa farà sfregare lo strumento contro il pezzo da lavoro, accelera l' usura.
•Profondità di taglio (ap): la profondità di taglio per la macinazione è di 1 a 3 mm e per la finitura di 0,1 a 0,5 mm. Non è raccomandato un taglio inferiore a 0,1 mm,perché lo strumento scivolerà sullo strato indurito del pezzo da lavoro, con conseguente forte usura abrasiva.
3.2 Parametri di fresatura
•Velocità di taglio (vc): per la fresatura periferica, la velocità è di 20~50 m/min; per la finitura, è di 50~80 m/min.40~70 m/min per la lavorazione grezza e 70~100 m/min per la finituraGli strumenti rivestiti possono aumentare la velocità del 10% al 20%.
•Tasso di alimentazione per dente (fz)Per la fresatura finale di pezzi a parete sottile, la velocità di alimentazione per dente è pari a 0,05 mm/0,15 mm/dente per la lavorazione grezza e a 0,02 mm/0,08 mm/dente per la lavorazione di finitura.la velocità di alimentazione deve essere ridotta per evitare la deformazione del pezzo.
•profondità di taglio (ap/ae): La profondità assiale del taglio (ap) per la macinazione è di 0,5 a 2 mm e per la finitura di 0,1 a 0,3 mm; la profondità radiale del taglio (ae) è generalmente del 50% al 100% del diametro dell'utensile.
3.3 Parametri di perforazione
La perforazione di leghe di titanio è soggetta a problemi quali intasamento dei chip, rottura degli utensili e scarsa qualità del foro.
•Velocità di taglio (vc): 10~30 m/min, inferiore a quello di tornitura e fresatura, per ridurre la temperatura della punta del trapano.
•Tasso di alimentazione (f): 0,1 - 0,2 mm/h, garantendo che i trucioli possano essere scaricati senza intoppi senza intasare il foratore.
• Misure ausiliarie: utilizzare trapano di raffreddamento interno per spruzzare il liquido di taglio direttamente sulla punta del trapano, che può ridurre efficacemente la temperatura e i frammenti di scarico;adottare la perforazione intermittente (perforazione in e fuori ripetutamente) per evitare l'accumulo di frammenti.
Nota: il P3 può essere un diagramma di impostazione dei parametri per la tornitura/la fresatura/la perforazione o un diagramma di curva della relazione tra velocità di taglio e durata dell'utensile.
Riassunto
La chiave per il successo dell'elaborazione delle leghe di titanio risiede in tre aspetti: in primo luogo, comprendere appieno le caratteristiche di lavorabilità delle leghe di titanio per ottimizzare l'obiettivo;selezione del rivestimento appropriato dell'utensile in base a scenari di lavorazione per migliorare la resistenza all'usura e la stabilità ad alte temperature dell'utensileIn terzo luogo, la definizione di parametri scientifici di taglio per controllare la temperatura di taglio e ridurre l'indurimento del lavoro.è inoltre necessario abbinare con fluido di taglio di alta qualità (preferito per il fluido di taglio a base d'acqua con buone prestazioni di raffreddamento), o fluido di taglio a base di olio per la lavorazione a bassa velocità) e una geometria ragionevole degli utensili, in modo da ottenere il miglior effetto di lavorazione.