Põhjused, miks titaanisulamit on raske töödelda ja kuidas sellega toime tulla

Titaan on oluline ehitusmetall, mis töötati välja 1950. aastatel. Titaanisulameid kasutatakse laialdaselt erinevates valdkondades nende suure tugevuse, hea korrosioonikindluse ja kõrge kuumakindluse tõttu. Paljud maailma riigid on mõistnud titaanisulamist materjalide tähtsust, viinud järjestikku läbi nende alast uurimis- ja arendustegevust ning leidnud praktilisi rakendusi. 1950. ja 1960. aastatel töötati välja peamiselt kõrge temperatuuriga titaanisulamid kosmosemootorite jaoks ja struktuursed titaanisulamid lennukite keredele. 1970. aastatel töötati välja korrosioonikindlate titaanisulamite partii. Alates 1980. aastatest on korrosioonikindlaid titaanisulameid ja ülitugevaid titaanisulameid edasi arendatud. areneda.

Titaanisulam on toonud töötlevale tööstusele teatud väljakutseid oma raskesti töödeldavate omaduste tõttu.

Titaanisulamite tihedus on tavaliselt umbes 4,51 g kuupsentimeetri kohta, mis moodustab ainult 60% terasest. Puhta titaani tihedus on vaid lähedane tavalise terase tihedusele. Mõned ülitugevad titaanisulamid ületavad paljude legeeritud konstruktsiooniteraste tugevust. Seetõttu on titaanisulami eritugevus (tugevus/tihedus) palju suurem kui teistel metallist konstruktsioonimaterjalidel ning toota saab suure ühikutugevuse, hea jäikuse ja kerge kaaluga osi. Titaanisulameid kasutatakse lennuki mootorikomponentides, raamides, kestades, kinnitusdetailides ja telikutes. Lisaks kasutatakse titaanisulameid laialdaselt ka autoosade, meditsiiniseadmete ja elektroonika 3C tööstuses.

Titaanisulamite töötlemisel on lõikejõud vaid veidi suurem kui sama kõvadusega terasel, kuid titaanisulamite töötlemise füüsikalised nähtused on palju keerulisemad kui terase töötlemisel, mistõttu on titaanisulami töötlemisel tohutuid raskusi.
Enamiku titaanisulamite soojusjuhtivus on väga madal, ainult 1/7 terasest ja 1/16 alumiiniumist. Seetõttu ei kandu titaanisulami lõikamisel tekkiv soojus kiiresti töödeldavale detailile ega eemalda laastud. Selle asemel koguneb see lõikepiirkonda ja tekkiv temperatuur võib ulatuda üle 1000 kraadi, mis põhjustab tööriista lõikeserva kiiret kulumist, pragunemist ning tekivad servad ja lõikeserv kulub kiiresti, mis tekitab lõikepiirkonnas rohkem soojust ja lühendab veelgi tööriista eluiga.

Lõikeprotsessi käigus tekkiv kõrge temperatuur hävitab ka titaanisulamist detailide pinna terviklikkuse, mille tulemuseks on detailide geomeetrilise täpsuse vähenemine ja töökõvenemise nähtus, mis vähendab tõsiselt nende väsimustugevust.
Titaanisulamite elastsus võib olla kasulik osade toimivusele, kuid lõikeprotsessi ajal on tooriku elastne deformatsioon oluline vibratsiooni põhjus. Lõikesurve põhjustab "elastse" töödeldava detaili tööriistast eemaldumise ja tagasilöögi, mistõttu tööriista ja tooriku vaheline hõõrdumine kaalub üles lõiketoimingu. Hõõrdeprotsess tekitab ka soojust, mis süvendab titaanisulamite halva soojusjuhtivuse probleemi.
See probleem on veelgi tõsisem õhukeseseinaliste või rõngakujuliste osade töötlemisel, mis kergesti deformeeruvad. Titaanisulamist õhukeseseinalisi osi ei ole lihtne eeldatava mõõtmete täpsusega töödelda. Kuna töödeldava detaili materjali lükkamisel tööriistaga eemale on õhukese seina lokaalne deformatsioon ületanud elastsuse piiri ja tekib plastiline deformatsioon, suureneb materjali tugevus ja kõvadus lõikepunktis oluliselt. Sel hetkel muutub algselt määratud lõikekiirus liiga suureks, põhjustades veelgi tööriista kiiret kulumist.

Seetõttu on titaanisulamite töötlemise raskuste peasüüdlane "kuumus".

Nendest väljakutsetest ülesaamiseks ja titaanisulamite edukaks töötlemiseks saab kasutada mitmeid lähenemisviise. Need sisaldavad:

(1) Kasutage lõikejõu, lõikesoojuse ja tooriku deformatsiooni vähendamiseks positiivse nurga geomeetriaga sisetükke.
(2) Säilitage pidev etteanne, et vältida töödeldava detaili kõvenemist. Tööriist peab lõikeprotsessi ajal alati olema etteandeolekus. Radiaalne lõikekogus ae peaks freesimise ajal olema 30% raadiusest.
(3) Kasutage kõrgsurve ja suure vooluga lõikevedelikku, et tagada töötlemisprotsessi termiline stabiilsus ning vältida töödeldava detaili pinna degeneratsiooni ja liiga kõrgest temperatuurist põhjustatud tööriista kahjustusi.
(4) Hoidke tera serv teravana. Nürid tööriistad põhjustavad kuumuse kogunemist ja kulumist, mis võib kergesti põhjustada tööriista rikke.
(5) Töödelge titaanisulamit võimalikult pehmes olekus, kuna materjali on pärast kustutamist raskem töödelda ning kuumtöötlus suurendab materjali tugevust ja suurendab tera kulumist.
(6) Kasutage tööriista otsa suurt kaareraadiust või faasi, et sisestada võimalikult suur osa tööriista servast lõikesse. See vähendab lõikejõudu ja kuumust igas punktis ning hoiab ära lokaalse purunemise. Titaanisulami freesimisel on lõikeparameetrite hulgas lõikekiirusel suurim mõju tööriista elueale vc, millele järgneb radiaalne tööriista haardumine (freesimissügavus) ae.

Üldiselt on titaanisulamite töötlemisel tekkiv tera soone kulumine taga- ja esiosa kohalik kulumine lõikesügavuse suunas. Sageli on selle põhjuseks eelmisest töötlemisest jäänud kõvastunud kiht. Keemiline reaktsioon ja difusioon tööriista ja tooriku materjali vahel töötlemistemperatuuril üle 800 kraadi on samuti üheks soone kulumise põhjuseks. Kuna töötlemisprotsessi käigus kogunevad tooriku titaanmolekulid tera ette ja "keevitatakse" kõrge rõhu ja temperatuuri all tera külge, moodustades ülesehitatud serva. Kui ülesehitatud serv koorub lõikeservalt maha, võtab see endaga kaasa sisetüki karbiidkatte, nii et titaani töötlemine nõuab spetsiaalseid sisetüki materjale ja geomeetriat.

Lõikamistingimused, sealhulgas lõikekiirus, ettenihke kiirus ja lõikesügavus, mängivad samuti olulist rolli lõiketööriista jõudluse ja viimistletud detailide kvaliteedi määramisel. Optimaalsed lõikeparameetrid võivad olenevalt töödeldava titaanisulami tüübist erineda, kuid kuumuse vähendamiseks ja töökõvenemise vältimiseks on üldiselt soovitatav kasutada aeglasemat lõikekiirust ja suuremat etteandekiirust.

Õige jahutusvedeliku süsteemi kasutamine on lõiketööriistade ja toorikute õige temperatuuri hoidmiseks ülioluline. Veepõhiseid jahutusvedelikke, näiteks emulsioone, kasutatakse titaani töötlemisel laialdaselt, kuna need tagavad tõhusad jahutus- ja määrimisomadused, põhjustamata materjaliga keemilisi reaktsioone.
Vaatamata oma väljakutsetele on titaan endiselt väga nõutud materjal, mis on paljude kaasaegsete rakenduste jaoks kriitilise tähtsusega. Kasutades õigeid lõiketööriistu, lõiketingimusi, jahutusvedeliku süsteeme ja täiustatud töötlemistehnikaid, saab selle materjali töötlemise raskustest üle saada ja selle kogu potentsiaali vallandada.