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Anwendung des Hochgeschwindigkeitsfräsens bei der Verarbeitung von TitanlegierungenAnwendung des Hochgeschwindigkeitsfräsens bei der Verarbeitung von Titanlegierungen
2024-10-11

Titanlegierungen haben die Vorteile von geringem Gewicht, hoher Festigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und anderen hervorragenden Eigenschaften. So kann beispielsweise die Titanlegierung TC18 als Ersatz für hochfesten Baustahl für Fahrwerke verwendet werden, wodurch die Flugzeugstruktur um etwa 15 % leichter wird. Daher werden hochfeste Titanlegierungen des neuen Typs häufig als Hauptlagerteile in modernen ausländischen Flugzeugen verwendet, beispielsweise in der Struktur des Bombers B-1, bei dem die Titanlegierung etwa 21 % ausmacht. Die Struktur des russischen Flugzeugs Il-76 besteht zu 12,5 % aus Titan. Aus Sicht der Entwicklungstendenz erhöhen Länder in Europa und den Vereinigten Staaten allmählich die Verwendung von Titanlegierungen, was auch darauf hinweist, dass eine große Anzahl von Titanlegierungen, insbesondere einige neue Titanlegierungen, zur Entwicklungsrichtung im Flugzeugdesign geworden sind. Dünnwandige Titanlegierungsteile werden jedoch hauptsächlich in Luft- und Raumfahrtprodukten verwendet, die eine relativ komplexe Struktur und hohe Präzisionsanforderungen aufweisen. Aufgrund der dünnen Wand ist die Steifigkeit der Teile gering. Unter der Einwirkung der Schnittkraft kommt es leicht zu Biegeverformungen durch die Bearbeitung, und die Wandstärke ist in der Höhe und in der Tiefe uneinheitlich, was zu Toleranzüberschreitungen führt. Derzeit wird in Unternehmen häufig wiederholtes Fräsen zur Endbearbeitung verwendet. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen, des niedrigen Elastizitätsmoduls (etwa 1/2 des Elastizitätsmoduls von Stahl) und der hohen chemischen Aktivität können kleine Ränder nicht durch Fräsen reduziert werden, was häufig zu einem „weniger Schnitt“-Phänomen führt. Um die Größe der Teile sicherzustellen, kann nur auf manuelles Schleifen zurückgegriffen werden, was den Verarbeitungszyklus der Teile erheblich verlängert und zu einem Brandphänomen an der Oberfläche der Teile führen kann.　　

1. Schwierigkeiten beim Schneiden von Strukturteilen aus Titanlegierungen

1.1 Hohe Schneidtemperatur　　 

Da die Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen gering ist (etwa 1/3 bis 1/6 der von Stahl), entstehen beim Bearbeiten von Titanlegierungen leicht hohe Schneidtemperaturen. Unter gleichen Bedingungen ist die beim Bearbeiten von Titanlegierungen erzeugte Schneidwärme mehr als einmal höher als die des gleichen Stahls, und die durch die Bearbeitung erzeugte Wärme kann nur schwer über das Werkstück abgeleitet werden. Da der spezifische Wärmekoeffizient von Titanlegierungen gering ist, steigt die lokale Temperatur während der Bearbeitung schnell an. Es kann leicht passieren, dass die Temperatur des Werkzeugs zu hoch wird, was zu starkem Verschleiß der Spitze und damit zu Überbrennen führt.

1.2 Hohe Schnittfestigkeit　　 

Die Schneidkraft von Titanlegierungen ist grundsätzlich die gleiche wie die von Stahl, daher ist der beim Schneiden verbrauchte Energieverbrauch gleich oder etwas geringer als bei Stahl. Allerdings ist beim Schneiden von Titanlegierungen die Spannung in der Nähe der Hauptschneide sehr hoch. Dies kann daran liegen, dass beim Schneiden von Titanlegierungen die Kontaktfläche des Schneidspans auf der vorderen Messeroberfläche normalerweise sehr klein ist (etwa 1/3 des Schneidbereichs von Stahl unter gleichen Bedingungen) und die große Schnittspannung dazu führt, dass während des Bearbeitungsprozesses ein Zurückschneiden des Schnitts auftritt und die Größe des Werkstücks nicht abgestimmt ist.

　1.3 Zittern einer schwach starren Struktur

　　Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen mit schwach starren Strukturen sind Vibrationen ein wichtiges Problem, das überwunden werden muss, insbesondere bei der Schlichtbearbeitung. Die Hauptursache für Vibrationen ist der sehr niedrige Elastizitätsmodul von Titanlegierungen. Bei Schnittkräften verformen sich Titanlegierungen doppelt so stark wie Kohlenstoffstähle. Zwischen der hinteren Fräseroberfläche und der Rückfederung der bearbeiteten Oberfläche entsteht Reibung, die zu Vibrationen und hohen Schnitttemperaturen führt. Die hohe dynamische Schnittkraft ist teilweise für das Zittern verantwortlich, das aufgrund des plastischen Scherprozesses während der Bildung von Titanlegierungsspänen mehr als 30 % der statischen Kraft erreichen kann. Aufgrund der Wirkung der Schnittvibrationen kann die Oberflächenqualität des Werkstücks nach dem Fräsen die Präzisionsanforderungen nur schwer erfüllen.

 

2. Schneidlösungen für Strukturteile aus Titanlegierungen

Die Hauptfaktoren, die die Bearbeitung der schwachen, starren Struktur von Titanlegierungen beeinflussen, sind die folgenden: die Steifigkeit der Werkzeugmaschine, die Wahl des Schneidwerkzeugs, technologische Parameter, wirksame Kühlung usw. Beim Bearbeitungsprozess interagieren verschiedene Faktoren miteinander. Außerdem führt die Anhäufung von Verformungsfehlern dazu, dass die Bearbeitung der schwachen, starren Struktur außerhalb der Toleranz liegt und die Bearbeitungsverformung schwer zu kontrollieren ist.

2.1 Auswahl von Werkzeugmaschinen　　 

Die Steifigkeit des Systems Werkzeugmaschine-Vorrichtung-Werkzeug wird durch den Abstand zwischen den einzustellenden Werkzeugmaschinenkomponenten gut verbessert. Bei der Verwendung solcher Werkzeugmaschinen sollte die radiale Spindelschwingung gering sein.

2.2 Auswahl von Schneidwerkzeugen　 

Die Verbesserung der Schneidproduktivität ist hauptsächlich das Ergebnis der Entwicklung und Anwendung neuer Schneidwerkzeugmaterialien. In den letzten Jahrzehnten haben sich Schneidwerkzeuge stark weiterentwickelt und umfassen Hartlegierungsbeschichtungen, Keramik, kubisches Bornitrid und polykristallinen Diamant. Diese eignen sich gut für die Bearbeitung von Gusseisen, Stahl und Superlegierungen. Allerdings kann keines dieser Werkzeuge die Bearbeitbarkeit von Titanlegierungen verbessern, da Schneidwerkzeugmaterialien aus Titanlegierungen sehr wichtige Eigenschaften aufweisen müssen, darunter: 1) gute thermische Härte, um hohen Belastungen standzuhalten; 2) gute Wärmeleitfähigkeit, um Temperaturgradienten und Thermoschocks zu verringern; 3) gute chemische Inertheit, um die Neigung zu chemischen Reaktionen mit Titan zu verringern; 4) gute Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, um sich an den Spanschneideprozess anzupassen. WC/CO-Hartmetallwerkzeuge gelten in fast allen Schneidprozessen von Titanlegierungen als die leistungsstärksten. Einige Tests zeigen, dass die Verschleißrate aller hartmetallbeschichteten Werkzeuge höher ist als die von unbeschichteten Werkzeugen. Obwohl die Qualität von Keramikschneidwerkzeugen verbessert wurde und diese zunehmend zum Bearbeiten schwer zu schneidender Materialien, insbesondere Superlegierungen (wie Superlegierungen auf Nickelbasis), eingesetzt werden, konnten sie Hartmetall und Schnellarbeitsstahl aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit, geringen Bruchzähigkeit und Reaktion mit Titan nicht ersetzen. Superharte Schneidwerkzeugmaterialien (kubisches Bornitrid und polykristalliner Diamant) zeigen aufgrund ihrer geringen Verschleißrate eine gute Leistung beim Schneiden von Titanlegierungen.S　　 

Das Hauptproblem beim Fräsprozess von Titanlegierungen mit schwacher starrer Struktur ist die Verformung der dünnen Wand. Aufgrund des niedrigen Elastizitätsmoduls der Titanlegierung und der relativ großen Schneidkraft wird die dünne Wand während des Fräsprozesses leicht durch die Fräskraft verformt. Dies führt dazu, dass die tatsächliche Dicke der dünnen Wand größer ist als die theoretische Dicke. Die Lösung dieses Problems sollte darin bestehen, die durch das Zurückweichen des Fräsers verursachte Kraft auf die dünne Wand aus der senkrecht zur bearbeiteten Oberfläche verlaufenden Richtung möglichst weit zu verringern.

2.3 Schneidflüssigkeit

Titanlegierungen haben die Vorteile hoher Festigkeit, Oxidationsbeständigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit und anderer Hebepunkte, die nicht nur den Anforderungen an hohe Leistung gerecht werden, sondern auch viele Probleme bei der Bearbeitung mit sich bringen. Um die Schnitttemperatur zu senken, sollte beim Schneiden von Titanlegierungen eine große Menge kühlende Schneidflüssigkeit in den Schneidbereich gegossen werden, die die Wärme von der Kante ableitet und die Spane wegspült, um die Schnittkraft zu verringern. Daher sind die Anforderungen an die Schneidflüssigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit, große Wärmekapazität, schnelle Fließgeschwindigkeit und große Durchflussrate. Die beste Kühlmethode ist die Hochdruckkühlungsmethode, wobei der Schneidflüssigkeitsdurchfluss nicht weniger als 15 bis 20 l/min beträgt. Es gibt drei Arten von Schneidflüssigkeiten, die üblicherweise verwendet werden, nämlich Wasser oder alkalische Lösung, wasserlösliche Öllösung und nicht wasserlösliche Öllösung.

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