Το κράμα τιτανίου χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, την ιατρική, την αυτοκινητοβιομηχανία και άλλους τομείς υψηλής τεχνολογίας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, όπως η υψηλή ειδική αντοχή, η αντοχή στη διάβρωση και η βιοσυμβατότητα. Ωστόσο, η κακή μηχανική του ικανότητα - που χαρακτηρίζεται από υψηλή θερμοκρασία κοπής, σοβαρή φθορά εργαλείων και εύκολη σκλήρυνση - θέτει μεγάλες προκλήσεις στις διαδικασίες μηχανικής κατεργασίας. Για να βελτιωθεί η απόδοση της μηχανικής κατεργασίας, να μειωθεί η κατανάλωση εργαλείων και να διασφαλιστεί η ποιότητα του τεμαχίου, είναι απαραίτητο να κατακτήσετε τα ακόλουθα τρία βασικά σημεία, με έμφαση στην επιλογή επίστρωσης και τη βελτιστοποίηση των παραμέτρων κοπής.
Βασικό Σημείο 1: Κατανόηση της Μηχανικής Ικανότητας του Κράματος Τιτανίου
Πριν από την επιλογή επιστρώσεων και τη ρύθμιση των παραμέτρων κοπής, είναι απαραίτητο να διευκρινιστούν τα εγγενή χαρακτηριστικά του κράματος τιτανίου που επηρεάζουν τη μηχανική κατεργασία, η οποία αποτελεί τη βάση για τη μεταγενέστερη βελτιστοποίηση:
• Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα: Η θερμική αγωγιμότητα του κράματος τιτανίου είναι μόνο 1/4~1/5 αυτής του χάλυβα. Κατά την κοπή, το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που παράγεται συσσωρεύεται στη ζώνη κοπής (άκρη εργαλείου και περιοχή επαφής τεμαχίου) αντί να διαχέεται μέσω τσιπς ή τεμαχίων, οδηγώντας σε εξαιρετικά υψηλή τοπική θερμοκρασία (έως 800~1000℃), η οποία επιταχύνει τη φθορά του εργαλείου και την παραμόρφωση του τεμαχίου.
• Υψηλή χημική δραστικότητα: Σε υψηλές θερμοκρασίες, το κράμα τιτανίου αντιδρά εύκολα με οξυγόνο, άζωτο και άνθρακα στον αέρα για να σχηματίσει σκληρές και εύθραυστες ενώσεις (όπως TiO₂, TiN, TiC), οι οποίες θα αυξήσουν τη δύναμη κοπής και θα προκαλέσουν λειαντική φθορά των εργαλείων. Μπορεί επίσης να συνδεθεί με το υλικό του εργαλείου, με αποτέλεσμα την συγκολλητική φθορά.
• Τάση σκλήρυνσης: Το κράμα τιτανίου έχει υψηλή αντοχή διαρροής και εμφανή επίδραση σκλήρυνσης. Κατά την κοπή, η επιφάνεια του τεμαχίου είναι επιρρεπής σε στρώματα σκλήρυνσης (η σκληρότητα μπορεί να αυξηθεί κατά 20%~50%), τα οποία θα γρατσουνίσουν το εργαλείο και θα επηρεάσουν την ποιότητα της επιφάνειας της επακόλουθης μηχανικής κατεργασίας.
Σημείωση: Το P1 μπορεί να είναι ένα διάγραμμα σύγκρισης της θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ κράματος τιτανίου και κοινών μετάλλων ή ένα μικροσκοπικό διάγραμμα του στρώματος σκλήρυνσης του κράματος τιτανίου μετά την κοπή.
Βασικό Σημείο 2: Ορθολογική Επιλογή Επιστρώσεων Εργαλείων
Οι επιστρώσεις εργαλείων διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στη μηχανική κατεργασία κράματος τιτανίου, μειώνοντας την τριβή, απομονώνοντας την υψηλή θερμοκρασία, βελτιώνοντας τη χημική σταθερότητα και ενισχύοντας την αντοχή στη φθορά. Η επιλογή των επιστρώσεων θα πρέπει να βασίζεται στον τύπο του κράματος τιτανίου (όπως Ti-6Al-4V, καθαρό τιτάνιο), τη μέθοδο μηχανικής κατεργασίας (φρεζάρισμα, τόρνευση, διάτρηση) και τις απαιτήσεις μηχανικής κατεργασίας (πρόχειρη κατεργασία, φινίρισμα). Οι κοινές επιστρώσεις υψηλής απόδοσης για τη μηχανική κατεργασία κράματος τιτανίου είναι οι εξής:
2.1 Επίστρωση Νιτριδίου Τιτανίου (TiN)
Η επίστρωση TiN είναι μια παραδοσιακή σκληρή επίστρωση με σκληρότητα περίπου 2000~2500 HV και χαμηλό συντελεστή τριβής (0,4~0,6). Έχει καλή αντοχή στη φθορά και πρόσφυση και μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τη συγκολλητική φθορά μεταξύ του εργαλείου και του κράματος τιτανίου. Ωστόσο, η αντοχή του στην οξείδωση είναι κακή και θα οξειδωθεί και θα αποτύχει όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 500℃. Είναι κατάλληλο για πρόχειρη κατεργασία καθαρού τιτανίου και κράματος τιτανίου χαμηλής περιεκτικότητας σε κράμα ή σενάρια μηχανικής κατεργασίας με χαμηλή θερμοκρασία κοπής.
2.2 Επίστρωση Καρβονιτριδίου Τιτανίου (TiCN)
Η επίστρωση TiCN είναι μια βελτιωμένη έκδοση του TiN, με σκληρότητα 2500~3000 HV, υψηλότερη αντοχή στη φθορά και θερμική σταθερότητα από το TiN. Η προσθήκη στοιχείου άνθρακα ενισχύει την αντοχή της επίστρωσης στη συγκολλητική φθορά και τη λειαντική φθορά και η θερμοκρασία αντοχής στην οξείδωση αυξάνεται στους 600~650℃. Είναι κατάλληλο για τόρνευση και φρεζάρισμα μέσης ταχύτητας του Ti-6Al-4V και άλλων κοινώς χρησιμοποιούμενων κραμάτων τιτανίου και μπορεί να εξισορροπήσει την απόδοση μηχανικής κατεργασίας και τη διάρκεια ζωής του εργαλείου.
2.3 Επίστρωση Νιτριδίου Αλουμινίου Τιτανίου (AlTiN)
Η επίστρωση AlTiN είναι μια επίστρωση ανθεκτική σε υψηλές θερμοκρασίες με εξαιρετική συνολική απόδοση, με σκληρότητα 3000~3500 HV και θερμοκρασία αντοχής στην οξείδωση έως 800~900℃. Το στοιχείο αλουμινίου στην επίστρωση σχηματίζει μια πυκνή μεμβράνη Al₂O₃ σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία μπορεί να απομονώσει αποτελεσματικά τη χημική αντίδραση μεταξύ του κράματος τιτανίου και του υποστρώματος του εργαλείου (όπως καρβίδιο) και να μειώσει σημαντικά τη θερμική φθορά και τη χημική φθορά. Είναι η προτιμώμενη επίστρωση για φινίρισμα υψηλής ταχύτητας και ημι-φινίρισμα κράματος τιτανίου, ειδικά κατάλληλη για σενάρια μηχανικής κατεργασίας υψηλής θερμοκρασίας, όπως φρεζάρισμα υψηλής ταχύτητας και διάτρηση βαθιάς οπής.
2.4 Επίστρωση άνθρακα τύπου διαμαντιού (DLC)
Η επίστρωση DLC έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή τριβής (0,1~0,2) και υψηλή σκληρότητα (1500~2500 HV), η οποία μπορεί να ελαχιστοποιήσει την τριβή και την πρόσφυση μεταξύ του εργαλείου και του κράματος τιτανίου και να αποφύγει τη σκλήρυνση που προκαλείται από υπερβολική δύναμη κοπής. Ωστόσο, η θερμική του σταθερότητα είναι κακή (αποτυχία οξείδωσης πάνω από 400℃) και είναι εύθραυστη, επομένως είναι κατάλληλη μόνο για φινίρισμα χαμηλής ταχύτητας, χαμηλής θερμοκρασίας καθαρού τιτανίου και μαλακών κραμάτων τιτανίου (όπως Ti-Gr2) και όχι για πρόχειρη κατεργασία υψηλής θερμοκρασίας.
Σημείωση: Το P2 μπορεί να είναι ένας πίνακας σύγκρισης απόδοσης διαφορετικών επιστρώσεων (σκληρότητα, θερμοκρασία οξείδωσης, εφαρμόσιμο σενάριο) ή ένα φυσικό διάγραμμα εργαλείων με επίστρωση για μηχανική κατεργασία κράματος τιτανίου.
Βασικό Σημείο 3: Επιστημονική Ρύθμιση των Παραμέτρων Κοπής
Οι παράμετροι κοπής (ταχύτητα κοπής, ρυθμός τροφοδοσίας, βάθος κοπής) επηρεάζουν άμεσα τη θερμοκρασία κοπής, τη δύναμη κοπής, τη φθορά του εργαλείου και την ποιότητα του τεμαχίου. Για τη μηχανική κατεργασία κράματος τιτανίου, η βασική αρχή της ρύθμισης παραμέτρων είναι "χαμηλή ταχύτητα κοπής, μέτριος ρυθμός τροφοδοσίας, μικρό βάθος κοπής", ώστε να ελέγχεται η θερμοκρασία κοπής και να μειώνεται η σκλήρυνση. Ακολουθούν οι συνιστώμενες παράμετροι για κοινές μεθόδους μηχανικής κατεργασίας (λαμβάνοντας ως παράδειγμα το Ti-6Al-4V, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο κράμα τιτανίου και τα εργαλεία καρβιδίου):
3.1 Παράμετροι τόρνευσης
• Ταχύτητα κοπής (vc): Για πρόχειρη κατεργασία, η ταχύτητα είναι 30~60 m/min. για φινίρισμα, είναι 60~100 m/min. Εάν χρησιμοποιείτε εργαλεία με επίστρωση AlTiN, η ταχύτητα μπορεί να αυξηθεί κατάλληλα σε 80~120 m/min. για καθαρό τιτάνιο, η ταχύτητα θα πρέπει να μειωθεί κατά 20%~30% για να αποφευχθεί η υπερβολική πρόσφυση.
• Ρυθμός τροφοδοσίας (f): Ο ρυθμός τροφοδοσίας είναι 0,1~0,3 mm/r για πρόχειρη κατεργασία και 0,05~0,15 mm/r για φινίρισμα. Ο πολύ υψηλός ρυθμός τροφοδοσίας θα αυξήσει τη δύναμη κοπής και τη σκλήρυνση. ο πολύ χαμηλός ρυθμός τροφοδοσίας θα προκαλέσει το τρίψιμο του εργαλείου στο τεμάχιο, επιταχύνοντας τη φθορά.
• Βάθος κοπής (ap): Το βάθος κοπής για πρόχειρη κατεργασία είναι 1~3 mm και για φινίρισμα είναι 0,1~0,5 mm. Δεν συνιστάται η χρήση βάθους κοπής μικρότερου από 0,1 mm, επειδή το εργαλείο θα γλιστρήσει στο σκληρυμένο στρώμα του τεμαχίου, με αποτέλεσμα σοβαρή λειαντική φθορά.
3.2 Παράμετροι φρεζαρίσματος
• Ταχύτητα κοπής (vc): Για περιφερειακό φρεζάρισμα (πρόχειρη κατεργασία), η ταχύτητα είναι 20~50 m/min. για φινίρισμα, είναι 50~80 m/min. Για φρεζάρισμα επιφανειών, η ταχύτητα μπορεί να είναι ελαφρώς υψηλότερη, 40~70 m/min για πρόχειρη κατεργασία και 70~100 m/min για φινίρισμα. Τα εργαλεία με επίστρωση μπορούν να αυξήσουν την ταχύτητα κατά 10%~20%.
• Ρυθμός τροφοδοσίας ανά δόντι (fz): Ο ρυθμός τροφοδοσίας ανά δόντι είναι 0,05~0,15 mm/δόντι για πρόχειρη κατεργασία και 0,02~0,08 mm/δόντι για φινίρισμα. Για φρεζάρισμα άκρων λεπτότοιχων τεμαχίων, ο ρυθμός τροφοδοσίας θα πρέπει να μειωθεί για να αποφευχθεί η παραμόρφωση του τεμαχίου.
• Βάθος κοπής (ap/ae): Το αξονικό βάθος κοπής (ap) για πρόχειρη κατεργασία είναι 0,5~2 mm και για φινίρισμα είναι 0,1~0,3 mm. το ακτινικό βάθος κοπής (ae) είναι γενικά 50%~100% της διαμέτρου του εργαλείου.
3.3 Παράμετροι διάτρησης
Η διάτρηση κράματος τιτανίου είναι επιρρεπής σε προβλήματα όπως η απόφραξη τσιπς, το σπάσιμο εργαλείων και η κακή ποιότητα οπών. Οι παράμετροι θα πρέπει να ρυθμιστούν για να διευκολύνεται η αφαίρεση τσιπς:
• Ταχύτητα κοπής (vc): 10~30 m/min, η οποία είναι χαμηλότερη από την τόρνευση και το φρεζάρισμα, για να μειωθεί η θερμοκρασία της άκρης του τρυπανιού.
• Ρυθμός τροφοδοσίας (f): 0,1~0,2 mm/r, διασφαλίζοντας ότι τα τσιπς μπορούν να εκφορτιστούν ομαλά χωρίς να φράξουν την αυλάκωση του τρυπανιού.
• Βοηθητικά μέτρα: Χρησιμοποιήστε τρυπάνια εσωτερικής ψύξης για να ψεκάσετε υγρό κοπής απευθείας στην άκρη του τρυπανιού, το οποίο μπορεί να μειώσει αποτελεσματικά τη θερμοκρασία και να ξεπλύνει τα τσιπς. υιοθετήστε διακοπτόμενη διάτρηση (τρυπήστε μέσα και έξω επανειλημμένα) για να αποφύγετε τη συσσώρευση τσιπς.
Σημείωση: Το P3 μπορεί να είναι ένα διάγραμμα ρύθμισης παραμέτρων για τόρνευση/φρεζάρισμα/διάτρηση ή ένα διάγραμμα καμπύλης της σχέσης μεταξύ της ταχύτητας κοπής και της διάρκειας ζωής του εργαλείου.
Σύνοψη
Το κλειδί για την επιτυχή μηχανική κατεργασία κράματος τιτανίου έγκειται σε τρεις πτυχές: πρώτον, η πλήρης κατανόηση των χαρακτηριστικών της μηχανικής ικανότητας του κράματος τιτανίου για στοχευμένη βελτιστοποίηση. δεύτερον, η επιλογή της κατάλληλης επίστρωσης εργαλείου σύμφωνα με τα σενάρια μηχανικής κατεργασίας για τη βελτίωση της αντοχής στη φθορά του εργαλείου και της σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες. τρίτον, η ρύθμιση επιστημονικών παραμέτρων κοπής για τον έλεγχο της θερμοκρασίας κοπής και τη μείωση της σκλήρυνσης. Στην πραγματική παραγωγή, είναι επίσης απαραίτητο να ταιριάξετε με υψηλής ποιότητας υγρό κοπής (προτιμάται το υγρό κοπής με βάση το νερό με καλή απόδοση ψύξης ή το υγρό κοπής με βάση το λάδι για μηχανική κατεργασία χαμηλής ταχύτητας) και λογική γεωμετρία εργαλείου, ώστε να επιτευχθεί το καλύτερο αποτέλεσμα μηχανικής κατεργασίας.