Präzisionsbearbeitung von Titanlegierungen: Praktische Regeln

Warum sich Titan unter dem Werkzeug anders verhält

Drei Eigenschaften erklären fast jedes Bearbeitungsproblem, das bei Titanteilen auftritt. Die Wärmeleitfähigkeit ist gering, etwa 7 W/m·K gegenüber etwa 50 W/m·K bei Stahl, sodass die an der Schneidkante erzeugte Wärme nicht in den Span entweichen kann und sich in einer schmalen Zone an der Spitze konzentriert. Der Elastizitätsmodul beträgt etwa 110 GPa, etwa die Hälfte des Elastizitätsmoduls von Stahl, sodass sich das Werkstück und das Werkzeug durchbiegen und zurückfedern und dabei die Flanke an einer gerade geschnittenen Oberfläche reiben. Und Titan ist bei hohen Temperaturen chemisch reaktiv, neigt also dazu, sich mit Werkzeugmaterialien zu verschweißen und Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff aus der Umgebung aufzunehmen.

Die praktischen Auswirkungen sind schneller Kolk- und Flankenverschleiß, Abplatzen der Kante, Aufbauschneidenbildung, Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche und schlechte Maßhaltigkeit bei schlanken Merkmalen. Durch die Bearbeitung wird auch die Oberflächenschicht gehärtet, sodass in einem zweiten Durchgang Material geschnitten wird, das härter ist als im ersten.

Werkzeugauswahl

Verwenden Sie scharfe Hartmetalleinsätze mit positivem Spanwinkel und einer starken Kantenvorbereitung. Eine stumpfe oder geschliffene Kante reibt und erzeugt mehr Wärme als sie abführt.

Unbeschichtete Hartmetallsorten mit feiner Kornstruktur sind der Standardausgangspunkt; PVD-Beschichtungen wie Titanaluminiumnitrid verlängern die Lebensdauer bei kontinuierlichen Schnitten.

Vermeiden Sie Beschichtungen und Werkzeugmaterialien, die bei Temperatur stark mit Titan reagieren, und verwenden Sie niemals chlorhaltige Schneidflüssigkeiten, da Chloride die Spannungskorrosion von Titan fördern.

Diamant- und kubische Bornitrid-Werkzeuge eignen sich für die Schlichtbearbeitung und großvolumige Arbeiten, benötigen aber robuste Maschinen, um die unterbrochenen Schnitte zu überstehen.

Halten Sie den Werkzeugüberhang kurz und den Halter starr; Eine kleine Vergrößerung des Überhangs erhöht die Vibration weitaus stärker als die Schnittparameter.

Schnittparameter und Prozessfenster

Der Vorschub pro Zahn wird hoch genug gehalten, damit die Kante schneidet und nicht reibt, typischerweise 0,05 bis 0,15 mm beim Fräsen und 0,1 bis 0,3 mm pro Umdrehung beim Drehen. Die Schnitttiefe wird so tief gewählt, wie es die Maschine beim Schruppen zulässt, da wiederholte flache Durchgänge die Anzahl der Wärmezyklen, denen die Oberfläche ausgesetzt ist, vervielfachen. Schlanke Teile profitieren vom Trochoidenfräsen mit geringem radialen Eingriff, wodurch die Wärme verteilt und die Durchbiegung verringert wird.

Kühlung, Klemmung und Ratterkontrolle

Hochdruckkühlmittel, das durch das Werkzeug geleitet wird, leitet Wärme aus der Schneidzone ab und entfernt Späne, die andernfalls nachgeschnitten würden. Die Flüssigkeit wird im Hinblick auf Titanverträglichkeit und für die Maschine ausgewählt, wobei wassermischbare Flüssigkeiten in einer Konzentration verwendet werden, die sowohl Kühlung als auch Schmierung gewährleistet. Eine starre Klemmung ist ebenso wichtig wie die Schnittdaten: Das Werkstück wird nahe am Schnitt abgestützt, dünne Stege werden hinterlegt oder vergossen und die Spannvorrichtungen sind so konstruiert, dass das Teil beim Loslassen nicht federt. Bei langen, dünnen Teilen reduziert ein Reitstock oder eine Lünette sowohl Durchbiegung als auch Rattern, und ein leichter Schlichtdurchgang am Ende entfernt die Schicht, die durch früheres Schneiden gehärtet wurde.

Verzerrung, Inspektions- und Lieferbedingungen

Titan bewegt sich nach der Bearbeitung, weil sich Restspannungen durch Schmieden oder Materialabtrag neu verteilen. Rohlinge werden vor der Endbearbeitung spannungsarm gemacht, wobei die Toleranzen eng sind und der Materialabtrag auf beiden Seiten des Teils ausgeglichen ist, sodass Spannungen symmetrisch abgebaut werden. Die Inspektion umfasst Abmessungen, Oberflächenbeschaffenheit und, sofern angegeben, Prüfungen der Oberflächenintegrität auf Alpha-Fall oder Kontamination.

Bearbeitete Teile werden entgratet und gereinigt geliefert, wobei durchgehend chloridfreie-Prozesse zum Einsatz kommen und so verpackt sind, dass die Kanten beim Transport nicht reiben. In Zertifikaten werden die Legierung, die Schmelzenzahl des Lagerbestands und der Lieferzustand dokumentiert. Der Fehler, den es zu vermeiden gilt, besteht darin, Parameter aus einer Stahlarbeit zu übernehmen und sie zu skalieren, denn Titan bestraft sowohl eine übermäßige Geschwindigkeit, die das Werkzeug zerstört, als auch eine übermäßige Langsamkeit, die die Oberfläche härtet, anstatt sie zu schneiden.

Häufig gestellte Fragen

F: Welche Oberflächengeschwindigkeit eignet sich für Ti-6Al-4V mit Hartmetallwerkzeugen?

A: Ungefähr 40 bis 70 m/min beim Drehen und 30 bis 60 m/min beim Fräsen. Höhere Geschwindigkeiten erhöhen die Kantentemperatur stark, da die Wärme nicht in den Chip entweichen kann.

F: Warum sind chlorhaltige Schneidflüssigkeiten verboten?

A: Chloridrückstände auf Titan begünstigen Spannungsrisskorrosion. Deshalb werden chloridfreie Flüssigkeiten verwendet und die Teile werden vor jedem thermischen Betrieb oder jeder Wartung gereinigt.

F: Wie kann Chatter reduziert werden?

A: Verkürzen Sie den Werkzeugüberhang, erhöhen Sie die Steifigkeit der Vorrichtung, stützen Sie das Werkstück nahe am Schnitt ab und verwenden Sie beim Fräsen einen geringen radialen Eingriff, anstatt den Vorschub zu reduzieren.

F: Warum bewegt sich ein bearbeitetes Titanteil nach der Bearbeitung?

A: Eigenspannungen durch Schmieden und Materialabtrag verteilen sich neu. Durch Entspannung des Rohlings und Materialabtrag wird die Bewegung symmetrisch begrenzt.

F: Sollte ein Schmiermittel für die Handhabung von Titanteilen auch für Stahlarbeiten verwendet werden?

A: Getrennte, saubere Flüssigkeiten und spezielle Werkzeuge reduzieren die Eisenverunreinigung, die zu Stellen für lokale Korrosion am fertigen Bauteil führen kann.