Titanlegierung Tiefverarbeitende Titanlegierung in der metallurgischen Industrie


Heutzutage ist die hocheffiziente Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungstechnologie für Aluminiumlegierungen ausgereift und weit verbreitet. Mit der zunehmenden Anwendung von monolithischen Bauteilen aus Titanlegierungen in großen Flugzeugen ist die Ineffizienz ihres Schneidprozesses zu einem Engpass für die schnelle Herstellung großer Flugzeuge geworden. Titanlegierung High-Speed-CNC-MC-Maschine mit hoher Leistung und hohem Drehmoment Spindel ausgestattet hat eine Menge Luftfahrt geworden. Eine der modernen fortschrittlichen Schlüsselfertigungsanlagen, denen die Anwender in der US-Fertigung besondere Aufmerksamkeit schenken und Prioritäten setzen. All dies hat die Industrie veranlasst, der Entwicklung und industriellen Anwendung der Titanlegierungs-HEM-HSM-Verarbeitungstechnologie und ihrer Ausrüstung mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Viele berühmte CNC-Werkzeugmaschinen- und Spindelhersteller auf der Welt haben ihre Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ebenfalls verstärkt. Einige Werkzeugmaschinenhersteller haben sogar spezielle F & E-Zentren eingerichtet, um verschiedene Typen für komplexes Titan in großem Maßstab für die Luft- und Raumfahrtherstellung aktiv einzuführen. CNC-Werkzeugmaschine zur Bearbeitung aller Bauteile aus dem Legierungswerkstoff HEM-HSM.

Heutzutage ist die hocheffiziente Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungstechnologie für Aluminiumlegierungen ausgereift und weit verbreitet. Mit der zunehmenden Anwendung von monolithischen Bauteilen aus Titanlegierungen in großen Flugzeugen ist die Ineffizienz ihres Schneidprozesses zu einem Engpass für die schnelle Herstellung großer Flugzeuge geworden. Titanlegierung High-Speed-CNC-MC-Maschine mit hoher Leistung und hohem Drehmoment Spindel ausgestattet hat eine Menge Luftfahrt geworden. Eine der modernen fortschrittlichen Schlüsselfertigungsanlagen, denen die Anwender in der US-Fertigung besondere Aufmerksamkeit schenken und Prioritäten setzen. All dies hat die Industrie veranlasst, der Entwicklung und industriellen Anwendung der Titanlegierungs-HEM-HSM-Verarbeitungstechnologie und ihrer Ausrüstung mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Viele berühmte CNC-Werkzeugmaschinen- und Spindelhersteller auf der Welt haben ihre Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet ebenfalls verstärkt. Einige Werkzeugmaschinenhersteller haben sogar spezielle F & E-Zentren eingerichtet, um verschiedene Typen für komplexes Titan in großem Maßstab für die Luft- und Raumfahrtherstellung aktiv einzuführen. CNC-Werkzeugmaschine zur Bearbeitung aller Bauteile aus dem Legierungswerkstoff HEM-HSM.


Wie wir alle wissen, gibt es in der Branche noch keine einheitliche, klare, maßgebliche und anerkannte Definition der HSM-Hochgeschwindigkeitsverarbeitungstechnologie. Tatsächlich ist die „hohe Geschwindigkeit“ in der HSM-Technologie ein relatives Konzept, und der von HSM definierte „hohe Geschwindigkeitsbereich“ für verschiedene Werkstückmaterialien oder verschiedene Schneidprozesstypen ist unterschiedlich. Die relative Materialbearbeitbarkeit der Titanlegierung beträgt nur 0,22 bis 0,35, was ein schwieriges Metallmaterial ist. Der Hochgeschwindigkeits-Schnittgeschwindigkeitsbereich (100 ~ 1.200 m / min) ist viel niedriger als der der Aluminiumlegierung (2.500 ~ 7.500 m / min). ). Beispielsweise hat ein Werkzeug mit einem Durchmesser von 50 mm eine Schnittgeschwindigkeit von 628 m / min bei einer Spindeldrehzahl von 4.000 U / min. Für Aluminiumlegierungen ist dies keine Hochgeschwindigkeitsseite, aber für Titanlegierungen ist dies bereits Hochgeschwindigkeit. Die für die Bearbeitung der Titanlegierung HEM-HSM verwendete Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitungsmaschine unterscheidet sich offensichtlich von der Aluminiumlegierung. Einfach ausgedrückt wird für Titanlegierungen die CNC-Bearbeitungsmaschine benötigt, die eine Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeitsspindel für Aluminiumlegierungen benötigt. CNC-Bearbeitungsmaschine mit Hochleistungs- und drehmomentstarker Spindel.


Warum ist es schwierig, Titanlegierungen zu schneiden?


Titanlegierungsmaterial hat hohe Festigkeits-, hohe Härte- und Materialeigenschaften mit geringer Dichte, wie z. B. Titanlegierung Ti-6Al-4V (als Ti-6-4 bezeichnet), Zugfestigkeit bis 900 MPa, Härte 250-375 HB, Dichte 4,42 g / Neben der weit verbreiteten Verwendung in modernen Militärflugzeugen wurden in modernen großen Passagierflugzeugen zunehmend auch monolithische Strukturteile aus Titanlegierung verwendet. Das Gewicht der verwendeten Materialien für das Gesamtgewicht der Flugzeugstruktur zeigt einen raschen Aufwärtstrend und hat begonnen. Überstieg die Stahlkonstruktion. Daher ist die Realisierung eines hocheffizienten Schneidens von Titanlegierungsstrukturelementen der Schlüssel zur Herstellung von großen Flugzeugen geworden. Verglichen mit Aluminiumlegierungsmaterialien sind Titanlegierungsmaterialien jedoch schwierig zu bearbeiten, und die Schwierigkeiten bei der spanenden Bearbeitung spiegeln sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:


Große Schnittkraft


Es ist allgemein bekannt, dass je höher die Härte und Festigkeit eines Metallmaterials ist, desto größer ist die für den Schneidprozess erforderliche Schneidkraft, desto höher ist die Schneidetemperatur und desto schneller ist der Werkzeugverschleiß, so dass die relative Bearbeitbarkeit schlechter ist. Beispielsweise beträgt der relative Bearbeitbarkeitskoeffizient Kr des Aluminiumlegierungsmaterials 2,0 bis 7,5, der hochfeste Stahl Kr 0,3 bis 0,7, die Titanlegierung Kr 0,22 bis 0,35 und die hochfeste Luftfahrt-Superlegierung Kr nur 0,07 bis 0,3. Daher erfordern Titanlegierungen im Vergleich zu Leichtmetallwerkstoffen wie Aluminiumlegierungen zum Schneiden eine höhere Schneidkraft und benötigen normalerweise fast 1.000 Kilotonnen (Newton, N), was dem 2- bis 4-fachen von gewöhnlichem Stahl entspricht. 10 bis 40 mal das Material. Bei Verwendung eines 32-mm-Schaftfräsers mit 4 Zähnen beträgt die Schnitttiefe 19 mm. Wenn die Titanlegierung mit einer Zerspanungsrate von 20 cm3 / min geschnitten wird, wird eine Belastungskraft von 4.445 N (1.000 Pfund) erzeugt. Wenn sich das Werkzeug zu 50% abnutzt, beträgt die Belastung 50%. Die Kraft erhöht sich auf 8.890N. Daher erfordert die Bearbeitung einer harten Legierung wie einer Titanlegierung eine große Schneidkraft, was bedeutet, dass eine Spindel mit hohem Drehmoment erforderlich ist oder dass nur eine niedrigere Schneidgeschwindigkeit zulässig ist, die etwa 10% derjenigen einer Aluminiumlegierung beträgt.


Hohe Schnitttemperatur


Beim Schneiden von Titanlegierungsmaterial ist die Kontaktfläche zwischen dem Span und dem vorderen Werkzeugmesser normalerweise klein, und die Temperatur des Schneidpunkts ist extrem hoch, bis zu etwa 1.100 bis 1.200 ° C. Der Hochtemperaturzustand des Schneidbereichs bewirkt, dass die Werkzeugspitze schnell schmilzt oder verklebt, was zum Werkzeug führt. stark beschädigt durch Rub.


Darüber hinaus ist die Wärmeleitfähigkeit der Titanlegierung gering, nur etwa 15% des legierten Stahls, 5% der Aluminiumlegierung (Titan-Wärmeübertragungskoeffizient 15,24 W / mK; Titanlegierung Ti-6-4 beträgt 7,56 W / mK; AISI) 4340 legierung Der Stahl hat 44,6 W / mK, der 45er Stahl 50,2 W / mK, die 7075er Aluminiumlegierung 130 W / mK) und im Gegensatz zur wird ca. 80% der beim Schneiden entstehenden Wärme auf das Werkzeug übertragen typische hochgeschwindigkeitsbearbeitung von aluminium. Wie bei Metallen wie Legierungen werden 75% der Wärme auf die Späne übertragen, was nur etwa 15% der auf das Werkzeug übertragenen Wärme entspricht. Daher ist es schwierig, die Hochtemperaturwärme des Schneidpunkts des Werkzeugs während des Schneidprozesses der Titanlegierung durch den Span schnell abzuführen, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Dies bestimmt auch, dass das Titanlegierungsmaterial durch Hochdruck- und stark fließendes Kühlmittel verarbeitet werden muss.


Einfach zu bildende gehärtete Schicht


Titan weist eine hohe chemische Aktivität auf und neigt zu chemischen Reaktionen bei hohen Temperaturen, was zu einer gehärteten Schicht auf der Schneidfläche führt, die eine Tiefe von 0,1 bis 0,15 mm erreichen kann, was zu einer signifikanten Erhöhung der Oberflächenhärte und einem beschleunigten Werkzeugverschleiß führt. Gleichzeitig führt eine hohe chemische Aktivität zu einer ernsthaften Bindung zwischen den Spänen und dem Werkzeug während der Bearbeitung und beschleunigt auch den Werkzeugverschleiß.


Hohe Reibungsarbeit


Der Reibungskoeffizient der Titanlegierung ist groß, was zu der großen Reibungskraft führt, die erforderlich ist, damit die Späne während des Schneidprozesses durch die Spanfläche des Werkzeugs fließen, und die Reibgrenzflächentemperatur ist extrem hoch, was den Werkzeugverschleiß weiter beschleunigt.


Leicht zu erzeugende elastische Verformung und Vibration


Das Elastizitätsmodul der Titanlegierung ist gering (Titanlegierung Ti-6-4 ist 110 kN / mm2, Stahl Ck45110 kN / mm2, 210 kN / mm2), was zu elastischer Verformung und Vibration während des Schneidens führt, was nicht nur die Maßgenauigkeit des Werkstücks beeinträchtigt Verarbeitung und Oberflächenrauheit. Und die Elastizität der bearbeiteten Oberfläche wird weitgehend wiederhergestellt, etwa zwei- bis dreimal so hoch wie bei Edelstahl, wodurch auch der Werkzeugverschleiß beschleunigt wird.


Gleichzeitig hat der niedrige Elastizitätsmodul der Titanlegierung die Tendenz, offensichtliche Kautschukeigenschaften aufzuweisen, die leicht zu Abplatzungen an der Schneidkante des Werkzeugs führen und auch den Verschleiß des Werkzeugs beschleunigen können, was die Verwendung eines hohen Schneidens einschränkt Geschwindigkeit.


Niedrige Schnittgeschwindigkeit


Die Probleme bei dem oben erwähnten Titanlegierungsschneidprozess führen zu einem starken Werkzeugverschleiß während des Schneidens und einer verringerten Werkzeughaltbarkeit. Um die Verarbeitungseigenschaften von Titanlegierungsmaterialien zu verbessern und die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen sicherzustellen, ist es daher im Allgemeinen erforderlich, eine niedrigere Schneidgeschwindigkeit zum Schneiden von Titanlegierungsmaterialien zu verwenden. Wenn das herkömmliche Bearbeitungsverfahren zum Schneiden von Titanlegierungsteilen verwendet wird, beträgt die Schnittgeschwindigkeit im Allgemeinen nicht mehr als 40 bis 50 m / min, die Zerspanungsrate mrr beim Schruppen beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 40 cm 3 / min und der mrr beim Schlichten beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 10 cm3 / min. Bei Verwendung der HEM-HSM-Bearbeitung kann die aktuelle Schnittgeschwindigkeit 100 bis 1.200 m / min und die Zerspanungsrate mrr bis zu 700 cm3 / min betragen, wie in der Abbildung dargestellt. In der tatsächlichen industriellen Produktion ist es jedoch im Allgemeinen niedriger als dieser Maximalwert, um sicherzustellen, dass das Werkzeug eine ausreichende Haltbarkeit aufweist, die typische Schnittgeschwindigkeit 100 bis 400 m / min beträgt und die Metallabtragsrate mrr typischerweise 100 bis 400 cm³ / min beträgt.




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Titanlegierungs-Metallentfernungsrate mrr-Verbesserungsprozess


Kleiner Werkzeugkontakt-Lichtbogenkoeffizient


Um eine hohe Werkzeughaltbarkeit aufrechtzuerhalten und die Bearbeitungsqualität zu verbessern, erfordert das Schneiden von Titanlegierungsmonolithen im Allgemeinen einen Werkzeugkontakt-Lichtbogenkoeffizienten von ≤ 40%. Bei Verwendung einer höheren Schnittgeschwindigkeit (≧ 120 m / min) ist in der Regel der Werkzeugkontakt-Lichtbogenkoeffizient erforderlich. 15%, gewöhnlicher Stahl kann 50-100% erreichen. Der Werkzeugkontakt-Lichtbogenkoeffizient ist definiert als der Prozentsatz der Werkzeugschnittbreite WOC (radiale Schnittiefe) und des Verhältnisses des Werkzeugdurchmessers D. Darüber hinaus zeigt die industrielle Praxis, dass bei einem Werkzeugkontaktlichtbogenkoeffizienten von ≤ 25% die Schnittgeschwindigkeit um 50% und bei einem Werkzeugkontaktlichtbogenkoeffizienten von ≤ 10% die Schnittgeschwindigkeit um 100% erhöht werden kann.


Im Hinblick auf die Besonderheit des oben erwähnten Titanlegierungsmaterial-Schneidprozesses sind im Vergleich zu dem Aluminiumlegierungsmaterial zum Schneiden die Verarbeitungseffizienz, die Bearbeitungsgenauigkeit, die Oberflächenrauheit, die Werkzeughaltbarkeit, die Flatterunterdrückung und die Verformungskontrolle alle höher. Anspruch. Zu diesem Zweck haben viele der weltweit führenden Hersteller von CNC-Werkzeugmaschinen innovative Entwicklungen für traditionelle Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen durchgeführt und aktiv eine Vielzahl von Hochleistungs-Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen auf den Markt gebracht, die für die Bearbeitung von Bauteilen aus Titanlegierungen geeignet sind HEM-HSM. So hat beispielsweise das japanische Unternehmen Makino in seinem Werk in Mason ein Forschungs- und Entwicklungszentrum für Titanlegierungstechnologie eingerichtet und in den letzten Jahren eine Reihe hocheffizienter Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen für Titanlegierungswerkstoffe auf den Markt gebracht.


Grundlegende Anforderungen an CNC-Werkzeugmaschinen aus Titanlegierungen


Gegenwärtig haben viele Werkzeugmaschinenhersteller hocheffiziente Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen zum HEM-HSM-Schneiden von Leichtmetallen wie großen Aluminiumlegierungen eingeführt, die beispielsweise für hochfesten Stahl, Edelstahl, Titanlegierungen und die Luftfahrt verwendet werden Superlegierungen. Es ist offensichtlich nicht geeignet, eine HEM-HSM-Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Metallmaterialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte zu realisieren. Obwohl es auch diese Hartlegierungsmaterialien verarbeiten kann, ist der Schneidwirkungsgrad oft nicht akzeptabel. Die Hauptgründe sind:


(1) Wie oben erwähnt, erfordert die Bearbeitung von Hartlegierungen wie Titanlegierungen große Schneidkräfte oder Spindeln mit hohem Drehmoment und hocheffiziente Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen für die HEM-HSM-Bearbeitung von Leichtlegierungen wie Aluminiumlegierungen. Der größte Teil des Drehmoments beträgt weniger als 100 Nm, im Allgemeinen nicht mehr als 200 Nm, und es ist keine hocheffiziente Verarbeitung von Hartlegierungsmaterialien wie Titanlegierungen möglich.


(2) Wie oben erwähnt, erlaubt die Verarbeitung von Hartlegierungen wie Titanlegierungen normalerweise nur die Verwendung niedrigerer Schnittgeschwindigkeiten, dh es können nur niedrigere Spindeldrehzahlen verwendet werden, und sie wird typischerweise für die HEM-HSM-Bearbeitung von Leichtlegierungen wie Aluminium verwendet Legierungen. Der Spindeldrehzahlbereich hocheffizienter Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen ist nicht für die aktuellen Bearbeitungsanforderungen von Titanlegierungswerkstoffen geeignet.


Daher werden die Entwicklung und Herstellung vieler wichtiger numerischer Steuerungskomponenten wie CNC-Werkzeugmaschinenstruktur, Steifigkeit, dynamische Eigenschaften, Spindel- und Koordinatenantrieb, Kühlsystem, Werkzeug- und Werkzeugschnittstelle und Steuersystem für die Bearbeitung der Titanlegierung HEM-HSM vorgeschlagen . Anspruch. Es enthält hauptsächlich die folgenden grundlegenden Anforderungen in mehreren Aspekten.


Hochleistungs- und drehmomentstarke Spindel


Aus dem Grundprinzip des Zerspanens ist bekannt, dass beim Fräsen von Metallwerkstoffen:


Mrr = aeapzfZn × 10 & supmin; ³ = PS × MRF (cm³ / min) (1)


PS = SPF × mrr (kW) (2)


PS / n = T / 9555 × T × 10 –4 (3)


Hier mrr: Metallentfernungsrate, cm³ / min; ae: Schnittbreite WOC, mm; ap: Schnitttiefe DOC (axiale Schnitttiefe, axiale Schnitttiefe), mm; fZ: Vorschub pro Zahn, mm / Blattdrehung; z: Anzahl der Zähne; n: Spindeldrehzahl, U / min; PS: Spindelleistung, kW; T: Spindeldrehmoment, Nm; MRF: Metallentfernungsfaktor, cm³ & supmin; ¹ / kW; SPF: Spindelleistungsfaktor, kW / cm³ & supmin; ¹; und F = nfZz (mm / min), F ist die Bearbeitungsvorschubgeschwindigkeit.


Aus den Formeln (1) und (2) ist ersichtlich, dass zur Erzielung der hohen Zerspanungsrate mrr die als Titanlegierungswerkstoff HEM-HSM bearbeitete Spindel der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine zunächst eine ausreichend hohe Leistung aufweisen sollte . Gegenwärtig beträgt der Spindelleistungsindex SPF für Titanlegierungen (Ti-6-4) typischerweise 0,06 kW / cm³ · min & supmin; ¹, was dem Vierfachen einer typischen Aluminiumlegierung entspricht. In der tatsächlichen industriellen Produktion beträgt die Zerspanungsrate mrr, die durch Fräsen von Titanlegierung (Ti-6-4) erhalten werden kann, unter Berücksichtigung der Einschränkungen der Werkzeuglebensdauer, der Werkzeugmaschineneigenschaften, der Bearbeitungsgenauigkeit und der Bearbeitungsqualität etwa 40%. 700 cm³ / min (typischerweise 100 bis 400 cm³ / min), nur 5 bis 10% Aluminiumlegierung. Somit kann die zum Bearbeiten eines Titanlegierungsmaterials erforderliche Spindelleistung geringer sein als beim Bearbeiten eines Aluminiumlegierungsmaterials, obwohl sein Lichtschutzfaktor höher ist als der eines Aluminiumlegierungsmaterials. Bei der Bearbeitung einer Titanlegierung beträgt die Spindelleistung 22,5 kW und bei der Bearbeitung einer Aluminiumlegierung beträgt die Spindelleistung 70 kW. Gegenwärtig hat die CNC-Spindelmaschine zur Bearbeitung von Teilen aus Titanlegierungen HEM-HSM eine typische Spindelleistung von 30 bis 60 kW und zeigt einen von Jahr zu Jahr zunehmenden Trend, wobei das derzeitige Maximum 100 kW überschritten hat.


Gleichzeitig ist aus Gleichung (3) ersichtlich, dass zur Bestimmung der Spindelleistung, um eine große Schnittkraft (hohes Drehmoment) zu erhalten, eine niedrigere Spindeldrehzahl (niedrigere Schnittgeschwindigkeit) oder die Spindel verwendet werden sollte ausreichend hoch geliefert werden kann. Das Nennleistungsverhältnis ist normalerweise größer als 0,1. Dies erfordert, dass das Nenndrehmoment der Spindel einer als Titanlegierung HEM-HSM bearbeiteten CNC-Werkzeugmaschine mindestens 1.000 Nm beträgt.


Gleichzeitig ist aus Gleichung (3) ersichtlich, dass zur Bestimmung der Spindelleistung, um eine große Schnittkraft (hohes Drehmoment) zu erhalten, eine niedrigere Spindeldrehzahl (niedrigere Schnittgeschwindigkeit) oder die Spindel verwendet werden sollte ausreichend hoch geliefert werden kann. Das Nennleistungsverhältnis ist normalerweise größer als 0,1. Dies erfordert, dass das Nenndrehmoment der Spindel einer als Titanlegierung HEM-HSM bearbeiteten CNC-Werkzeugmaschine mindestens 1.000 Nm beträgt.


Im Allgemeinen muss die Spindeldrehzahl des Titanlegierungsmaterials weniger als 1.000 U / min betragen, typischerweise 200 bis 400 U / min, und das Spindeldrehmoment beträgt 300 bis 1.500 Nm. Die typische Spindeldrehzahl während der HSM-Bearbeitung beträgt 3.000 bis 8.000 U / min. Das typische Drehmoment beträgt 80 ~ 250 Nm. Hochleistungszerspanung (HEM) Neue Titanlegierungen (Ti-5-5-5-3) oder Hochtemperaturlegierungen für die Luft- und Raumfahrt erfordern niedrigere Spindeldrehzahlen, sogar unter 100 U / min, wobei die Spindel mehr Drehmoment und sogar mehr als 2.000 U / min liefern muss ~ 3.000 Nm. Die Abbildung rechts zeigt die ideale Spindelleistung / das ideale Drehmoment für die aktuelle Bearbeitung der Titanlegierung HEM-HSM.