Ragioni per cui la lega di titanio è difficile da lavorare e come gestirla

Il titanio è un importante metallo strutturale sviluppato negli anni '50. Le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate in vari campi grazie alla loro elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione ed elevata resistenza al calore. Molti paesi nel mondo hanno riconosciuto l’importanza dei materiali in lega di titanio, hanno successivamente condotto ricerca e sviluppo su di essi e hanno ottenuto applicazioni pratiche. Negli anni '50 e '60 furono sviluppate principalmente leghe di titanio ad alta temperatura per motori aerospaziali e leghe di titanio strutturali per cellule di aerei. Negli anni '70 fu sviluppata una serie di leghe di titanio resistenti alla corrosione. Dagli anni '80 sono state ulteriormente sviluppate le leghe di titanio resistenti alla corrosione e le leghe di titanio ad alta resistenza. sviluppare.

La lega di titanio ha comportato alcune sfide per l’industria manifatturiera a causa delle sue caratteristiche difficili da lavorare.

La densità delle leghe di titanio è generalmente intorno a 4,51 g/centimetro cubo, ovvero solo il 60% di quella dell'acciaio. La densità del titanio puro è vicina solo alla densità dell'acciaio ordinario. Alcune leghe di titanio ad alta resistenza superano la resistenza di molti acciai strutturali legati. Pertanto, la resistenza specifica (resistenza/densità) della lega di titanio è molto maggiore di quella di altri materiali strutturali metallici e possono essere prodotte parti con elevata resistenza unitaria, buona rigidità e peso leggero. Le leghe di titanio vengono utilizzate nei componenti dei motori degli aerei, nei telai, nei rivestimenti, negli elementi di fissaggio e nei carrelli di atterraggio. Inoltre, le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate anche nei ricambi auto, nelle apparecchiature mediche e nell'industria elettronica 3C.

La forza di taglio durante la lavorazione delle leghe di titanio è solo leggermente superiore a quella dell'acciaio della stessa durezza, ma i fenomeni fisici della lavorazione delle leghe di titanio sono molto più complessi rispetto alla lavorazione dell'acciaio, rendendo la lavorazione delle leghe di titanio di fronte a enormi difficoltà.
La conduttività termica della maggior parte delle leghe di titanio è molto bassa, solo 1/7 dell'acciaio e 1/16 dell'alluminio. Pertanto, il calore generato durante il taglio della lega di titanio non verrà trasferito rapidamente al pezzo o portato via dai trucioli. Invece, si accumulerà nell'area di taglio e la temperatura generata può raggiungere più di 1000 gradi, causando la rapida usura, rottura del tagliente dell'utensile e la generazione di bordi di riporto e il tagliente si consuma rapidamente, il che genera più calore nella zona di taglio e accorcia ulteriormente la vita dell'utensile.

L'elevata temperatura generata durante il processo di taglio distrugge anche l'integrità superficiale delle parti in lega di titanio, determinando una diminuzione della precisione geometrica delle parti e un fenomeno di incrudimento che riduce seriamente la loro resistenza alla fatica.
L'elasticità delle leghe di titanio può essere vantaggiosa per le prestazioni delle parti, ma durante il processo di taglio, la deformazione elastica del pezzo è un'importante causa di vibrazioni. La pressione di taglio fa sì che il pezzo "elastico" si allontani dall'utensile e rimbalzi, facendo sì che l'attrito tra l'utensile e il pezzo superi l'azione di taglio. Il processo di attrito genera anche calore, il che aggrava il problema della scarsa conduttività termica delle leghe di titanio.
Questo problema è ancora più grave quando si lavorano pezzi a pareti sottili o a forma di anello che si deformano facilmente. Non è facile lavorare parti a parete sottile in lega di titanio con la precisione dimensionale prevista. Poiché quando il materiale del pezzo viene allontanato dall'utensile, la deformazione locale della parete sottile ha superato il campo elastico e si verifica una deformazione plastica, la resistenza del materiale e la durezza nel punto di taglio aumentano notevolmente. A questo punto, la velocità di taglio originariamente determinata diventa troppo elevata, provocando ulteriormente una rapida usura dell'utensile.

Pertanto, il principale colpevole della difficoltà nella lavorazione delle leghe di titanio è il "calore".

Per superare queste sfide e lavorare con successo le leghe di titanio, è possibile adottare diversi approcci. Questi includono:

(1) Utilizzare inserti con geometria ad angolo positivo per ridurre la forza di taglio, il calore di taglio e la deformazione del pezzo.
(2) Mantenere un avanzamento costante per evitare l'indurimento del pezzo. L'utensile deve essere sempre nello stato di avanzamento durante il processo di taglio. La quantità di taglio radiale ae dovrebbe essere pari al 30% del raggio durante la fresatura.
(3) Utilizzare fluido da taglio ad alta pressione e flusso elevato per garantire la stabilità termica del processo di lavorazione e prevenire la degenerazione della superficie del pezzo e danni all'utensile causati da una temperatura eccessiva.
(4) Mantenere il bordo della lama affilato. Gli utensili spuntati sono causa di accumulo di calore e usura, che possono facilmente portare al guasto dell'utensile.
(5) Lavorare la lega di titanio il più morbida possibile, poiché il materiale diventa più difficile da lavorare dopo la tempra e il trattamento termico aumenta la resistenza del materiale e aumenta l'usura della lama.
(6) Utilizzare un ampio raggio di arco o smusso della punta dell'utensile per inserire la maggior parte possibile del tagliente dell'utensile nel taglio. Ciò riduce la forza di taglio e il calore in ogni punto e previene la rottura locale. Quando si fresa una lega di titanio, tra i parametri di taglio, la velocità di taglio ha il maggiore impatto sulla durata dell'utensile vc, seguita dall'impegno radiale dell'utensile (profondità di fresatura) ae.

In generale, l'usura della scanalatura della lama che si verifica durante la lavorazione delle leghe di titanio è l'usura locale della parte posteriore e anteriore lungo la direzione della profondità di taglio. Spesso è causato dallo strato indurito lasciato dalla lavorazione precedente. Anche la reazione chimica e la diffusione tra l'utensile e il materiale del pezzo a una temperatura di lavorazione superiore a 800 gradi è una delle cause dell'usura della scanalatura. Perché durante il processo di lavorazione, le molecole di titanio del pezzo si accumulano davanti alla lama e vengono "saldate" alla lama ad alta pressione e temperatura, formando tagliente di riporto. Quando il tagliente di riporto si stacca dal tagliente, porta con sé il rivestimento in metallo duro dell'inserto, quindi la lavorazione del titanio richiede materiali e geometrie degli inserti speciali.

Anche le condizioni di taglio, tra cui velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio, svolgono un ruolo fondamentale nel determinare le prestazioni dell'utensile da taglio e la qualità della parte finita. I parametri di taglio ottimali possono variare a seconda del tipo di lega di titanio da lavorare, ma generalmente si consigliano velocità di taglio più basse e velocità di avanzamento più elevate per ridurre il calore e prevenire l'incrudimento.

L'utilizzo di un sistema di raffreddamento adeguato è fondamentale per mantenere gli utensili da taglio e i pezzi alla giusta temperatura. I refrigeranti a base d'acqua, come le emulsioni, sono ampiamente utilizzati nella lavorazione del titanio perché forniscono efficaci proprietà di raffreddamento e lubrificazione senza causare reazioni chimiche con il materiale.
Nonostante le sue sfide, il titanio rimane un materiale molto ricercato e fondamentale per molte applicazioni moderne. Utilizzando gli utensili da taglio, le condizioni di taglio, i sistemi di raffreddamento e le tecniche di lavorazione avanzate giusti, è possibile superare le difficoltà di lavorazione di questo materiale e liberarne tutto il potenziale.