Warum ist eine Titanlegierung ein schwer zu bearbeitendes Material?

Titanlegierungen bezeichnen eine neue Art von Legierungen, die durch Zugabe eines oder mehrerer anderer Elemente auf Basis von Titan hergestellt werden. Titan ist hochreaktiv, und die meisten Elemente können mit ihm kontinuierliche Mischkristalle, begrenzte Mischkristalle, Metallverbindungen, kovalente Verbindungen, ionische Verbindungen usw. bilden. Legierungselemente können ihre Eigenschaften optimieren, indem sie die allotropen Umwandlungspunkte und die Phasenzusammensetzung verändern.

01 „Wärme“ ist der Hauptgrund, warum Titanlegierungen schwer zu bearbeiten sind

Die Schnittkraft bei der Bearbeitung von Titanlegierungen ist nur geringfügig höher als bei Stahl gleicher Härte, doch die physikalischen Vorgänge bei der Bearbeitung von Titanlegierungen sind wesentlich komplexer als bei der Stahlbearbeitung. Dadurch ist die Bearbeitung von Titanlegierungen mit großen Schwierigkeiten verbunden.

Die Wärmeleitfähigkeit der meisten Titanlegierungen ist sehr gering und beträgt nur 1/7 der von Stahl und 1/16 der von Aluminium. Daher wird die beim Schneiden von Titanlegierungen entstehende Wärme weder schnell auf das Werkstück übertragen noch durch die Späne abgeführt, sondern sammelt sich im Schneidbereich. Die entstehende Temperatur kann bis zu 1.000 °C oder mehr erreichen, wodurch die Schneidkante des Werkzeugs schnell verschleißt, Risse bekommt und eine Aufbauschneide bildet. Die verschlissene Schneide erzeugt im Schneidbereich schnell noch mehr Wärme, wodurch sich die Standzeit des Werkzeugs weiter verkürzt.

Die beim Schneidprozess entstehende hohe Temperatur beeinträchtigt außerdem die Oberflächenintegrität von Titanlegierungsteilen. Dies führt zu einer Verringerung der geometrischen Genauigkeit der Teile sowie zu einer Kaltverfestigung, die ihre Ermüdungsfestigkeit erheblich reduziert.

Die Elastizität von Titanlegierungen kann für die Leistungsfähigkeit der Teile vorteilhaft sein. Während des Schneidprozesses ist die elastische Verformung des Werkstücks jedoch eine wichtige Ursache für Vibrationen. Der Schneiddruck bewirkt, dass sich das „elastische“ Werkstück vom Werkzeug wegbewegt und zurückfedert, sodass die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück größer ist als die eigentliche Schneidwirkung. Auch bei diesem Reibungsvorgang entsteht Wärme, was die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Titanlegierungen zusätzlich verschärft.

Dieses Problem ist bei der Bearbeitung dünnwandiger oder ringförmiger Teile, die sich leicht verformen, noch gravierender. Dünnwandige Teile aus Titanlegierungen lassen sich nur schwer mit der erwarteten Maßgenauigkeit bearbeiten. Wenn das Werkstückmaterial durch das Werkzeug weggedrückt wird, überschreitet die lokale Verformung der dünnen Wand den elastischen Bereich und führt zu einer plastischen Verformung. Dadurch steigen Materialfestigkeit und Härte am Schneidpunkt deutlich an. In diesem Fall ist die Bearbeitung mit der ursprünglich festgelegten Schnittgeschwindigkeit zu schnell, was wiederum zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führt.

02 Technologische Tipps zur Bearbeitung von Titanlegierungen

Auf Grundlage des Verständnisses des Bearbeitungsmechanismus von Titanlegierungen und bisheriger Erfahrungen lauten die wichtigsten technologischen Tipps für die Bearbeitung von Titanlegierungen wie folgt:

(1) Verwenden Sie eine Schneidplatte mit positiver Geometrie, um Schnittkraft, Schneidwärme und Verformung des Werkstücks zu reduzieren.

(2) Halten Sie einen konstanten Vorschub ein, um eine Verfestigung des Werkstücks zu vermeiden. Das Werkzeug sollte sich während des Schneidprozesses stets im Vorschub befinden. Die radiale Schnitttiefe ae beim Fräsen sollte 30 % des Radius betragen.

(3) Verwenden Sie eine Kühlschmierstoffzufuhr mit hohem Druck und hohem Durchfluss, um die thermische Stabilität des Bearbeitungsprozesses zu gewährleisten und Oberflächenverformungen des Werkstücks sowie Werkzeugschäden durch übermäßige Temperaturen zu verhindern.

(4) Halten Sie die Schneidkante scharf. Stumpfe Werkzeuge verursachen Wärmestau und Verschleiß, was leicht zum Ausfall des Werkzeugs führen kann.

(5) Bearbeiten Sie Titanlegierungen möglichst im weichsten Zustand, da der Werkstoff nach einer Verfestigung schwieriger zu bearbeiten ist. Eine Wärmebehandlung erhöht die Festigkeit des Werkstoffs und den Verschleiß der Schneidplatte.

(6) Verwenden Sie zum Eintauchen einen großen Eckenradius oder eine Fase und bringen Sie möglichst viel Schneidkantenlänge in den Schnitt ein. Dadurch lassen sich Schnittkraft und Wärme an jedem Punkt reduzieren und lokale Schäden verhindern. Beim Fräsen von Titanlegierungen hat die Schnittgeschwindigkeit unter allen Schnittparametern den größten Einfluss auf die Werkzeugstandzeit vc, gefolgt von der radialen Schnitttiefe ae.

03 Probleme bei der Titanbearbeitung durch den Ansatz bei der Schneidplatte lösen

Der beim Bearbeiten von Titanlegierungen auftretende Nutverschleiß der Schneidplatte ist ein lokaler Verschleiß an der Frei- und Spanfläche entlang der Schnitttiefenrichtung. Er wird häufig durch die von der vorherigen Bearbeitung zurückgebliebene verfestigte Schicht verursacht. Die chemische Reaktion und Diffusion zwischen Werkzeug und Werkstückmaterial bei einer Bearbeitungstemperatur von über 800 °C ist ebenfalls ein Grund für die Bildung von Nutverschleiß. Während der Bearbeitung sammeln sich die Titanmoleküle des Werkstücks vor der Schneidplatte an und „verschweißen“ unter hohem Druck und hoher Temperatur mit der Schneidplatte, wodurch sich eine Aufbauschneide bildet. Wenn sich die Aufbauschneide von der Schneidplatte löst, wird die Hartmetallbeschichtung der Schneidplatte mitgerissen. Daher erfordert die Bearbeitung von Titanlegierungen spezielle Schneidplattenwerkstoffe und Geometrien.

04 Für die Titanbearbeitung geeignete Werkzeugstruktur

Der Schwerpunkt bei der Bearbeitung von Titanlegierungen liegt auf der Wärme. Eine große Menge Kühlschmierstoff unter hohem Druck muss rechtzeitig und präzise auf die Schneidkante gesprüht werden, um die Wärme schnell abzuführen. Auf dem Markt sind spezielle Fräserstrukturen erhältlich, die eigens für die Bearbeitung von Titanlegierungen entwickelt wurden.