دلایل دشواری پردازش آلیاژ تیتانیوم و نحوه مقابله با آن

تیتانیوم یک فلز ساختاری مهم است که در دهه 1950 توسعه یافت. آلیاژهای تیتانیوم به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی خوب و مقاومت حرارتی بالا به طور گسترده در زمینه های مختلف استفاده می شوند. بسیاری از کشورهای جهان به اهمیت مواد آلیاژ تیتانیوم پی برده اند و به طور متوالی بر روی آنها تحقیق و توسعه انجام داده اند و کاربردهای عملی به دست آورده اند. در دهه 1950 و 1960، آلیاژهای تیتانیوم با دمای بالا برای موتورهای هوافضا و آلیاژهای تیتانیوم ساختاری برای بدنه هواپیما به طور عمده توسعه یافتند. در دهه 1970، دسته ای از آلیاژهای تیتانیوم مقاوم در برابر خوردگی ساخته شد. از دهه 1980، آلیاژهای تیتانیوم مقاوم در برابر خوردگی و آلیاژهای تیتانیوم با استحکام بالا بیشتر توسعه یافتند. توسعه دهد.

آلیاژ تیتانیوم به دلیل ویژگی‌های دشوار پردازش آن، چالش‌های خاصی را برای صنعت تولید به همراه آورده است.

چگالی آلیاژهای تیتانیوم به طور کلی حدود 4.51 گرم بر سانتی متر مکعب است که تنها 60 درصد فولاد است. چگالی تیتانیوم خالص فقط به چگالی فولاد معمولی نزدیک است. برخی از آلیاژهای تیتانیوم با استحکام بالا از استحکام بسیاری از فولادهای ساختاری آلیاژی فراتر می روند. بنابراین، استحکام ویژه (استحکام / چگالی) آلیاژ تیتانیوم بسیار بیشتر از سایر مواد ساختاری فلزی است و می توان قطعاتی با استحکام واحد بالا، استحکام خوب و وزن سبک تولید کرد. آلیاژهای تیتانیوم در اجزای موتور هواپیما، قاب ها، پوسته ها، بست ها و ارابه فرود استفاده می شود. علاوه بر این، آلیاژهای تیتانیوم نیز به طور گسترده در قطعات خودرو، تجهیزات پزشکی و صنایع الکترونیک 3C استفاده می شود.

نیروی برش در هنگام پردازش آلیاژهای تیتانیوم فقط کمی بیشتر از فولاد با همان سختی است، اما پدیده های فیزیکی پردازش آلیاژهای تیتانیوم بسیار پیچیده تر از پردازش فولاد است و باعث می شود پردازش آلیاژ تیتانیوم با مشکلات بزرگی روبرو شود.
رسانایی حرارتی اکثر آلیاژهای تیتانیوم بسیار کم است، فقط 1/7 فولاد و 1/16 آلومینیوم. بنابراین، گرمای تولید شده در حین برش آلیاژ تیتانیوم به سرعت به قطعه کار منتقل نمی شود یا توسط تراشه ها از بین نمی رود. در عوض، در ناحیه برش انباشته می شود و دمای تولید شده می تواند به بیش از 1000 درجه برسد، که باعث می شود لبه برش ابزار به سرعت فرسوده شود، ترک بخورد و لبه های ساخته شده ایجاد شود و لبه برش به سرعت فرسوده شود. گرمای بیشتری در ناحیه برش ایجاد می کند و عمر ابزار را بیشتر کاهش می دهد.

دمای بالای تولید شده در طی فرآیند برش، یکپارچگی سطح قطعات آلیاژ تیتانیوم را نیز از بین می برد و در نتیجه دقت هندسی قطعات کاهش می یابد و پدیده سخت شدن کار می شود که به طور جدی استحکام خستگی آنها را کاهش می دهد.
خاصیت ارتجاعی آلیاژهای تیتانیوم ممکن است برای عملکرد قطعه مفید باشد، اما در طول فرآیند برش، تغییر شکل الاستیک قطعه کار یکی از دلایل مهم ارتعاش است. فشار برش باعث می شود قطعه کار "الاستیک" از ابزار دور شود و دوباره به عقب برگردد و باعث شود اصطکاک بین ابزار و قطعه کار بر عمل برش بیشتر شود. فرآیند اصطکاک همچنین گرما تولید می کند که مشکل هدایت حرارتی ضعیف آلیاژهای تیتانیوم را تشدید می کند.
این مشکل در هنگام پردازش قطعات با دیواره نازک یا حلقه ای شکل که به راحتی تغییر شکل می دهند، شدیدتر می شود. پردازش قطعات جدار نازک آلیاژ تیتانیوم با دقت ابعادی مورد انتظار آسان نیست. از آنجایی که وقتی مواد قطعه کار توسط ابزار رانده می شود، تغییر شکل موضعی دیواره نازک از محدوده الاستیک فراتر رفته و تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد، استحکام و سختی ماده در نقطه برش به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. در این مرحله، سرعت برش تعیین شده اولیه خیلی زیاد می شود و باعث سایش سریع ابزار می شود.

بنابراین مقصر اصلی مشکل در پردازش آلیاژهای تیتانیوم «حرارت» است.

برای غلبه بر این چالش ها و موفقیت آمیز بودن ماشین آلیاژهای تیتانیوم، می توان از چندین روش استفاده کرد. این شامل:

(1) از درج های هندسی با زاویه مثبت برای کاهش نیروی برش، گرمای برش و تغییر شکل قطعه کار استفاده کنید.
(2) تغذیه ثابت را برای جلوگیری از سخت شدن قطعه کار حفظ کنید. در طول فرآیند برش، ابزار باید همیشه در حالت تغذیه باشد. مقدار برش شعاعی ae باید 30 درصد شعاع در هنگام آسیاب باشد.
(3) برای اطمینان از پایداری حرارتی فرآیند ماشینکاری و جلوگیری از انحطاط سطح قطعه کار و آسیب ابزار ناشی از دمای بیش از حد، از مایع برش با فشار بالا و جریان بالا استفاده کنید.
(4) لبه تیغه را تیز نگه دارید. ابزارهای بلانت عامل انباشته شدن گرما و سایش هستند که به راحتی می تواند منجر به خرابی ابزار شود.
(5) آلیاژ تیتانیوم را تا حد امکان در نرم ترین حالت پردازش کنید، زیرا پردازش مواد پس از خاموش شدن دشوارتر می شود و عملیات حرارتی استحکام مواد را افزایش می دهد و سایش تیغه را افزایش می دهد.
(6) از شعاع قوس یا پخ بزرگ نوک ابزار استفاده کنید تا تا آنجا که ممکن است لبه ابزار را وارد برش کنید. این کار نیروی برش و حرارت را در هر نقطه کاهش می دهد و از شکستگی موضعی جلوگیری می کند. هنگام آسیاب کردن آلیاژ تیتانیوم، در بین پارامترهای برش، سرعت برش بیشترین تأثیر را بر عمر ابزار vc دارد و به دنبال آن درگیری شعاعی ابزار (عمق آسیاب) ae قرار دارد.

به طور کلی، سایش شیار تیغه که هنگام ماشینکاری آلیاژهای تیتانیوم رخ می دهد، سایش موضعی پشت و جلو در امتداد جهت عمق برش است. این اغلب به دلیل لایه سخت شده به جا مانده از پردازش قبلی ایجاد می شود. واکنش شیمیایی و انتشار بین ابزار و ماده قطعه کار در دمای پردازش بیش از 800 درجه نیز یکی از علل سایش شیار است. زیرا در طول فرآیند ماشینکاری، مولکول های تیتانیوم قطعه کار در جلوی تیغه جمع می شوند و تحت فشار و دمای بالا به تیغه جوش داده می شوند و لبه های ساخته شده را تشکیل می دهند. هنگامی که لبه ساخته شده از لبه برش جدا می شود، پوشش کاربید درج را با خود می برد، بنابراین ماشینکاری تیتانیوم به مواد و هندسه های مخصوص درج نیاز دارد.

شرایط برش، از جمله سرعت برش، سرعت تغذیه و عمق برش، نیز نقش حیاتی در تعیین عملکرد ابزار برش و کیفیت قطعه تمام شده دارد. پارامترهای برش بهینه ممکن است بسته به نوع آلیاژ تیتانیوم در حال ماشینکاری متفاوت باشد، اما سرعت برش آهسته تر و نرخ تغذیه بالاتر معمولاً برای کاهش گرما و جلوگیری از سخت شدن کار توصیه می شود.

استفاده از یک سیستم خنک کننده مناسب برای نگهداری ابزارهای برش و قطعات کار در دمای مناسب بسیار مهم است. خنک‌کننده‌های مبتنی بر آب، مانند امولسیون‌ها، به‌طور گسترده در ماشین‌کاری تیتانیوم استفاده می‌شوند، زیرا خواص خنک‌کنندگی و روان‌کاری مؤثری را بدون ایجاد واکنش‌های شیمیایی با مواد ارائه می‌دهند.
علیرغم چالش‌هایش، تیتانیوم یک ماده بسیار مورد توجه است که برای بسیاری از کاربردهای مدرن حیاتی است. با استفاده از ابزارهای برش مناسب، شرایط برش، سیستم های خنک کننده و تکنیک های پیشرفته ماشینکاری، می توان بر مشکلات ماشینکاری این ماده غلبه کرد و پتانسیل کامل آن را آزاد کرد.