Proč je obtížné obrábět slitiny titanu na základě jejich materiálových vlastností? - Novinky

Když přijde na obráběníslitiny titanu, první slitina titanu, která mě napadá, je pravděpodobně Ti-6Al-4V. Ti-6Al-4V je celosvětově nejdříve vyvinutá a nejrozšířenější titanová slitina, která tvoří více než polovinu všech výrobků ze slitin titanu. Zejména pro vzkvétající humanoidní roboty je Ti-6Al-4V preferovaným materiálem díky své rozumné ceně, vysoké pevnosti a požadavkům na nízkou hmotnost. Nominální složení Ti-6Al-4V je 6 % hliníku (Al) a 4 % vanadu (V). Hliník je fázový stabilizační prvek, který zlepšuje pokojovou teplotu slitiny a pevnost při vysokých teplotách, zatímco vanad je fázový stabilizační prvek, který zlepšuje plasticitu a tepelnou stabilitu materiálu při zpracování. Tato + dvoufázová struktura dává slitinám Ti-6Al-4V vynikající komplexní mechanické vlastnosti. Pro výrobu dílů z titanové slitiny Ti-6Al-4V, které splňují požadavky na montáž, je však obrábění nevyhnutelným problémem. Dnes si tedy probereme, proč je obrábění titanových slitin Ti-6Al-4V obtížné z hlediska jejich materiálových vlastností.

Ze všech faktorů, které přispívají k obtížím při obrábění Ti-6Al-4V, je jeho extrémně nízká tepelná vodivost široce uznávána jako nejkritičtější a rozhodující. Je to jako Pandořina skříňka spouštěná procesem řezání, která způsobuje řadu řetězových reakcí a dominuje výzvám při obrábění. Řezání kovů je v podstatě násilná plastická deformace, kdy se 99 % mechanické energie přemění na teplo. Obyčejné oceli a slitiny hliníku se svou dobrou tepelnou vodivostí dokážou odvést 60 %-80 % tepla třískami, přičemž většinu tepla odvedou třísky, takže na řezný nástroj zbývá pouze 10 %-20 %. Ti-6Al-4V má však extrémně nízkou tepelnou vodivost, pouze 1/6-1/7 u středně uhlíkové oceli, jako je ocel 45, a 1/16 u slitin hliníku, což z něj dělá „tepelný izolant“. To má za následek, že více než 80 % tepla je vysoce koncentrováno v úzké oblasti na špičce nástroje, což vytváří extrémní akumulaci tepla. Tato nepřetržitá akumulace tepla může snadno dosáhnout nebo dokonce překročit 1000 stupňů, takové vysoké teploty jsou pro řezné nástroje katastrofální. Vysoké teploty mohou například způsobit tepelné změkčení nástrojových materiálů, jako je slinutý karbid a rychlořezná ocel, čímž se drasticky sníží jejich tvrdost a odolnost proti opotřebení. Současně aktivuje atomovou difúzi, což zhoršuje difúzi a adhezní opotřebení mezi nástrojem a obrobkem. Odlupování nahromaděných hran může také způsobit opotřebení kráterů a oxidační reakce ve vysokoteplotním prostředí bohatém na kyslík dále opotřebovávají nástroj. Mezitím u obrobených titanových slitin se vysoké teploty přenášejí na obrobený povrch, což způsobuje povrchové popáleniny, metalografické změny a oslabuje únavový výkon a odolnost dílů proti korozi. Podporuje také reakci povrchové vrstvy Ti-6Al-4V s prvky O a N ve vzduchu, čímž se vytvoří tenká, křehká a pevná vrstva nebo nitridová vrstva. Tato vrstva nejen ztěžuje řezání, ale také opotřebovává řeznou hranu a zhoršuje mechanické zpevňování, čímž vzniká začarovaný kruh.

Ještě důležitější je, že vysoko-teplotní prostředí způsobené nízkou tepelnou vodivostí působí jako katalyzátor, který značně zesiluje negativní účinky dalších -obtížně{2}}obrobitelných vlastností. Například aktivuje chemickou aktivitu, zesiluje chemické reakce mezi nástrojem a obrobkem, o kterých pojednáme v další části. Řízení akumulace řezného tepla proto řeší polovinu problému obrábění Ti-6Al-4V. Hlavním cílem optimalizačních strategií, jako jsou nové povlaky nástrojů, vysokotlaké a nízkoteplotní chlazení, je tedy efektivně řídit akumulaci tepla v zóně řezání.

Mikrostruktura a morfologie čipu Ti-6Al-4V také významně ovlivňuje jeho obrobitelnost. Ještě důležitější je, že všechny tyto faktory nejsou izolované, ale vzájemně propojené a tvoří komplexní, sebe{5}}posilující se „obtížně obrobitelný systém“.

titanium Gr5 bars