Leghe di titaniohanno molti vantaggi. Ad esempio: elevata resistenza alla corrosione, bassa densità ed elevata resistenza, proprietà non-magnetiche, biocompatibilità e resistenza alle alte-temperature. Tuttavia, le leghe di titanio sono in realtà difficili da lavorare e richiedono utensili da taglio speciali. Questo articolo discuterà i motivi per cui le leghe di titanio sono difficili da lavorare e le contromisure che possono essere adottate.
1. Motivi per cui le leghe di titanio sono difficili da lavorare
Innanzitutto, la concentrazione del calore
La maggior parte delle leghe di titanio hanno una conduttività termica molto bassa-solo 1/7 di quella dell'acciaio, 1/16 di quella dell'alluminio e 1/25 di quella del rame. Di conseguenza, il calore generato durante la lavorazione delle leghe di titanio non viene trasferito rapidamente al pezzo o portato via dai trucioli, ma si concentra nella zona di taglio.
Le temperature sul tagliente possono raggiungere i 1.000 gradi, causando una rapida usura e rottura del tagliente dell'utensile, con conseguente accumulo di trucioli e riduzione della durata utile dell'utensile.
Le alte temperature generate durante il taglio compromettono anche l'integrità superficiale delle parti in lega di titanio, con conseguente ridotta precisione geometrica e incrudimento, che riduce gravemente la loro resistenza alla fatica.
In secondo luogo, la deformazione elastica
Il modulo elastico delle leghe di titanio non è molto elevato; ad esempio, il modulo elastico del TC4 è di soli 110 GPa, mentre quello dell'acciaio 45 è di 210 GPa, e anche quello degli acciai inossidabili come 303, 304 e 316 è di circa 200 GPa. Pertanto, è probabile che si verifichi una deformazione elastica durante la lavorazione delle leghe di titanio.
Questo problema è ancora più grave quando si lavorano parti a parete-sottile o a forma di anello-. Non è facile lavorare a macchina-parti in lega di titanio a pareti sottili con la precisione dimensionale desiderata. Questo perché quando il materiale del pezzo viene spinto via dall'utensile da taglio, la deformazione locale nelle aree con pareti sottili- supera il limite elastico, provocando una deformazione plastica, che aumenta significativamente la resistenza e la durezza del materiale nel punto di taglio.
La pressione di taglio fa sì che il pezzo "elastico" si allontani dall'utensile e rimbalzi, provocando un attrito tra l'utensile e il pezzo che supera la forza di taglio. Questo attrito genera calore, il che aggrava il problema della scarsa conduttività termica delle leghe di titanio.
In terzo luogo, le leghe di titanio hanno un’elevata affinità, che porta alla formazione di trucioli lunghi e continui durante la tornitura e la foratura. Questi trucioli possono avvolgersi attorno all'utensile e comprometterne il funzionamento. Una profondità di taglio eccessiva può provocare l'incollamento, la bruciatura e la rottura dell'utensile.
Naturalmente questa elevata affinità è molto utile anche in altre applicazioni; ad esempio, nelle pompe ioniche, dove il titanio viene utilizzato per le piastre catodiche. Quando gli atomi di titanio vengono spruzzati sulla parete del tubo dell'anodo, assorbono gas, creando così un vuoto ultra-elevato.
Quarto, Vibrazione
Sebbene l’elasticità delle leghe di titanio possa favorire le prestazioni del pezzo, durante il processo di taglio la deformazione elastica del pezzo è una delle principali cause di vibrazione.
La vibrazione generata durante la lavorazione delle leghe di titanio è circa 10 volte quella dell'acciaio. Poiché il calore di taglio è concentrato nella zona di taglio, si producono trucioli seghettati e si verificano fluttuazioni della potenza di taglio.
2. Contromisure per la difficile lavorabilità delle leghe di titanio
Innanzitutto, il raffreddamento
Il refrigerante può essere utilizzato per ridurre le alte temperature generate durante il processo di taglio. In genere, i refrigeranti a base di olio non-solubile-vengono utilizzati per il taglio e il taglio a bassa-velocità e con carichi pesanti-, mentre i refrigeranti da taglio solubili vengono utilizzati per il taglio o il taglio ad alta-velocità.
Inoltre, è possibile utilizzare metodi di taglio criogenici, utilizzando azoto liquido (-180 gradi ) o CO₂ liquida (-76 gradi ) come fluido da taglio per abbassare la temperatura nella zona di taglio. Questo metodo può ridurre la forza di taglio principale del 20% e abbassare la temperatura di taglio di oltre 300 gradi. Allo stesso tempo, il tagliente di riporto scompare, la qualità della superficie lavorata migliora e la durata dell'utensile aumenta di un fattore da 2 a 3.
In secondo luogo, selezionare gli utensili da taglio giusti
La scelta degli utensili da taglio corretti può produrre miglioramenti significativi.
Poiché il calore deve essere dissipato attraverso il tagliente e il refrigerante-piuttosto che attraverso il truciolo, come nel caso dell'acciaio,-una piccola porzione del tagliente deve resistere a sollecitazioni termiche e meccaniche estremamente elevate. L'uso di un tagliente affilato riduce le forze di taglio.
Inoltre, la pressione di taglio può essere ridotta utilizzando inserti rettificati con scanalature lucidate e angoli di spoglia positivi elevati.
Se necessario, è possibile utilizzare anche utensili rivestiti per resistere all'adesione alla lega e rompere i trucioli lunghi, riducendo così al minimo l'attrito durante l'evacuazione dei trucioli-e tutto ciò aiuta a prevenire la generazione di calore durante la lavorazione.
In terzo luogo, mantenere una velocità di avanzamento costante o aumentare la velocità di avanzamento
Il titanio è soggetto a incrudimento-ovvero, diventa più duro man mano che viene lavorato, il che porta a una maggiore usura dell'utensile. Una velocità di avanzamento costante garantisce che l'incrudimento sia mantenuto al minimo.
Naturalmente, se la macchina lo consente, è possibile aumentare la velocità di avanzamento. Ciò significa che l'utensile trascorre meno tempo in un'area specifica, lasciando meno tempo per l'accumulo di calore e l'incrudimento.
In quarto luogo, ridurre la velocità di taglio
Ad esempio, utilizza un-terzo o meno della velocità di taglio utilizzata per l'acciaio per controllare la generazione di calore.
In quinto luogo, cambia gli strumenti in base al processo
Gli utensili con rivestimenti in ceramica, carburo di titanio e nitruro di titanio utilizzati per la lavorazione delle leghe di titanio avranno una durata utile più breve.
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