Mecanitzat CNC de components d'aliatge de titani aeroespacial: paràmetres i pràctica

Els components d'aliatge de titani en aeroespacial no són simplement peces d'alumini més lleugeres. Són les parts on la rigidesa-a-pesa, la resistència a la fatiga i la capacitat de temperatura s'han de mantenir alhora: suports del motor, accessoris de la cèl·lula, accessoris del tren d'aterratge, col·lectors hidràulics, maquinari del compressor i material de subjecció. L'operació de mecanitzat que converteix una forja o barra en aquestes peces és on es genera la major part del cost i la major part de la ferralla.

Aliatges de titani a l'aeroespacial: el pressupost de mecanitzat

L'aliatge dominant segueix sent Ti-6Al{-4V (Grau 5, UNS R56400), subministrat com a barra segons ASTM B348, com a xapa segons AMS 4911 i com a forja segons AMS 4928. La seva estructura alfa-beta proporciona una combinació útil de resistència, estabilitat i temperatura elevada fins a 40°C. graus Celsius. Es tria Ti-6Al-4V ELI (grau 23) amb ferro i oxigen reduïts on regeixen la resistència a la fractura i la tolerància al dany, i s'utilitzen graus gairebé beta per a fixacions i molles de molt alta resistència.

Comportament de mecanitzat: per què el titani no és un altre alumini

Tres propietats fan que el titani sigui difícil de tallar. La seva conductivitat tèrmica és aproximadament una setena part de la de l'acer, de manera que la calor generada a la vora de tall no pot escapar a l'encenall i es concentra a l'eina. El seu mòdul és aproximadament la meitat del de l'acer, per la qual cosa les parets primes i les eines esveltes es desvien, la qual cosa produeix xerrameca i deriva dimensional. La seva reactivitat química és alta a la temperatura de tall, de manera que el metall tendeix a soldar-se a la vora de l'eina i a formar una-capa acumulada que es trenca i s'emporta material de l'eina.

El resultat pràctic és que les velocitats de tall s'han de mantenir baixes, els avanços han de mantenir-se prou alts per mantenir la vora sota l'obra en lloc de fregar-la, i el refrigerant ha d'arribar a la zona de tall en lloc de ruixar-la al voltant. El fregament és la principal causa de fallada prematura: una eina que s'alimenta massa lentament funciona-endureix la superfície i després falla per esquinçar-se o escorcollar.

Paràmetres de tall de referència per a Ti-6Al-4V

Aquestes xifres són punts de partida, no límits. Les configuracions rígides amb alta-pressió a través de-refrigerant d'eines poden funcionar a l'extrem superior; llargs voladissos, sòls prims i butxaques profundes empenyen cap a l'extrem inferior. El que no s'ha de sacrificar és la càrrega d'encenall. Reduir l'alimentació per controlar la vibració és exactament la resposta incorrecta en titani.

Pràctica d'eines, refrigeració i suport de treball

Substrat de l'eina.El carbur de tungstè de gra fi-amb un contingut de cobalt al voltant del 6 al 10 per cent proporciona l'equilibri de duresa calenta i tenacitat de vora requerida. Les eines de diamant policristalí no es recomana per al titani a causa de la interacció química amb la peça de treball a la temperatura de tall.

Revestiment.Els recobriments PVD AlTiN o AlCrN redueixen la fricció i l'acumulació de vores-. Les vores afilades i afilades-amb-moderació tallen més fred que les vores recobertes gruixudes.

Refrigerant.Mitjançant l'entrega d'eines-a 70 bar o més és la mesura de productivitat més eficaç, perquè força el fluid a la zona de contacte i trenca estelles. El refrigerant d'inundació només és notablement inferior.

Retenció de treball.Doneu suport a sòls i costelles prims amb material de sacrifici adequat, eviteu la subjecció puntual i utilitzeu passades d'acabat a baixa-pressió. La deflexió de l'eina, no l'error de la màquina, és la font habitual de-de-parets de tolerància.

Control de xip.Els xips de titani estan segmentats i abrasius. No els retallar mai; utilitzeu una explosió d'aire, refrigerant d'alta-pressió i cicles de picoteig interromputs en forats profunds.

Integritat superficial, tractament tèrmic i inspecció

La superfície acabada és una característica de disseny, no un sub-producte. El mecanitzat en titani deixa una tensió de compressió residual quan els paràmetres de tall són correctes i una tensió de tracció quan no ho són, i una pell de tracció escurça la vida a la fatiga en un muntatge de la cèl·lula carregada cíclicament per un gran marge. S'han de controlar dues qüestions concretes.

Cas alfa.L'exposició a l'aire per sobre d'uns 600 graus centígrads, ja sigui en forma en calent, soldadura o tractament tèrmic, produeix una capa superficial dura i rica en oxigen-que és trencadissa i s'esquerda sota càrrega. S'elimina per mòlta química en un bany d'àcid fluorhídric-nítric o per eliminació mecànica de material.

Contaminació i cremada.La decoloració blava o palla després del mecanitzat o la mòlta indica un sobreescalfament local. La capa afectada s'ha d'eliminar abans d'acceptar la peça.

La verificació normalment combina inspecció dimensional amb toleràncies de dibuix, inspecció ultrasònica del producte forjat segons AMS 2631 per a discontinuïtats internes, comprovacions de duresa i microestructura i, per a les parts crítiques de fractura-, proves de fatiga segons ASTM E466 amb proves de tracció segons ASTM E8/E8M. L'aprovació del procés aeroespacial com l'acreditació NADCAP i la traçabilitat total del lot de material són requisits contractuals normals.

Concepcions errònies comuns

El titani es pot mecanitzar més ràpidament amb una millor eina.El desenvolupament d'eines ha ampliat la finestra, però el titani mai tallarà a velocitats d'alumini; la refrigeració i la rigidesa configuren el sostre.

Les baixes velocitats d'avanç protegeixen l'eina.El contrari és cert. L'alimentació baixa frega, el treball-s'endureix i destrueix la vora.

Qualsevol refrigerant servirà.El refrigerant d'inundació sense pressió no arriba a la vora. Mitjançant l'-eina, l'alta pressió és un procés diferent, no un refinament.

El tractament tèrmic soluciona problemes de mecanitzat.L'alleujament de l'estrès pot redistribuir l'estrès residual, però no pot restaurar una superfície danyada per la crema o el cas alfa.

Preguntes freqüents

P: Per què és Ti-6Al-4V l'aliatge de titani aeroespacial predeterminat?
Com que la seva microestructura alfa-beta combina una alta resistència específica, una bona resistència a la fatiga i una estabilitat a aproximadament 400 graus centígrads, i està disponible en una cadena de subministrament madura de barres, làmines, tubs i forjats segons ASTM B348, AMS 4911 i AMS 4928.

P: Quina velocitat de tall s'ha d'utilitzar per fresar Ti-6Al-4V amb carbur?
El fresat de desbast s'executa normalment a 40 a 60 m/min i acaba de 60 a 90 m/min, amb avanços de 0,05 a 0,15 mm per dent. La rigidesa, la pressió del refrigerant i la geometria de l'eina mouen aquests valors més que la marca de l'eina.

P: Per què és tan important l'-eina-refrigerant d'alta pressió?
El titani condueix malament la calor, de manera que el tall arriba ràpidament a les altes temperatures. El refrigerant subministrat a 70 bar o més arriba a la interfície, refreda la vora i trenca el xip segmentat, la qual cosa augmenta la vida útil de l'eina i la qualitat de la peça.

P: Què és el cas alfa i per què s'ha d'eliminar?
És una capa superficial dura i trencadissa enriquida en oxigen-formada quan el titani s'escalfa a l'aire per sobre d'uns 600 graus centígrads. Si es deixa al seu lloc, inicia esquerdes, de manera que s'elimina mitjançant fresat químic o eliminació mecànica de material.

P: Es poden utilitzar eines de diamant en titani?
No, no en aliatges de titani en producció normal. Es produeix un desgast químic greu a la temperatura de tall, de manera que el carbur revestit de PVD de gra fi-i el carbur afilat sense recobrir segueixen sent les opcions estàndard.

P: Com es verifica la qualitat d'una peça de titani aeroespacial mecanitzada?
Mitjançant inspecció dimensional, proves ultrasòniques del material forjat segons AMS 2631, comprovacions de duresa i microestructura, anàlisi química del lot i proves mecàniques o de fatiga segons ASTM E8/E8M i ASTM E466 on el disseny ho requereixi.