In der heutigen Fertigungsindustrie sind Titan und seine Legierungen zu Grundnahrungsmitteln in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin, in der Automobilindustrie und bei Schusswaffenanwendungen geworden. Dieses beliebte Metall ist rost- und chemikalienbeständig, wiederverwertbar und im Verhältnis zu seinem Gewicht extrem stabil. Bei der Bearbeitung von Titan und der Auswahl der geeigneten Werkzeuge und Parameter für die jeweilige Aufgabe sind jedoch einige Herausforderungen zu beachten.
Titan-Sorten
Titan ist in vielen Sorten erhältlich, darunter fast 40 ASTM-Sorten sowie mehrere zusätzliche Legierungen. Die Grade 1 bis 4 gelten als kommerzielles Reintitan mit unterschiedlichen Anforderungen an die Zugfestigkeit. Grad 5 (Ti6Al4V oder Ti 6-4) ist die gebräuchlichste Kombination, die mit 6 Prozent Aluminium und 4 Prozent Vanadium legiert ist. Obwohl Titan und seine Legierungen oft in einer Gruppe zusammengefasst werden, gibt es einige wichtige Unterschiede zwischen ihnen, die beachtet werden müssen, bevor der ideale Bearbeitungsansatz festgelegt wird.
Der HVTI-Schaftfräser von Helical Solutions ist eine gute Wahl für hocheffiziente Werkzeugwege in Titan.
Titan Bedenken
Werkzeughalterung
Obwohl Titan wünschenswertere Materialeigenschaften als durchschnittlicher Stahl aufweist, verhält es sich auch flexibler und ist oft nicht so steif wie andere Metalle. Dies erfordert einen sicheren Halt der Werkstücke aus Titan und eine möglichst starre Einrichtung der Maschine. Außerdem müssen unterbrochene Schnitte vermieden werden, und das Werkzeug muss während des gesamten Kontakts mit dem Werkstück in Bewegung bleiben. Wenn man in einer Bohrung verweilt oder das Werkzeug neben einer profilierten Wand anhält, reibt das Werkzeug – es entsteht überschüssige Wärme, das Material wird kaltverfestigt und das Werkzeug verschleißt vorzeitig.
Wärmeentwicklung
Wärme ist ein mächtiger Feind, und die Wärmeentwicklung muss bei der Auswahl von Geschwindigkeiten und Vorschüben berücksichtigt werden. Während die handelsüblichen reinen Titanqualitäten weicher und gummiartiger sind als die meisten seiner Legierungen, erhöht der Zusatz von Legierungselementen in der Regel die Härte von Titan. Dies erhöht die Bedenken hinsichtlich der Wärmeentwicklung und des Werkzeugverschleißes. Die Aufrechterhaltung einer größeren Spanmenge und die Vermeidung unnötiger Reibung helfen bei den härteren Titanlegierungen, die Leistung des Werkzeugs zu verbessern und die Menge der erzeugten Kaltverfestigung zu minimieren. Die Wahl einer niedrigeren Drehzahl, gepaart mit einer größeren Spanmenge, kann im Vergleich zu höheren Drehzahlen zu einer deutlichen Reduzierung der Temperatur führen. Aufgrund der geringen Leitfähigkeit des Materials werden die Temperaturen auf ein Minimum reduziert, was zu einer geringeren Belastung des Werkzeugs und zu weniger Verschleiß führt. Die Verwendung von Hochdruck-Kühlmittel ist ebenfalls eine wirksame Methode zur Verringerung der Wärmeentwicklung bei der Bearbeitung von Titan.
Diese Nockenwellendeckel wurden speziell für Mitsubishi Evos aus Titan gefertigt.
Foto mit freundlicher Genehmigung von @RebootEng (Instagram)
Ablagerungen und Aufbauschneiden
Die nächste Hürde, die es zu beachten gilt, ist, dass Titan stark dazu neigt, an einem Schneidwerkzeug zu haften, wodurch Aufbauschneiden entstehen. Dies ist ein heikles Problem, das durch die Verwendung großer Mengen von Hochdruckkühlmittel, das direkt auf die Schneidfläche gerichtet ist, verringert werden kann. Ziel ist es, die Späne so schnell wie möglich zu entfernen, um eine erneute Zerspanung zu verhindern, und die Spannuten sauber und frei von Ablagerungen zu halten. Bei den handelsüblichen Reintitanqualitäten ist das Abblättern ein großes Problem, da sie „gummiartig“ sind. Diesem Problem kann mit den bereits erwähnten Strategien begegnet werden, z. B. durch kontinuierlichen Vorschub während des gesamten Kontakts mit dem Werkstück und die Verwendung von viel Hochdruck-Kühlmittel.
Titan-Lösungen
Während sich die Hauptprobleme bei der Bearbeitung von Titan und seinen Legierungen ändern können, bleiben die Methoden zu ihrer Abschwächung einigermaßen konstant. Die wichtigsten Ideen sind die Vermeidung von Fressen, Wärmeentwicklung, Kaltverfestigung und Werkstück- oder Werkzeugverformung. Verwenden Sie viel Kühlmittel mit hohem Druck, halten Sie die Geschwindigkeiten niedrig und die Vorschübe hoch, halten Sie das Werkzeug in Bewegung, wenn es mit dem Werkstück in Berührung kommt, und verwenden Sie eine möglichst starre Einrichtung.
Darüber hinaus kann die Auswahl einer geeigneten Werkzeugbeschichtung zum Erfolg Ihrer Arbeit beitragen. Angesichts der großen Hitze, die bei der Titanbearbeitung entsteht, ist eine Beschichtung, die mit den Temperaturen angemessen umgehen kann, der Schlüssel zur Aufrechterhaltung der Leistung während eines Arbeitsgangs. Die richtige Beschichtung hilft auch, Abrieb zu vermeiden und Späne effektiv abzuführen. Beschichtungen wie Aluminum-Titan-Nitrid (AlTiN Nano) von Harvey Tool erzeugen bei hohen Temperaturen eine Oxidschicht und erhöhen die Schmierfähigkeit des Werkzeugs.
Da Titan und seine zahlreichen Legierungen in verschiedenen Branchen immer häufiger eingesetzt werden, werden immer mehr Zerspaner mit der Bearbeitung dieses schwierigen Materials betraut werden. Doch Wärmemanagement und eine angemessene Spanabfuhr, gepaart mit der richtigen Beschichtung, ermöglichen einen erfolgreichen Lauf.
