CNC-bearbejdning af aerospace titaniumlegeringskomponenter: parametre og praksis

Titaniumlegeringskomponenter i rumfart er ikke blot lettere aluminiumsdele. Det er de dele, hvor stivhed-til-vægt, træthedsudholdenhed og temperaturkapacitet alle skal holde på én gang: motorophæng, flyskrogbeslag, landingsstel, hydrauliske manifolder, kompressorhardware og fastgørelsesmateriale. Den bearbejdningsoperation, der forvandler en smedning eller en stang til disse dele, er der, hvor størstedelen af ​​omkostningerne og det meste af skrotet genereres.

Titanium legeringer i rumfart: The Machining Budget

Den dominerende legering forbliver Ti-6Al-4V (Klasse 5, UNS R56400), leveret som stang til ASTM B348, som plade til AMS 4911 og som smedegods til AMS 4928. Dens alfa-beta-struktur giver en anvendelig kombination af styrke og op til 0-temperaturer. grader celsius. Ti-6Al-4V ELI (Grade 23) med reduceret jern og ilt er valgt, hvor brudsejhed og skadetolerance styrer, og nær-beta-kvaliteter anvendes til meget højstyrke befæstelser og fjedre.

Bearbejdningsadfærd: hvorfor titan ikke er et andet aluminium

Tre egenskaber gør titanium svært at skære. Dens varmeledningsevne er omtrent en syvende af stål, så varme, der genereres ved skærkanten, kan ikke undslippe ind i spånen og i stedet koncentreres i værktøjet. Dens modul er omkring halvdelen af ​​stål, så tynde vægge og slanke værktøjer afbøjes, hvilket producerer skravling og dimensionsdrift. Dets kemiske reaktivitet er høj ved skæretemperatur, så metallet har en tendens til at svejse til værktøjskanten og danne et opbygget-lag, der brækker af og tager værktøjsmateriale med sig.

Det praktiske resultat er, at skærehastighederne skal forblive lave, fremføringerne skal forblive høje nok til at holde kanten under arbejdet frem for at gnide den, og kølevæske skal nå skærezonen i stedet for at sprøjte rundt om det. Gnidning er hovedårsagen til for tidlig svigt: et værktøj, der tilføres for langsomt, virker-hærder overfladen og svigter derefter ved at have skår eller hak.

Baseline skæreparametre for Ti-6Al-4V

Disse tal er udgangspunkter, ikke grænser. Stive opstillinger med højt-tryk gennem-værktøjets kølevæske kan løbe i den øvre ende; lange udhæng, tynde gulve og dybe lommer skubber mod den nederste ende. Hvad der ikke må ofres er spånbelastning. Reduktion af foder for at kontrollere vibrationer er præcis den forkerte reaktion i titanium.

Værktøj, køling og arbejdsholdspraksis

Værktøjsunderlag.Fint-wolframcarbid med et koboltindhold på omkring 6 til 10 procent giver den nødvendige balance mellem varm hårdhed og kantsejhed. Polykrystallinsk diamantværktøj anbefales ikke til titanium på grund af kemisk interaktion med emnet ved skæretemperatur.

Belægning.PVD AlTiN- eller AlCrN-belægninger reducerer friktion og opbygning af kant-. Skarpe, slebne-i-måde kanter skærer køligere end tykke belagte kanter.

Kølevæske.Gennem-værktøjslevering ved 70 bar eller mere er det mest effektive produktivitetsmål, fordi det tvinger væske ind i kontaktzonen og knækker spåner. Alene oversvømmelseskølevæske er markant ringere.

Arbejdshold.Understøt tynde gulve og ribber med korrekt tilpasset offermateriale, undgå punktklemning, og brug lav-efterbehandlingsgange. Værktøjsafbøjning, ikke maskinfejl, er den sædvanlige kilde til ud-af-tolerancevægge.

Chip kontrol.Titanium chips er segmenterede og slibende. Klip dem aldrig om; brug luftblæsning,-højtrykskølevæske og afbrudte hakkecyklusser på dybe huller.

Overfladeintegritet, varmebehandling og inspektion

Den færdige overflade er et designelement, ikke et-biprodukt. Bearbejdning i titanium efterlader resterende trykspænding, når skæreparametrene er korrekte, og trækspænding, når de ikke er det, og en trækbeklædning forkorter træthedslevetiden på en cyklisk belastet flyskrogbeslag med stor margin. To specifikke spørgsmål skal kontrolleres.

Alfa etui.Udsættelse for luft over ca. 600 grader Celsius, uanset om det er ved varmformning, svejsning eller varmebehandling, producerer et hårdt, iltrigt-overfladelag, der er skørt og revner under belastning. Det fjernes ved kemisk formaling i et flussyre-salpetersyrebad eller ved mekanisk fjernelse af masse.

Forurening og forbrænding.Blå eller strå misfarvning efter bearbejdning eller slibning indikerer lokal overophedning. Det berørte lag skal fjernes, før delen accepteres.

Verifikation kombinerer typisk dimensionsinspektion med tegningstolerancer, ultralydsinspektion af det bearbejdede produkt til AMS 2631 for interne diskontinuiteter, hårdheds- og mikrostrukturtjek og, for brudkritiske-dele, udmattelsestest til ASTM E466 med træktest til ASTM E8/E8M. Luftfartsprocesgodkendelse såsom NADCAP-akkreditering og fuld sporbarhed af materialepartiet er normale kontraktmæssige krav.

Almindelige misforståelser

Titanium kan bearbejdes hurtigere med et bedre værktøj.Værktøjsudvikling har udvidet vinduet, men titanium vil aldrig skære ved aluminiumshastigheder; køling og stivhed sætter loftet.

Lave tilspændingshastigheder beskytter værktøjet.Det modsatte er sandt. Lavt foder gnider, arbejde-hærder og ødelægger kanten.

Enhver kølevæske duer.Oversvømmelseskølevæske uden tryk når ikke kanten. Gennem-værktøj er højt tryk en anden proces, ikke en forfining.

Varmebehandling løser bearbejdningsproblemer.Afspændingsaflastning kan omfordele resterende spænding, men den kan ikke genoprette en overflade, der er beskadiget af brænding eller alfa-hus.

FAQ

Spørgsmål: Hvorfor er Ti-6Al-4V standard-titanium-legeringen til rumfart?
Fordi dens alfa-beta-mikrostruktur kombinerer høj specifik styrke, god træthedsmodstand og stabilitet til ca. 400 grader Celsius, og den er tilgængelig i en moden forsyningskæde af stang, plader, rør og smedegods til ASTM B348, AMS 4911 og AMS 4928.

Q: Hvilken skærehastighed skal bruges til fræsning af Ti-6Al-4V med hårdmetal?
Grovfræsning kører normalt med 40 til 60 m/min og efterbehandling med 60 til 90 m/min med tilspændinger på 0,05 til 0,15 mm pr. tand. Stivhed, kølevæsketryk og værktøjsgeometri flytter disse værdier mere end værktøjsmærket gør.

Spørgsmål: Hvorfor er gennem-værktøjshøjtrykskølevæske så vigtigt-?
Titanium leder varme dårligt, så skærkanten når hurtigt høj temperatur. Kølevæske leveret ved 70 bar eller mere når grænsefladen, køler kanten og bryder den segmenterede spån, hvilket øger værktøjets levetid og delens kvalitet sammen.

Spørgsmål: Hvad er alpha case og hvorfor skal det fjernes?
Det er et iltberiget,-hårdt og skørt overfladelag, der dannes, når titanium opvarmes i luften over omkring 600 grader Celsius. Efterladt på plads initierer det revner, så det fjernes ved kemisk fræsning eller mekanisk spåntagning.

Q: Kan diamantværktøj bruges på titanium?
Nej, ikke på titanlegeringer i normal produktion. Alvorligt kemisk slid forekommer ved skæretemperatur, så finkornet PVD-belagt hårdmetal og skarpt ubelagt hårdmetal forbliver standardvalgene.

Spørgsmål: Hvordan verificeres kvaliteten af ​​en bearbejdet rumfarts titaniumdel?
Ved dimensionsinspektion, ultralydsprøvning af det bearbejdede materiale til AMS 2631, hårdheds- og mikrostrukturkontrol, kemisk analyse af partiet og mekanisk eller udmattelsestestning til ASTM E8/E8M og ASTM E466, hvor designet kræver det.