13 września Apple wypuściło serię telefonów komórkowych iPhone 15. Warto wspomnieć, że po raz pierwszy w smartfonach pojawiły się ramki ze stopu tytanu.
Stop tytanu jest materiałem lekkim, odpornym na korozję i o dużej wytrzymałości. Stosowany w smartfonach może poprawić ogólną wytrzymałość, odporność na upadki i zarysowania telefonu. Stop tytanu jest jednak materiałem trudnym w obróbce, a wprowadzenie ram ze stopu tytanu stanowi również wyzwanie w technologii CNC.
Dlaczego uważamy, że stop tytanu jest materiałem trudnym w obróbce? Poznajmy powiązane z nim cechy obróbki skrawania.
01
„Ciepło” jest „winowajcą” utrudniającym obróbkę stopów tytanu
Siła skrawania podczas obróbki stopów tytanu jest tylko nieznacznie większa niż stali o tej samej twardości, ale zjawiska fizyczne obróbki stopów tytanu są znacznie bardziej złożone niż obróbki stali, przez co obróbka stopów tytanu napotyka ogromne trudności.
Przewodność cieplna większości stopów tytanu jest bardzo niska, tylko 1/7 stali i 1/16 aluminium. Dlatego też ciepło powstające podczas skrawania stopu tytanu nie będzie szybko przekazywane na obrabiany przedmiot ani odbierane przez wióry, ale będzie skupiane w obszarze skrawania. Wygenerowana temperatura może sięgać nawet ponad 1000 stopni, powodując szybkie zużycie, pękanie i formowanie się krawędzi tnącej narzędzia. Narost na krawędzi, szybko zużywająca się krawędź skrawająca, generuje więcej ciepła w obszarze skrawania, jeszcze bardziej skracając żywotność narzędzia.
Wysokie temperatury powstające podczas procesu cięcia niszczą również integralność powierzchni części ze stopu tytanu, prowadząc do zmniejszenia dokładności geometrycznej części i zjawiska utwardzania, które poważnie zmniejsza ich wytrzymałość zmęczeniową.
Elastyczność stopów tytanu może mieć korzystny wpływ na wydajność części, ale podczas procesu cięcia odkształcenie sprężyste przedmiotu obrabianego jest ważną przyczyną wibracji. Nacisk skrawania powoduje, że „elastyczny” przedmiot obrabiany odsuwa się od narzędzia i odbija, powodując, że tarcie pomiędzy narzędziem a przedmiotem obrabianym przewyższa siłę skrawania. W procesie tarcia wytwarza się również ciepło, co pogłębia problem słabej przewodności cieplnej stopów tytanu.
Problem ten jest jeszcze poważniejszy w przypadku obróbki części cienkościennych lub pierścieniowych, które łatwo ulegają odkształceniom. Obróbka cienkościennych części ze stopów tytanu z oczekiwaną dokładnością wymiarową nie jest łatwa. Ponieważ gdy materiał przedmiotu obrabianego jest odpychany przez narzędzie, lokalne odkształcenie cienkiej ścianki przekroczyło zakres sprężystości i powoduje odkształcenie plastyczne, wytrzymałość materiału i twardość punktu skrawania znacznie wzrastają. W tym momencie pierwotnie ustalona prędkość skrawania staje się zbyt wysoka, co dodatkowo powoduje szybkie zużycie narzędzia.
02
Znajomość procesu obróbki stopów tytanu
Na podstawie zrozumienia mechanizmu przetwarzania stopów tytanu i dodania wcześniejszych doświadczeń, główna wiedza dotycząca procesów przetwarzania stopów tytanu jest następująca:
(1) Aby zmniejszyć siłę skrawania, ciepło skrawania i deformację przedmiotu obrabianego, należy stosować płytki o dodatniej geometrii kąta.
(2) Utrzymuj stały posuw, aby uniknąć stwardnienia przedmiotu obrabianego. Podczas procesu skrawania narzędzie powinno zawsze znajdować się w stanie posuwu. Promieniowa wielkość skrawania ae powinna wynosić 30% promienia podczas frezowania.
(3) Stosować płyn obróbkowy pod wysokim ciśnieniem i o dużym przepływie, aby zapewnić stabilność termiczną procesu obróbki i zapobiec degeneracji powierzchni przedmiotu obrabianego oraz uszkodzeniu narzędzia spowodowanemu nadmierną temperaturą.
(4) Utrzymuj ostrze ostre. Tępe narzędzia są przyczyną gromadzenia się ciepła i zużycia, co może łatwo doprowadzić do awarii narzędzia.
(5) Obróbka stopów tytanu w możliwie najmiększym stanie, ponieważ po hartowaniu materiał staje się trudniejszy w obróbce, a obróbka cieplna zwiększa wytrzymałość materiału i zwiększa zużycie ostrza.
(6) Użyj dużego promienia łuku lub fazowania końcówki narzędzia, aby wsunąć jak największą część krawędzi narzędzia w skrawanie. Zmniejsza to siłę skrawania i ciepło w każdym miejscu oraz zapobiega miejscowym pęknięciom. Podczas frezowania stopu tytanu, spośród parametrów skrawania, największy wpływ na trwałość narzędzia vc ma prędkość skrawania, a w dalszej kolejności promieniowe zagłębienie narzędzia (głębokość frezowania) ae.
03
Zacznij od ostrzy, aby rozwiązać problemy związane z obróbką tytanu
Zużycie rowka ostrza występujące podczas obróbki stopów tytanu to miejscowe zużycie tylnej i przedniej części ostrza wzdłuż kierunku głębokości skrawania. Często jest to spowodowane stwardniałą warstwą pozostawioną po poprzedniej obróbce. Reakcja chemiczna i dyfuzja pomiędzy narzędziem a materiałem przedmiotu obrabianego w temperaturach obróbki przekraczających 800 stopni są również jedną z przyczyn zużycia rowków.
Ponieważ podczas procesu obróbki cząsteczki tytanu przedmiotu obrabianego gromadzą się przed ostrzem i są „zgrzewane” z ostrzem pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą, tworząc narost na krawędzi. Kiedy narost na krawędzi odrywa się od krawędzi skrawającej, zabiera ze sobą węglikową powłokę płytki, zatem obróbka tytanu wymaga specjalnych materiałów i geometrii płytek.
04
Konstrukcja narzędzia odpowiednia do obróbki tytanu
Głównym celem obróbki stopu tytanu jest ciepło. Aby szybko usunąć ciepło, należy szybko i dokładnie spryskać krawędź skrawającą dużą ilością chłodziwa pod wysokim ciśnieniem. Na rynku dostępne są unikalne konstrukcje frezów przeznaczone specjalnie do obróbki stopów tytanu.
