Titanlegeringar och aluminiumlegeringar är lika på följande sätt: Båda typerna av metaller används för att tillverka flygplansstrukturkomponenter, och i båda fallen kan komponenten kräva att 90 procent av materialet fräses bort innan delen är färdig.
Många verkstäder önskar förmodligen att metallerna hade mer gemensamt än så. Leverantörer inom flygplansindustrin som är bekväma med att bearbeta aluminium finner sig själva i färd med att bearbeta mycket mer titan, eftersom nyare flygplanskonstruktioner gör ökad användning av den sistnämnda metallen.
John Palmer, global segmentansvarig för flygplanssegmentet hos skärverktygstillverkaren Stellram, säger att många av dessa verkstäder faktiskt har mer kapacitet för titanbearbetning än vad de inser. Många värdefulla tekniker för effektiv bearbetning av titan är inte svåra att använda, men få verkstäder använder alla tekniker som finns tillgängliga för att fräsa denna metall på ett produktivt sätt. Han rådgör med tillverkare om metoder för att förbättra fräsningen av olika flygplanslegeringar, inklusive titanlegeringar. Han säger att titan inte behöver vara svårt – det är bara det att man måste ta hänsyn till hela bearbetningsprocessen, eftersom varje enskild del kan hindra den övergripande processens effektivitet.
Stabilitet är nyckeln, säger han. När verktyget rör vid arbetsstycket sluter det en cirkel. Verktyget, verktygshållaren, spindeln, kolonnen, vägarna, bordet, fixturen och arbetsstycket är alla en del av den cirkeln och en del av den nödvändiga stabiliteten. Andra viktiga överväganden är kylmedelstryck och -volym samt metoden för kylmedelstillförsel, plus metodik och tillämpning – vilket är fokus för den här artikeln. För att utnyttja mer av potentialen i de processer som har potential att bearbeta titan på ett produktivt sätt delar Palmer ofta med sig av råd som omfattar alla följande tips:
- Håller det radiella engagemanget lågt
- Öka antalet spolarier
- Gör ett tjockt till tunt spån
- Arc In
- Slut på en fas
- Förlita sig på sekundär avlastning
- Axialdjupet anpassas
- Begränsar axialt djup runt smala element
- Välj ett verktyg som är mycket mindre än fickan
- Tag en ledstjärna från verktygsstål
- RELATERAT INNEHÅLL
- När torrfräsning är vettigt
- Tips för gängning av titanlegeringar
- Icke-traditionella metoder för att göra små hål
Håller det radiella engagemanget lågt
En av de avgörande utmaningarna med titan är värmeavledning. I den här metallen är det relativt lite av den värme som alstras under bearbetningen som slungas ut med spånet. Jämfört med bearbetning av andra metaller går en större andel av värmen i en titanbearbetningsprocess istället in i verktyget. På grund av denna effekt dikterar valet av radiellt engagemang valet av ythastighet i denna metall.
Den graf som visas i figur 1 visar detta. Fullständig slitsning – dvs. 180 graders ingrepp – kräver en relativt låg ythastighet. Men genom att minska det radiella ingreppet minskar den tid som skäregget genererar värme och ger mer tid för skäregget att svalna innan det går in i materialet vid nästa rotation. När det radiella ingreppet minskas kan alltså ythastigheten ökas samtidigt som temperaturen vid skärspetsen bibehålls. För efterbehandling kan en fräsprocess som består av en mycket liten kontaktbåge med en skarp, slipad skärkant och en hög ythastighet och minimal matning per tand ge exceptionella resultat.
Öka antalet spolarier
Sedvanligt använda fräsar har fyra eller sex spolarier. I titan kan detta vara för få. Det mer effektiva antalet skåror kan vara tio eller fler (se figur 2).
En ökning av antalet skåror kompenserar för behovet av en låg matning per tand. Det snäva spåravståndet i ett verktyg med tio spalter är för snävt för spånavstånd i många tillämpningar. Produktiv fräsning av titan gynnar dock redan ett lågt radiellt djup (se tips nr 1). Det lilla spånet som blir resultatet av detta ger frihet att använda en fräs med högt spaltantal för att öka produktiviteten.
Gör ett tjockt till tunt spån
”Klättringsfräsning” är den välkända termen för denna idé. Det innebär att du inte matar fräsen så att kanten rör sig genom materialet i samma riktning som verktyget matar. Denna metod för bearbetning, som kallas ”konventionell fräsning”, gör att spånet börjar tunt och blir tjockare. När verktyget träffar materialet skapar friktionskrafterna värme innan materialet börjar skjuvas bort från grundmetallen. Ett tunt spån kan inte absorbera och avge den genererade värmen, som i stället går in i skärverktyget. Vid utgångspunkten, där spånet är tjockt, gör det ökade skärtrycket att det finns risk för att spånet fastnar.
Stigfräsning – eller bildning av ett tjockt till tunt spån – börjar med att skäreggen går in i överskottsmaterialet och ut på den färdiga ytan (se figur 3). Vid sidofräsning försöker verktyget ”klättra över” materialet och skapar ett tjockt spån vid ingången för maximal värmeabsorption och ett tunt spån vid utgången för att förhindra spånans vidhäftning.
Konturfräsning av ytor kräver en noggrann granskning av verktygsbanan för att se till att verktyget fortsätter att gå in på överskottsmaterialet och ut på den färdiga ytan på detta sätt. Att uppnå detta under intrikata pass är inte alltid så enkelt som att bara hålla materialet till höger.
Arc In
I titan och andra metaller förloras verktygslivslängden i ögonblick av skakande förändring av kraften. De värsta av dessa moment inträffar ofta när verktyget går in i materialet. Direkt inmatning i materialet (vilket nästan alla standardverktygsbanor skulle göra) ger en effekt som liknar ett slag mot skärkanten med en hammare.
Glid in mjukt istället. För att göra det här skapar du en verktygsbana som bågformar verktyget in i materialet i stället för att gå in i det i en rak linje (se Figur 4). Vid fräsning från tjockt till tunt bör bogen för verktygsbanans inträde följa samma riktning (med eller moturs) som verktygets rotation. Den bågformade inmatningsbanan möjliggör en gradvis ökning av skärkraften, vilket förhindrar snäppning eller instabilitet i verktyget. Värmeutvecklingen och spånbildningen ökar också gradvis tills verktyget är helt engagerat i snittet.
Slut på en fas
Skärande förändringar av kraften kan också inträffa vid verktygsutgången. Hur användbart det än är att skära från tjockt till tunt (tips nr 3) är problemet med den här metoden att bildningen från tjockt till tunt plötsligt upphör när verktyget når slutet av passet och börjar rensa metallen. Den plötsliga förändringen ger upphov till en lika plötslig förändring av kraften, vilket chockar verktyget och kanske gör att delens yta blir märkt. För att förhindra att övergången blir så plötslig bör man vidta försiktighetsåtgärder genom att först fräsa en 45 graders avfasning i slutet av passet så att verktyget ser en gradvis minskning av sitt radiella skärdjup (se figur 5).
Förlita sig på sekundär avlastning
En vass skäregg minimerar skärkrafterna i titan, men skäregget måste också vara tillräckligt starkt för att motstå skärtryck. En verktygskonstruktion med sekundär avlastning, där det första positiva området på skärkanten motstår krafter, varefter det andra området faller bort för att öka spelrummet, uppnår båda dessa mål (se figur 6). Sekundär avlastning är vanligt i verktyg, men särskilt i titan kan experiment med verktyg med olika utformningar av sekundär avlastning avslöja överraskande förändringar i skärprestanda eller verktygslivslängd.
Axialdjupet anpassas
På skärdjupet kan oxidation och kemiska reaktioner påverka verktyget. Tidiga skador kan uppstå på denna enda plats om verktyget används upprepade gånger på samma djup. Vid successiva axiella snitt kan detta skadade område av verktyget orsaka arbetshärdning samt linjer på detaljen som är oacceptabla för flygplanskomponenter, vilket innebär att denna effekt på ytan kan nödvändiggöra ett tidigt verktygsbyte. För att förhindra detta skyddar du verktyget genom att ändra det axiella skärdjupet för varje pass, vilket distribuerar problemområdet till olika punkter längs spåret (se figur 7). Vid svarvning kan man uppnå ett liknande resultat genom att koniskvarta det första passet och parallellsvarta det efterföljande passet, vilket förhindrar skärdjupsinskärning.
Begränsar axialt djup runt smala element
Förhållandet 8:1 är bra att komma ihåg när du fräser tunna väggar och ostödda element i titan. För att undvika avböjning av fickväggar ska du fräsa dessa väggar i successiva axiella steg i stället för att fräsa till hela väggdjupet med ett enda pass med en fräs. Specifikt bör det axiella skärdjupet vid varje steg nedåt inte vara större än 8 gånger tjockleken på den vägg som kommer att lämnas kvar efter att dessa fräsningar har utförts (se figur 8). Om väggen är 0,1 tum tjock, till exempel, bör det axiella snittdjupet för ett fräspass i anslutning till väggen inte vara mer än 0,8 tum.
Trots djupgränsen är det möjligt att arbeta med denna regel så att produktiv fräsning fortfarande är möjlig. För att göra detta, bearbeta tunna väggar så att ett kuvert av grovmaterial kvarstår runt väggen, vilket gör funktionen 3 eller 4 gånger tjockare än den slutliga funktionen. Om väggen hålls till exempel 0,3 tum tjock, tillåter 8:1-regeln ett axiellt djup på 2,4 tum. Efter dessa överfarter tar man mindre axiella djup för att bearbeta de tjocka väggarna ner till slutdimensionen.
Välj ett verktyg som är mycket mindre än fickan
På grund av hur mycket verktyget absorberar värme i titan behöver verktyget ett utrymme för att möjliggöra kylning. Vid fräsning av en liten ficka bör verktygets diameter inte vara mer än 70 procent av fickans diameter (eller jämförbar dimension) (se figur 9). Mindre spelrum än så riskerar att i princip isolera verktyget från kylmedel och att fånga upp de spån som annars skulle kunna föra bort åtminstone en del av värmen.
Den 70-procentiga regeln kan också tillämpas på ett verktyg som fräser över toppen av en yta. I det här fallet bör bredden på funktionen vara 70 procent av verktygsdiametern. Verktyget är förskjutet med 10 procent för att uppmuntra skapandet av ett tjockt till tunt spån.
Tag en ledstjärna från verktygsstål
Hög-matningsfräsar – ett verktygskoncept som utvecklades för bearbetning av verktygsstål i formindustrin – har under de senaste åren anpassats till bearbetning av titan. En fräs med hög matning kräver ett litet axiellt skärdjup, men när den körs på detta lilla djup tillåter verktyget högre matningshastigheter än fräsar med mer konventionella konstruktioner.
Anledningen är spånförtunning. Nyckeln till en fräs med hög matning är ett skär med en kurva med stor radie i skärkanten (se figur 10). Denna radie sprider spånbildningen över ett stort kontaktområde på eggen. På grund av den resulterande gallringen kan ett axiellt skärdjup på 0,040 tum ge en spåntjocklek på endast cirka 0,008 tum. I titan övervinner detta tunna spån den låga matning per tand som vanligtvis krävs i denna metall. Spåntunnan öppnar vägen för en högre programmerad matningshastighet än vad som annars skulle vara möjligt.
RELATERAT INNEHÅLL
-
När torrfräsning är vettigt
Vätskekylmedel har fördelar som inte har med temperaturen att göra. Tvångsluft är den lämpligaste vätskan i den här verkstaden… men trots det kan konventionell kylvätska inte elimineras helt och hållet.
-
Tips för gängning av titanlegeringar
För att skapa gängade hål i titanlegeringar krävs lämpliga tekniker som bygger på en förståelse för både egenskaperna hos dessa material och de speciella egenskaperna hos gängningsprocessen.
-
Icke-traditionella metoder för att göra små hål
Överväg dessa alternativ när konventionell borrning inte klarar jobbet.