Wie bohrt man Titan? Vom Bohrungsdesign bis zur Parameteroptimierung

Titanlegierungen, ein unverzichtbarer Werkstoff in der Luft- und Raumfahrt, bei medizinischen Implantaten und in der chemischen Industrie, sind wegen ihrer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sehr beliebt. Das Bohren von Titanlegierungen stellt jedoch für viele Ingenieure eine große Herausforderung dar: schneller Bohrerverschleiß, Werkzeugbruch und geringe Bearbeitungseffizienz sind häufige Probleme.

In der Tat ist es nicht unmöglich, diese Probleme zu lösen. Dieser Artikel bietet eine systematische Analyse der kompletten technischen Lösung für das Bohren von Titanlegierungen, von der Werkzeugkonstruktion bis hin zu den praktischen Parametern, und hilft Ihnen, die Herausforderungen bei der Bearbeitung von Titanlegierungen vollständig zu meistern.

Vier Kernherausforderungen beim Bohren von Titanlegierungen

Extrem hohe Schnitttemperaturen sind die größte Herausforderung bei der Bearbeitung von Titanlegierungen. Titanlegierungen haben eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit, nur 1/5 derjenigen von Eisen und 1/14 derjenigen von Aluminium. Das bedeutet, dass die in der Schneidzone erzeugte Wärme nur schwer abgeführt werden kann, was zu lokalen Temperaturen von über 1000 °C führt. Dies verkürzt nicht nur die Standzeit der Werkzeuge, sondern führt auch leicht zu einer thermischen Verformung des Werkstücks.

Erhebliche Rückfederung ist eine weitere große Herausforderung. Titanlegierungen haben einen niedrigen Elastizitätsmodul (etwa halb so groß wie der von Stahl), was zu einer elastischen Rückfederung der Bohrlochwand nach dem Bohren führt, was einen “Federeffekt” zur Folge hat, der zu einer Schrumpfung des Bohrlochs und Maßabweichungen führt.

Titanlegierungen weisen eine hohe chemische Reaktivität auf und reagieren bei hohen Temperaturen mit den Werkzeugwerkstoffen unter Bildung von Ablagerungen und Diffusionslegierungen, die für die Bearbeitung nachteilig sind. Dieses Phänomen des Festklebens ist besonders ausgeprägt, wenn die Härte unter HB300 liegt.

Außerdem neigen Späne aus Titanlegierungen dazu, aneinander zu haften und lassen sich nur schwer entfernen, so dass sich an der Werkzeugspitze leicht Aufbauschneiden bilden. Diese Aufbauschneiden lösen sich in regelmäßigen Abständen ab, tragen Werkzeugmaterial ab und zerkratzen die bearbeitete Oberfläche.

Verfeinertes Design der Bearbeitung von Titanbohrern

Auswahl der Bohrkronenmaterialien

Hartmetall der Sorte YG ist die bevorzugte Wahl für die Bearbeitung von Titanlegierungen, insbesondere die Sorte YG8 (92% Wolframkarbid (WC) und 8% Kobalt (Co)). Vermeiden Sie die Verwendung von Hartmetall der Sorte YT (Titankarbid), da das darin enthaltene Titan mit dem Werkstück interagiert und den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Für Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm oder für Anwendungen, die eine höhere Zähigkeit erfordern, kann Hochkobalt-Schnellstahl (wie M42 oder W2Mo9Cr4VCo8) mit einer Härte von mehr als 63 HRC verwendet werden.

Tantalhaltige Hartmetalle (wie YA6 (94% WC, ca. 6% Co, mit einem geringen Anteil an Niobkarbid (NbC)) schneiden gut ab. Der Zusatz einer kleinen Menge seltener Elemente verbessert die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs, und seine Biegefestigkeit und Härte sind ebenfalls höher als bei YG6X.

Optimierung der geometrischen Parameter

Die geometrischen Parameter eines Bohrers wirken sich direkt auf die Schnittleistung und die Lebensdauer des Werkzeugs aus:

• Spitzenwinkel (2φ): Erhöhung auf 135°-140° (118° bei Standardbohrern). Dies erhöht die Schnittdicke, verbessert die Spanabfuhr, erhöht die Steifigkeit des Bohrers und reduziert die Vibrationen.
• Schrägungswinkel: Ein großer Spiralwinkel von 25°-30° erleichtert die reibungslose Spanabfuhr; die Spiralnut sollte poliert sein.
• Freiwinkel: Vergrößern Sie den äußeren Freiwinkel auf 12°-15°, um die Reibung mit der bearbeiteten Oberfläche zu verringern.
• Meißelkante: Schleifen Sie die Meißelkante auf das 0,08- bis 0,1-fache des Bohrdurchmessers, um die Axialkraft deutlich zu verringern.

Innovatives Design der Meißelkantenstruktur

Die Meißelkante ist ein Schlüsselfaktor, der die axiale Bohrkraft und die Zentriergenauigkeit beeinflusst. Studien haben gezeigt, dass eine S-förmige Meißelkante die axiale Bohrkraft um bis zu 28% und gleichzeitig den Rundheitsfehler der Bohrung um 58,9% reduzieren kann.

Für die Bearbeitung von tiefen Bohrungen mit großen Längen-Durchmesser-Verhältnissen kann eine viergliedrige, kombinierte S-förmige Meißelschneide verwendet werden, um die Laufruhe der Bearbeitung zu verbessern und Werkzeugbruch zu vermeiden. Dieses Design sorgt für die Erzeugung von “C-förmigen” Spänen, reduziert die Schnittkräfte und mildert die Kaltverfestigung.

Das Design mit zwei Winkeln (Hauptwinkel 130°-140°, zweiter Winkel 70°-80°) verbessert effektiv die Zentrierstabilität und reduziert das Festkleben der Messer.

In der nachstehenden Tabelle sind die Optimierungsverfahren für die wichtigsten geometrischen Parameter von Titanbohrern zusammengefasst:

Parameter Name	Standard-Bohrer	Titan-Bohrer	Optimierungseffekt
Punktwinkel (2φ)	118°	135°-140°	Erhöht die Steifigkeit und verbessert die Spanabfuhr
Schrägungswinkel	20°-25°	25°-35°	Verbessert die Leichtigkeit der Spanabfuhr
Freiwinkel der Außenkante	8°-10°	12°-15°	Verringern Sie die Reibung mit der bearbeiteten Oberfläche.
Länge der Meißelkante	0.2d	0.08-0.1d	Reduzieren Sie die Axialkraft um mehr als 28%.
Die Form der Meißelkante	Gerade	S-förmig, X-förmig	Verbessert die Zentriergenauigkeit und reduziert Rundheitsfehler.

Wissenschaftliche Auswahl der Bohrparameter

Empfohlene Schnittparameter

Je nach Werkstoff der Titanbohrer müssen die Schnittparameter entsprechend angepasst werden:

• Hartmetall-Bohrer: Schnittgeschwindigkeit v = 9-15 m/min, Vorschubgeschwindigkeit f = 0,05-0,2 mm/r
• Bohrer aus Hochgeschwindigkeitsstahl: Schnittgeschwindigkeit v = 4-5 m/min, Vorschubgeschwindigkeit f = 0,05-0,3 mm/r
  Beim Tieflochbohren von TC4-Titanlegierungen werden mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,12-0,16 mm/r und einer Schnittgeschwindigkeit von 30-40 m/min die besten Ergebnisse erzielt.

Zusammenhang zwischen Vorschubgeschwindigkeit und Oberflächenqualität

Die Vorschubgeschwindigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Lochwandoberfläche. Um eine Oberflächenrauheit von Ra 1,6 μm zu erreichen, muss die Vorschubgeschwindigkeit auf unter 0,16 mm/r geregelt werden. Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit verschlechtert sich die Oberflächenrauhigkeit erheblich.

Nachstehend finden Sie die empfohlenen Schnittparameter für Bohrer mit verschiedenen Durchmessern.

Durchmesser des Bohrers (mm)	Spindeldrehzahl (U/min)	Vorschubgeschwindigkeit (mm/r)
＜3	1000-600	0.05
＞3-6	650-450	0.06-0.12
＞6-10	450-300	0.07-0.12
＞10-15	300-200	0.08-0.15
＞15-20	200-150	0.11-0.15
＞20-25	150-100	0.11-0.2
＞25-30	100-65	0.13-0.2

Kühlung, Schmierung und Betriebstechnik

Auswahl und Verwendung des Kühlmittels

Chlorhaltige Kühlmittel sind verboten, um Spannungsrisskorrosion zu verhindern. Empfohlen wird eine Mischung aus N32-Maschinenöl und Kerosin im Verhältnis 3:1 oder 3:2 oder ein spezielles geschwefeltes Schneidöl.

Beim Tieflochbohren ist eine Hochdruck-Innenkühlung unerlässlich. Sie liefert Kühlmittel direkt in die Schneidzone und sorgt für Kühlung, Schmierung und Spanabfuhr. Der Kühlmitteldruck wird in der Regel im Bereich von 1,5-3 MPa gewählt; bei besonders tiefen Bohrungen oder schwer zu bearbeitenden Werkstoffen kann er auf 6 MPa erhöht werden.

Beim Bohren tiefer Löcher sollten Hochdruckemulsionen oder Schneidflüssigkeiten als Kühlmittel verwendet werden, um eine gute Kühlung und Schmierung zu gewährleisten.

Wichtigste Punkte der Operation

Ziehen Sie den Bohrer regelmäßig zurück, um Späne zu entfernen: Dies verhindert das Verstopfen der Späne und den Bruch des Bohrers. Ziehen Sie den Bohrer alle 2-3 mm zurück, um Späne zu entfernen.

- Verhindern Sie, dass der Bohrer in der Bohrung steckenbleibt: Andernfalls reibt er an der bearbeiteten Oberfläche, was zu Kaltverfestigung und Abstumpfung des Bohrers führt.

- Verbessern Sie die Steifigkeit des Bearbeitungssystems: Befestigen Sie die Bohrvorrichtung nahe an der zu bearbeitenden Oberfläche, um den Überstand des Bohrers zu verkürzen.

- Bearbeitung tiefer oder kleiner Löcher: Der manuelle Vorschub kann zur besseren Kontrolle des Schneidprozesses verwendet werden.

- Fertigen Sie eine Vorbohrung an: Für die Bearbeitung von tiefen Löchern kann zunächst ein Pilotloch mit einem Durchmesser ähnlich dem des Bohrers und einer Tiefe von etwa 10 mm bearbeitet werden, wobei das Spiel auf das 0,003-0,008-fache des Lochdurchmessers eingestellt wird.

Gegenmaßnahmen bei der Bearbeitung unter besonderen Arbeitsbedingungen

Techniken der Tieflochbearbeitung

Bei der Bearbeitung von tiefen Löchern mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als 5 sollte die Technologie des Innenkühlungsbohrens verwendet werden. Innenkühlungsbohrer sind aus einem einzigen Stück Hartmetall gefertigt, ähnlich der spiralförmigen Struktur eines Standardspiralbohrers. Die Schneidflüssigkeit wird der Schneide durch einen inneren spiralförmigen Hohlraum zugeführt und zusammen mit den Spänen aus dem Loch abgeführt.

Für tiefe Bohrungen mit einem Durchmesser von weniger als 30 mm kann das DF-Bearbeitungssystem gewählt werden; für Bohrungen mit größerem Durchmesser kann das BTA-Bearbeitungssystem verwendet werden.

Wichtige Punkte für die Bearbeitung dünnwandiger Teile

Bei der Bearbeitung von dünnwandigen Teilen aus Titanlegierungen sollten die folgenden Gegenmaßnahmen berücksichtigt werden:

• Erhöhen Sie die Anzahl der Wärmebehandlungen, um Kaltverfestigung zu vermeiden und Spannungsverformung zu reduzieren.
• Wählen Sie einen Prozess, bei dem zuerst das Innenloch bearbeitet wird und dann ein Innenlochdorn zum Positionieren und Drehen des Außendurchmessers verwendet wird.
• Fügen Sie beim Drehen des Außendurchmessers einen Dorn aus gehärtetem Stahl in die Bohrung ein, um die Steifigkeit des Werkstücks zu erhöhen und Verformungen durch Rattern zu vermeiden.

Verarbeitung von laminiertem Material

Bei der Bearbeitung von Kohlefaserverbundwerkstoffen und Titanlegierungslaminaten ist die Optimierung der Meißelkantenstruktur besonders wichtig. Studien haben gezeigt, dass eine optimierte Meißelkantenstruktur die axialen Schnittkräfte und das Drehmoment deutlich reduzieren und damit die Bohrqualität verbessern kann.

Fallstudien aus der Praxis und Überprüfung der Ergebnisse

Fall 1: Bohren von Teilen aus Titanlegierungen für ein Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie

Werkstücke aus einer TC4-Titanlegierung wurden mit einem Molybdän-Schnellstahlbohrer bearbeitet. Der Durchmesser des Bohrers betrug 6,35 mm und die Bohrtiefe 12,7 mm. Ausgewählte Parameter: Schnittgeschwindigkeit 11,6 m/min, Vorschubgeschwindigkeit 0,127 mm/r, Emulsionskühlung.

Ergebnisse: Mit jedem Bohrer konnten 260 Löcher bearbeitet werden (Verschleißnorm 0,38 mm), was die Bearbeitungseffizienz erheblich verbesserte.

Fall 2: Reparatur von dünnwandigen Strukturen aus Titanlegierungen in Flugzeugen

Beim Bohren von rissfreien Löchern für die Außenhaut von Flugzeug-Titanlegierungen wurde ein S-Typ-Meißelbohrer aus Hochgeschwindigkeitsstahl in Verbindung mit einer Mikro-Ölnebel-Sprühschmierung verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass der S-Meißelbohrer im Vergleich zu einem geraden Standard-Meißelbohrer die axiale Bohrkraft um 28% und den Rundheitsfehler des Lochs um 58,9% reduziert.

Fallstudie 3: Bearbeitung von tiefen Sacklöchern in Eisenkernbuchsen

Tiefe Sacklochbohrungen (Länge/Durchmesser-Verhältnis nahe 20) in einer TC4-Titanlegierung wurden mit der Innenkühlungsbohrtechnik bei einer Spindeldrehzahl von 1500 U/min, einem Vorschub von 0,03 mm/U und einem Kühlungsdruck von 6 MPa bearbeitet. Ergebnisse: Die Bearbeitungszeit wurde von 40 Minuten/Stück auf 6 Minuten/Stück reduziert, wodurch die Effizienz um fast das 7-fache gesteigert werden konnte. Die Oberflächenrauheit der Bohrung erreichte Ra0,8, die Geradheit lag zwischen 0,01-0,019 mm, und die Lebensdauer des Bohrers ermöglichte die Bearbeitung von über 80 Stück.

Künftige Entwicklungstrends

Mit dem zunehmenden Reifegrad der Technologie zur Verarbeitung von Titanlegierungen und der kontinuierlichen Verbesserung von Verarbeitungsanlagen und Schneidwerkzeugen ist nun eine stabile Verarbeitung von ultragroßen Strukturkomponenten und komplexen Präzisionsteilen möglich geworden. In Zukunft wird sich die Technologie zur Verarbeitung von Titanlegierungen in die folgenden Richtungen entwickeln:

1. Hohe Leistung: Entwicklung von Legierungen mit höheren Betriebstemperaturen, höherer spezifischer Festigkeit, höherem spezifischem Modul und besserer Korrosions- und Verschleißbeständigkeit.
2. Niedrige Kosten: Entwicklung von Legierungen, die wenig oder gar keine Edelmetalle enthalten, und Hinzufügung kostengünstiger Elemente wie Eisen, Sauerstoff und Stickstoff.
3. Neue Technologien: Einführung neuer Verarbeitungstechnologien, wie z. B. der Kaltumformung, zur Verbesserung der Produktionseffizienz, der Ausbeute und der Leistung von Titanlegierungen.
4. Intelligente Verarbeitung: Einsatz fortschrittlicher Computertechnologie zur Simulation des Verformungsprozesses des Werkstücks und zur Vorhersage der Entwicklung der Mikrostruktur des Metalls.

Schlussfolgerung

Die Bearbeitung von Titanlegierungen ist keine einfache Frage der Werkzeugauswahl, sondern ein systemisches Engineering-Projekt. Vom Werkzeugmaterial und der Geometrie bis hin zu den Schnittparametern und Kühlmethoden muss jeder Aspekt sorgfältig geplant werden. Durch die Verwendung von Hartmetall der Sorte YG, die Optimierung der Bohrergeometrie, die Innovation der Meißelkantenstrukturen und die Anwendung wissenschaftlicher Bearbeitungsparameter ist es durchaus möglich, die Herausforderungen beim Bohren von Titanlegierungen zu meistern und die Produktionseffizienz und Produktqualität zu verbessern.

Dieser Artikel soll praktische Hilfestellung bei der Lösung von Problemen geben, die in der Praxis bei der Bearbeitung von Titanlegierungen auftreten. Die richtige Werkzeugauslegung in Kombination mit wissenschaftlichen Bearbeitungsparametern wird Ihre Effizienz bei der Bearbeitung von Titanlegierungen um über 30% erhöhen und die Werkzeugstandzeit um über 50% verlängern. Wenn Sie spezifische Bearbeitungsszenarien zu diskutieren haben, hinterlassen Sie bitte einen Kommentar im Kommentarbereich, um Ideen auszutauschen oder kontaktieren Sie uns.

Spezifische Parameter sollten je nach den tatsächlichen Bedingungen fein abgestimmt werden.