Come forare il titanio? Dalla progettazione della foratura alla regolazione dei parametri

Le leghe di titanio, un materiale indispensabile nel settore aerospaziale, negli impianti medici e nelle apparecchiature chimiche, sono molto apprezzate per la loro elevata forza e resistenza alla corrosione. Tuttavia, come forare le leghe di titanio？ Esse rappresentano una sfida significativa per molti ingegneri durante la foratura: la rapida usura della punta, la rottura dell'utensile e la bassa efficienza di lavorazione sono problemi comuni.

In realtà, la soluzione di questi problemi non è fuori discussione. Questo articolo fornirà un'analisi sistematica della soluzione tecnica completa per la foratura delle leghe di titanio, dalla progettazione degli utensili ai parametri pratici, aiutandovi a superare completamente le sfide della lavorazione delle leghe di titanio.

Quattro sfide fondamentali nella foratura di leghe di titanio

Le temperature di taglio estremamente elevate sono la sfida principale nella lavorazione delle leghe di titanio. Le leghe di titanio hanno una conducibilità termica estremamente bassa, solo 1/5 di quella del ferro e 1/14 di quella dell'alluminio. Ciò significa che il calore generato nella zona di taglio è difficile da dissipare, con conseguenti temperature localizzate che superano i 1000°C. Ciò non solo riduce la durata dell'utensile, ma provoca anche facilmente la deformazione termica del pezzo.

Un'altra sfida importante è rappresentata dal ritorno elastico. Le leghe di titanio hanno un basso modulo elastico (circa la metà di quello dell'acciaio), che provoca un recupero elastico della parete del foro dopo la perforazione, con conseguente “effetto molla” che porta al restringimento del foro e a deviazioni dimensionali.

Le leghe di titanio hanno un'elevata reattività chimica e reagiscono con i materiali degli utensili ad alte temperature formando depositi e leghe di diffusione, che sono dannosi per la lavorazione. Il fenomeno dell'incollaggio è particolarmente pronunciato quando la durezza è inferiore a HB300.

Inoltre, i trucioli di lega di titanio tendono ad aderire e sono difficili da rimuovere, formando facilmente bordi accumulati sulla punta dell'utensile. Questi bordi si staccano periodicamente, portando via il materiale dell'utensile e graffiando la superficie lavorata.

Design raffinato della lavorazione delle punte in titanio

Selezione dei materiali delle punte

Il carburo cementato di tipo YG è la scelta preferita per la lavorazione delle leghe di titanio, in particolare la qualità YG8 (carburo di tungsteno 92% (WC) e cobalto 8% (Co)). Evitare l'uso di carburo cementato di tipo YT (carburo di titanio), poiché il titanio in esso contenuto interagisce con il pezzo, accelerando l'usura dell'utensile.

Per fori di diametro inferiore a 5 mm o per applicazioni che richiedono una maggiore tenacità, è possibile utilizzare acciaio rapido ad alto tenore di cobalto (come M42 o W2Mo9Cr4VCo8), con una durezza superiore a 63 HRC.

I carburi cementati contenenti tantalio (come YA6 (94% WC, circa 6% Co, con una piccola quantità di carburo di niobio (NbC)) hanno buone prestazioni. L'aggiunta di una piccola quantità di elementi rari migliora la resistenza all'usura dell'utensile e la resistenza alla flessione e la durezza sono superiori a quelle dell'YG6X.

Ottimizzazione dei parametri geometrici

I parametri geometrici di una punta influenzano direttamente le prestazioni di taglio e la durata dell'utensile:

• Angolo della punta (2φ): Aumentare a 135°-140° (118° per le punte standard). Questo aumenta lo spessore di taglio, migliora la rimozione dei trucioli e aumenta la rigidità della punta riducendo le vibrazioni.
• Angolo dell'elica: Un ampio angolo di elica di 25°-30° facilita la rimozione dei trucioli; la scanalatura dell'elica deve essere lucidata.
• Angolo di spoglia: Aumentare l'angolo di gioco esterno a 12°-15° per ridurre l'attrito con la superficie lavorata.
• Bordo dello scalpello: Rettificare il bordo dello scalpello a 0,08-0,1 volte il diametro della punta per ridurre significativamente la forza assiale.

Design innovativo della struttura del bordo dello scalpello

Il bordo dello scalpello è un fattore chiave che influisce sulla forza assiale di foratura e sulla precisione di centratura. Gli studi hanno dimostrato che un design del bordo dello scalpello a forma di S può ridurre la forza assiale di foratura fino a 28% e contemporaneamente ridurre l'errore di rotondità del foro di 58,9%.

Per la lavorazione di fori profondi con ampi rapporti lunghezza/diametro, è possibile utilizzare un design del tagliente a scalpello a quattro legamenti combinati a forma di S per migliorare la scorrevolezza della lavorazione e prevenire la rottura dell'utensile. Questo design garantisce la generazione di trucioli a forma di “C”, riduce le forze di taglio e attenua l'indurimento da lavoro.

Il design a doppio angolo (angolo principale 130°-140°, secondo angolo 70°-80°) migliora efficacemente la stabilità di centratura e riduce l'incollamento dei coltelli.

La tabella seguente riassume gli schemi di ottimizzazione dei parametri geometrici chiave delle punte in titanio:

Nome del parametro	Punta standard	Punta da trapano in titanio	Effetto di ottimizzazione
Angolo del punto (2φ)	118°	135°-140°	Aumenta la rigidità e migliora la rimozione dei trucioli
Angolo dell'elica	20°-25°	25°-35°	Migliora la scorrevolezza della rimozione dei trucioli
Angolo di sporgenza del bordo esterno	8°-10°	12°-15°	Ridurre l'attrito con la superficie lavorata.
Lunghezza del bordo dello scalpello	0.2d	0.08-0.1d	Riduzione della forza assiale superiore a 28%.
La forma del bordo dello scalpello	Dritto	A forma di S, a forma di X	Migliorano la precisione di centratura e riducono l'errore di rotondità.

Selezione scientifica dei parametri di perforazione

Parametri di taglio consigliati

A seconda del materiale delle punte in titanio, i parametri di taglio devono essere regolati di conseguenza:

• Punte in metallo duro: Velocità di taglio v = 9-15 m/min, avanzamento f = 0,05-0,2 mm/r
• Punte in acciaio ad alta velocità: Velocità di taglio v = 4-5 m/min, avanzamento f = 0,05-0,3 mm/r
  Per la foratura profonda della lega di titanio TC4, un avanzamento di 0,12-0,16 mm/r e una velocità di taglio di 30-40 m/min danno i risultati migliori.

Relazione tra velocità di avanzamento e qualità della superficie

La velocità di avanzamento ha un impatto significativo sulla qualità della superficie della parete del foro. Per ottenere una rugosità superficiale di Ra 1,6 μm, la velocità di avanzamento deve essere controllata al di sotto di 0,16 mm/r. Con l'aumento dell'avanzamento, la rugosità superficiale si deteriora notevolmente.

Di seguito sono riportati i parametri di taglio raccomandati per punte di diverso diametro..

Diametro della punta (mm)	Velocità del mandrino (r/min)	Velocità di avanzamento (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

Tecniche di raffreddamento, lubrificazione e funzionamento

Selezione e utilizzo del refrigerante

I refrigeranti contenenti cloro sono vietati per evitare la cricca da tensocorrosione. Si consiglia una miscela di olio per macchine N32 e cherosene in rapporto 3:1 o 3:2, oppure un olio da taglio solforato dedicato.

Per la foratura profonda, il raffreddamento interno ad alta pressione è essenziale. Il refrigerante viene erogato direttamente alla zona di taglio, garantendo il raffreddamento, la lubrificazione e la rimozione dei trucioli. La pressione di raffreddamento è generalmente selezionata nell'intervallo 1,5-3 MPa; per fori particolarmente profondi o materiali difficili da lavorare, può essere aumentata a 6 MPa.

Quando si eseguono fori profondi, è necessario utilizzare emulsioni o fluidi da taglio ad alta pressione come refrigeranti per garantire un buon raffreddamento e una buona lubrificazione.

Punti chiave del funzionamento

Ritrarre regolarmente la punta del trapano per rimuovere i trucioli: In questo modo si evita l'intasamento dei trucioli e la rottura della punta. Ritrarre la punta per rimuovere i trucioli ogni 2-3 mm di foratura.

- Evitare che la punta del trapano si blocchi nel foro: In caso contrario, sfregherà contro la superficie lavorata, causando l'indurimento del lavoro e l'opacizzazione della punta.

- Migliora la rigidità del sistema di lavorazione: Fissare la maschera di foratura vicino alla superficie lavorata per ridurre la sporgenza della punta.

- Lavorazione di fori profondi o piccoli: È possibile utilizzare l'avanzamento manuale per un migliore controllo del processo di taglio.

- Prelavorare un foro pilota: Per la lavorazione di fori profondi, si può lavorare prima un foro pilota con un diametro simile a quello della punta e una profondità di circa 10 mm, con un gioco controllato a 0,003-0,008 volte il diametro del foro.

Contromisure di lavorazione in condizioni di lavoro speciali

Tecniche di lavorazione in foro profondo

Quando si lavorano fori profondi con un rapporto lunghezza/diametro superiore a 5, si deve utilizzare la tecnologia di foratura a raffreddamento interno. Le punte a raffreddamento interno sono costruite da un unico pezzo di carburo, simile alla struttura elicoidale di una punta elicoidale standard. Il fluido da taglio viene fornito al tagliente attraverso una cavità elicoidale interna e viene scaricato dal foro insieme ai trucioli.

Per fori profondi con diametro inferiore a 30 mm, si può scegliere il sistema di lavorazione DF; per fori di diametro superiore, si può utilizzare il sistema di lavorazione BTA.

Punti chiave per la lavorazione di pezzi a parete sottile

Quando si lavorano parti in lega di titanio a parete sottile, è necessario prendere in considerazione le seguenti contromisure:

• Aumentare il numero di processi di trattamento termico per eliminare l'indurimento da lavoro e ridurre la deformazione da stress.
• Adottare un processo che prevede prima la lavorazione del foro interno e poi l'utilizzo di un mandrino per il posizionamento e la tornitura del diametro esterno.
• Durante la tornitura del diametro esterno, aggiungere un mandrino in acciaio temprato all'interno del foro per aumentare la rigidità del pezzo e prevenire la deformazione causata dalle vibrazioni.

Lavorazione del materiale laminato

Nella lavorazione di compositi in fibra di carbonio e laminati in lega di titanio, l'ottimizzazione della struttura del tagliente dello scalpello è particolarmente importante. Gli studi hanno dimostrato che una struttura ottimizzata del tagliente dello scalpello può ridurre significativamente le forze di taglio assiali e la coppia, migliorando così la qualità della foratura.

Casi di studio reali e verifica dei risultati

Caso 1: Foratura di parti in lega di titanio per un'azienda di produzione aerospaziale

I pezzi in lega di titanio TC4 sono stati lavorati con una punta in acciaio rapido al molibdeno. Il diametro della punta era di 6,35 mm e la profondità del foro di 12,7 mm. Parametri selezionati: velocità di taglio 11,6 m/min, avanzamento 0,127 mm/r, raffreddamento in emulsione.

Risultati: Ogni punta ha potuto lavorare 260 fori (usura standard 0,38 mm), migliorando notevolmente l'efficienza della lavorazione.

Caso 2: Riparazione di strutture in lega di titanio a parete sottile negli aeromobili

Per la realizzazione di fori anti-cracking per la pelle in lega di titanio degli aerei, è stata utilizzata una punta a scalpello di tipo S in acciaio ad alta velocità, abbinata a una lubrificazione a spruzzo con micro-olio. I risultati hanno mostrato che, rispetto a una punta a scalpello diritta standard, la punta a scalpello di tipo S ha ridotto la forza assiale di perforazione di 28% e l'errore di rotondità del foro di 58,9%.

Caso di studio 3: Lavorazione di fori ciechi profondi in boccole con anima in ferro

Fori ciechi profondi (rapporto lunghezza/diametro prossimo a 20) in lega di titanio TC4 sono stati lavorati utilizzando la tecnologia di foratura con raffreddamento interno a una velocità del mandrino di 1500 giri/min, un avanzamento di 0,03 mm/r e una pressione di raffreddamento di 6 MPa. Risultati: Il tempo di lavorazione è stato ridotto da 40 minuti/pezzo a 6 minuti/pezzo, aumentando l'efficienza di quasi 7 volte. La rugosità superficiale del foro ha raggiunto Ra0,8, la rettilineità è stata compresa tra 0,01-0,019 mm e la durata della punta ha consentito la lavorazione di oltre 80 pezzi.

Tendenze di sviluppo future

Grazie alla crescente maturità della tecnologia di lavorazione delle leghe di titanio e ai continui miglioramenti delle attrezzature di lavorazione e degli utensili da taglio, è stato possibile ottenere una lavorazione stabile di componenti strutturali ultra-grandi e di parti complesse di precisione. In futuro, la tecnologia di lavorazione delle leghe di titanio si svilupperà nelle seguenti direzioni:

1. Prestazioni elevate: Sviluppo di leghe con temperature di esercizio più elevate, maggiore resistenza specifica, maggiore modulo specifico e migliore resistenza alla corrosione e all'usura.
2. Basso costo: Sviluppare leghe con pochi o nessun elemento di metallo prezioso e aggiungere elementi poco costosi come ferro, ossigeno e azoto.
3. Nuove tecnologie: Adozione di nuove tecnologie di lavorazione, come la tecnologia di formatura a freddo, per migliorare l'efficienza produttiva, la resa e le prestazioni delle leghe di titanio.
4. Lavorazione intelligente: Utilizzo di tecnologie informatiche avanzate per simulare il processo di deformazione del pezzo e prevedere l'evoluzione della microstruttura del metallo.

Conclusione

La lavorazione delle leghe di titanio non è una semplice questione di selezione degli utensili, ma un progetto di ingegneria sistemica. Dal materiale e dalla geometria degli utensili ai parametri di taglio e ai metodi di raffreddamento, ogni aspetto richiede un'attenta progettazione. Utilizzando il carburo cementato di tipo YG, ottimizzando la geometria della punta, innovando la struttura del bordo dello scalpello e impiegando parametri di lavorazione scientifici, è possibile superare le sfide della foratura delle leghe di titanio, migliorando l'efficienza produttiva e la qualità del prodotto.

Questo articolo si propone di fornire assistenza pratica per risolvere i problemi reali incontrati nella lavorazione delle leghe di titanio. Una corretta progettazione degli utensili, combinata con parametri di lavorazione scientifici, aumenterà l'efficienza della lavorazione delle leghe di titanio di oltre 30% e prolungherà la durata degli utensili di oltre 50%. Se avete scenari di lavorazione specifici da discutere, vi invitiamo a lasciare un commento nella sezione dei commenti per scambiare idee oppure contattateci.

I parametri specifici devono essere messi a punto in base alle condizioni effettive.