Titanyum Nasıl Delinir? Delme Tasarımından Parametre Ayarlamaya

Havacılık, tıbbi implantlar ve kimyasal ekipmanlarda vazgeçilmez bir malzeme olan titanyum alaşımları, yüksek mukavemetleri ve korozyon dirençleri nedeniyle oldukça tercih edilmektedir. Bununla birlikte, titanyum alaşımları nasıl delinir? Delme sırasında birçok mühendis için önemli bir zorluk oluştururlar: hızlı matkap aşınması, takım kırılması ve düşük işleme verimliliği yaygın sorunlardır.

Aslında, bu sorunların çözülmesi söz konusu değildir. Bu makale, titanyum alaşımlarının delinmesi için takım tasarımından pratik parametrelere kadar eksiksiz teknik çözümün sistematik bir analizini sunarak titanyum alaşımlarının işlenmesindeki zorlukların tamamen üstesinden gelmenize yardımcı olacaktır.

Titanyum Alaşımlı Sondajda Dört Temel Zorluk

Son derece yüksek kesme sıcaklıkları, titanyum alaşımlarının işlenmesindeki başlıca zorluktur. Titanyum alaşımları son derece düşük ısı iletkenliğine sahiptir; demirin yalnızca 1/5'i ve alüminyumun 1/14'ü kadar. Bu, kesme bölgesinde üretilen ısının dağıtılmasının zor olduğu ve 1000°C'yi aşan lokal sıcaklıklara yol açtığı anlamına gelir. Bu sadece takım ömrünü kısaltmakla kalmaz, aynı zamanda iş parçasında kolayca termal deformasyona neden olur.

Belirgin geri yaylanma bir diğer büyük zorluktur. Titanyum alaşımları düşük elastik modüle sahiptir (çeliğin yaklaşık yarısı), bu da delme işleminden sonra delik duvarının elastik olarak toparlanmasına neden olarak delik büzülmesine ve boyutsal sapmalara yol açan bir “yay etkisi” ile sonuçlanır.

Titanyum alaşımları yüksek kimyasal reaktiviteye sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda takım malzemeleriyle reaksiyona girerek işleme için zararlı olan tortular ve difüzyon alaşımları oluşturur. Bu yapışma fenomeni özellikle sertlik HB300'ün altında olduğunda belirgindir.

Ayrıca, titanyum alaşımlı talaşlar birbirine yapışma eğilimindedir ve kolayca takım ucunda biriken kenarlar oluşturarak çıkarılması zordur. Bu biriken kenarlar periyodik olarak ayrılır, takım malzemesini taşır ve işlenen yüzeyi çizer.

Titanyum matkap uçlarının işlenmesinde rafine tasarım

Matkap ucu malzemelerinin seçimi

YG tipi sinterlenmiş karbür, titanyum alaşımlarının, özellikle de YG8 kalitesinin (92% tungsten karbür (WC) ve 8% kobalt (Co)) işlenmesi için tercih edilen seçimdir. YT (Titanyum Karbür) tipi semente karbür kullanmaktan kaçının, çünkü içindeki titanyum iş parçası ile etkileşime girerek takım aşınmasını hızlandıracaktır.

Çapı 5 mm'den küçük delikler veya daha yüksek tokluk gerektiren uygulamalar için, 63 HRC'den daha yüksek sertliğe sahip yüksek kobaltlı yüksek hız çeliği (M42 veya W2Mo9Cr4VCo8 gibi) kullanılabilir.

Tantal içeren semente karbürler (örneğin YA6 (94% WC, yaklaşık 6% Co, az miktarda niyobyum karbür (NbC)) iyi performans gösterir. Az miktarda nadir element ilavesi takımın aşınma direncini artırır ve bükülme mukavemeti ve sertliği de YG6X'ten daha yüksektir.

Geometrik parametrelerin optimizasyonu

Bir matkap ucunun geometrik parametreleri, kesme performansını ve takım ömrünü doğrudan etkiler:

• Uç açısı (2φ): 135°-140°'ye yükseltin (standart matkaplar için 118°). Bu, kesme kalınlığını artırır, talaş kaldırmayı iyileştirir ve titreşimi azaltırken matkap rijitliğini artırır.
• Helis açısı: 25°-30°'lik geniş bir helis açısı talaşın düzgün bir şekilde alınmasını kolaylaştırır; helis oluğu parlatılmalıdır.
• Boşluk açısı: İşlenmiş yüzeyle sürtünmeyi azaltmak için dış boşluk açısını 12°-15°'ye yükseltin.
• Keski kenarı: Eksenel kuvveti önemli ölçüde azaltmak için keski kenarını matkap çapının 0,08-0,1 katı kadar taşlayın.

Keski kenarı yapısının yenilikçi tasarımı

Keski kenarı, delme eksenel kuvvetini ve merkezleme doğruluğunu etkileyen önemli bir faktördür. Çalışmalar, S şeklindeki bir keski kenarı tasarımının delme eksenel kuvvetini 28%'ye kadar azaltabileceğini ve aynı zamanda delik yuvarlaklık hatasını 58,9% azaltabileceğini göstermiştir.

Büyük uzunluk/çap oranlarına sahip derin deliklerin işlenmesinde, işleme düzgünlüğünü iyileştirmek ve takım kırılmasını önlemek için dört ligamentli birleşik S-şekilli keski kenarı tasarımı kullanılabilir. Bu tasarım “C-şekilli” talaş oluşumunu sağlar, kesme kuvvetlerini azaltır ve iş sertleşmesini azaltır.

Çift açılı tasarım (ana açı 130°-140°, ikinci açı 70°-80°) merkezleme stabilitesini etkili bir şekilde geliştirir ve bıçak yapışmasını azaltır.

Aşağıdaki tablo, titanyum matkap uçlarının temel geometrik parametreleri için optimizasyon şemalarını özetlemektedir:

Parametre Adı	Standart Matkap Ucu	Titanyum Matkap Ucu	Optimizasyon Etkisi
Nokta açısı (2φ)	118°	135°-140°	Sertliği artırır ve talaş kaldırmayı iyileştirir
Helis açısı	20°-25°	25°-35°	Talaş kaldırma pürüzsüzlüğünü artırır
Dış kenar boşluk açısı	8°-10°	12°-15°	İşlenmiş yüzey ile sürtünmeyi azaltın.
Keski kenar uzunluğu	0.2d	0.08-0.1d	Eksenel kuvveti 28%'den daha fazla azaltın.
Keski kenarının şekli	Düz	S-şekilli, X-şekilli	Merkezleme hassasiyetini artırın ve yuvarlaklık hatasını azaltın.

Sondaj parametrelerinin bilimsel seçimi

Önerilen kesme parametreleri

Titanyum matkap uçlarının malzemesine bağlı olarak, kesme parametrelerinin buna göre ayarlanması gerekir:

• Karbür matkap uçları: Kesme hızı v = 9-15 m/dak, ilerleme hızı f = 0,05-0,2 mm/r
• Yüksek hızlı çelik matkap uçları: Kesme hızı v = 4-5 m/dak, ilerleme hızı f = 0,05-0,3 mm/r
  TC4 titanyum alaşımının derin delik delme işlemi için 0,12-0,16 mm/r ilerleme hızı ve 30-40 m/dak kesme hızı en ideal sonuçları verir.

İlerleme hızı ve yüzey kalitesi arasındaki ilişki

İlerleme hızının delik duvarı yüzey kalitesi üzerinde önemli bir etkisi vardır. Ra 1,6 μm yüzey pürüzlülüğü elde etmek için ilerleme hızının 0,16 mm/r'nin altında kontrol edilmesi gerekir. İlerleme hızı arttıkça, yüzey pürüzlülüğü önemli ölçüde kötüleşir.

Farklı çaplardaki matkap uçları için önerilen kesme parametreleri aşağıda verilmiştir.

Matkap ucu çapı (mm)	İş mili hızı (d/dak)	İlerleme hızı (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

Soğutma, yağlama ve çalıştırma teknikleri

Soğutma sıvısı seçimi ve kullanımı

Gerilme korozyonu çatlamasını önlemek için klor içeren soğutma sıvıları yasaktır. N32 makine yağı ve kerosenin 3:1 veya 3:2 oranında bir karışımı veya özel bir sülfürlü kesme yağı önerilir.

Derin delik delme için yüksek basınçlı dahili soğutma şarttır. Soğutma sıvısını doğrudan kesme bölgesine ileterek soğutma, yağlama ve talaş kaldırma sağlar. Soğutma basıncı genellikle 1,5-3 MPa aralığında seçilir; özellikle derin delikler veya işlenmesi zor malzemeler için 6 MPa'ya kadar yükseltilebilir.

Derin delikler açarken, iyi bir soğutma ve yağlama sağlamak için soğutucu olarak aşırı basınçlı emülsiyonlar veya kesme sıvıları kullanılmalıdır.

Operasyonun kilit noktaları

Talaşları temizlemek için matkap ucunu düzenli olarak geri çekin: Bu, talaş tıkanmasını ve matkap ucunun kırılmasını önler. Her 2-3 mm'lik delme işleminden sonra talaşları temizlemek için matkap ucunu geri çekin.

- Matkap ucunun delikte durmasını önleyin: Aksi takdirde, işlenmiş yüzeye sürtünerek iş sertleşmesine ve matkap ucunun körelmesine neden olur.

- İşleme sisteminin rijitliğini artırın: Matkap ucu çıkıntısını kısaltmak için matkap aparatını işlenen yüzeye yakın sabitleyin.

- Derin veya küçük delik işleme: Kesme işleminin daha iyi kontrol edilebilmesi için manuel besleme kullanılabilir.

- Bir pilot deliği önceden işleyin: Derin delik işleme için, matkap ucuna benzer bir çapa ve yaklaşık 10 mm derinliğe sahip bir pilot delik önce işlenebilir ve boşluk delik çapının 0,003-0,008 katı olarak kontrol edilebilir.

Özel çalışma koşulları altında işleme karşı önlemleri

Derin delik işleme teknikleri

Uzunluk/çap oranı 5'ten büyük olan derin delikler işlenirken içten soğutmalı delme teknolojisi kullanılmalıdır. Dahili soğutmalı matkap uçları, standart bir burgulu matkabın sarmal yapısına benzer şekilde tek parça karbürden üretilir. Kesme sıvısı, dahili bir sarmal boşluk aracılığıyla kesme kenarına beslenir ve talaşlarla birlikte delikten boşaltılır.

Çapı 30 mm'den az olan derin delikler için DF işleme sistemi seçilebilir; daha büyük çaplı delikler için BTA işleme sistemi kullanılabilir.

İnce duvarlı parçaların işlenmesinde önemli noktalar

İnce duvarlı titanyum alaşımlı parçalar işlenirken, aşağıdaki karşı önlemler dikkate alınmalıdır:

• İş sertleşmesini ortadan kaldırmak ve gerilim deformasyonunu azaltmak için ısıl işlem süreçlerinin sayısını artırın.
• Önce iç deliği işleyen, ardından dış çapı konumlandırmak ve döndürmek için bir iç delik mandreli kullanan bir işlem rotası benimseyin.
• Sırasında dış çap tornalama, parçanın sertliğini artırmak ve titreşimden kaynaklanan deformasyonu önlemek için deliğin içine sertleştirilmiş çelik mandrel ekleyin.

Lamine malzeme işleme

Karbon fiber kompozitler ve titanyum alaşımlı laminatlar işlenirken keski kenarı yapısının optimize edilmesi özellikle önemlidir. Çalışmalar, optimize edilmiş bir keski kenarı yapısının eksenel kesme kuvvetlerini ve torku önemli ölçüde azaltabileceğini ve böylece delme kalitesini artırabileceğini göstermiştir.

Gerçek dünya vaka çalışmaları ve sonuç doğrulama

Vaka 1: Bir Havacılık ve Uzay Üretim Şirketi için Titanyum Alaşımlı Parçaların Delinmesi

TC4 titanyum alaşımlı iş parçaları molibden yüksek hız çeliği matkap ucu kullanılarak işlendi. Matkap ucu çapı 6,35 mm ve delik derinliği 12,7 mm idi. Seçilen parametreler: kesme hızı 11,6 m/dak, ilerleme hızı 0,127 mm/r, emülsiyon soğutma.

Sonuçlar: Her bir matkap ucu 260 delik (aşınma standardı 0,38 mm) işleyerek işleme verimliliğini önemli ölçüde artırdı.

Vaka 2: Uçaklarda İnce Duvarlı Titanyum Alaşımlı Yapıların Onarımı

Uçak titanyum alaşımı kaplaması için çatlama önleyici deliklerin delinmesinde, mikro-yağ buharı sprey yağlama ile birlikte S-tipi keski kenarlı yüksek hızlı çelik matkap ucu kullanılmıştır. Sonuçlar, standart düz keski kenarlı matkap ucuna kıyasla, S-tipi keski kenarlı matkap ucunun delme eksenel kuvvetini 28% ve delik yuvarlaklık hatasını 58,9% azalttığını göstermiştir.

Örnek Çalışma 3: Demir Çekirdekli Burçlarda Derin Kör Deliklerin İşlenmesi

TC4 titanyum alaşımındaki derin kör delikler (20'ye yakın uzunluk/çap oranı), 1500 dev/dak iş mili hızı, 0,03 mm/r ilerleme hızı ve 6 MPa soğutma basıncında içten soğutmalı delme teknolojisi kullanılarak işlendi. Sonuçlar: İşleme süresi 40 dakika/parçadan 6 dakika/parçaya düşürülerek verimlilik yaklaşık 7 kat artırıldı. Sondaj deliği yüzey pürüzlülüğü Ra0,8'e ulaştı, düzlük 0,01-0,019 mm arasındaydı ve matkap ucu ömrü 80'den fazla parçanın işlenmesine izin verdi.

Gelecekteki gelişim eğilimleri

Titanyum alaşımı işleme teknolojisinin artan olgunluğu ve işleme ekipmanı ve kesici takımlardaki sürekli iyileştirmelerle, ultra büyük yapısal bileşenlerin ve hassas karmaşık parçaların istikrarlı bir şekilde işlenmesi artık başarılmıştır. Gelecekte, titanyum alaşımı işleme teknolojisi aşağıdaki yönlerde gelişecektir:

1. Yüksek Performans: Daha yüksek çalışma sıcaklıklarına, daha yüksek özgül mukavemete, daha yüksek özgül modüle ve daha iyi korozyon ve aşınma direncine sahip alaşımların geliştirilmesi.
2. Düşük Maliyet: Çok az değerli metal elementi içeren veya hiç içermeyen alaşımlar geliştirmek ve demir, oksijen ve nitrojen gibi ucuz elementler eklemek.
3. Yeni Teknolojiler: Titanyum alaşımlarının üretim verimliliğini, randımanını ve performansını artırmak için soğuk şekillendirme teknolojisi gibi yeni işleme teknolojilerinin benimsenmesi.
4. Akıllı İşleme: İş parçası deformasyon sürecini simüle etmek ve metalin mikro yapısının gelişimini tahmin etmek için gelişmiş bilgisayar teknolojisinin kullanılması.

Sonuç

Titanyum alaşımlarının işlenmesi basit bir takım seçimi meselesi değil, sistematik bir mühendislik projesidir. Takım malzemesi ve geometrisinden kesme parametreleri ve soğutma yöntemlerine kadar her yönüyle dikkatli bir tasarım gerektirir. YG tipi semente karbür kullanarak, matkap geometrisini optimize ederek, keski kenarı yapılarını yenileyerek ve bilimsel işleme parametreleri kullanarak, titanyum alaşımlarını delmenin zorluklarının üstesinden gelmek, üretim verimliliğini ve ürün kalitesini artırmak tamamen mümkündür.

Bu makale, titanyum alaşımı işlemede karşılaşılan gerçek dünya sorunlarının çözümünde pratik yardım sağlamayı amaçlamaktadır. Bilimsel işleme parametreleriyle birlikte doğru takım tasarımı, titanyum alaşımı işleme verimliliğinizi 30%'nin üzerinde artıracak ve takım ömrünü 50%'nin üzerinde uzatacaktır. Tartışmak istediğiniz belirli işleme senaryolarınız varsa, fikir alışverişinde bulunmak için lütfen yorum bölümüne bir yorum bırakın veya Bize ulaşın.

Belirli parametreler gerçek koşullara göre ince ayarlanmalıdır.