Dlaczego obróbka stopów tytanu jest trudna i jakie narzędzia się do tego nadają?

Tytan wykazuje alotropię. W temperaturze poniżej 882 °C ma gęsto upakowaną heksagonalną strukturę alfa; powyżej 882 °C ma strukturę beta – sześcienną centrowaną na bryłę. Stopowanie zmienia temperaturę przemiany i równowagę fazową, co prowadzi do powstania stopów tytanu typu alfa, beta oraz alfa-beta.

Cechy mające wpływ na obróbkę skrawaniem

Dlaczego tytan jest trudny do cięcia

• Współczynnik odkształcenia przy skrawaniu jest bliski wartości 1 lub mniejszy od niej, co powoduje zwiększenie poślizgu wióra wzdłuż powierzchni natarcia i przyspiesza zużycie.
• Temperatura skrawania jest wysoka, ponieważ ciepło skupia się w pobliżu niewielkiej strefy styku narzędzia z wiórkiem. W porównywalnych warunkach stop Ti-6Al-4V może pracować w temperaturze skrawania ponad dwukrotnie wyższej niż w przypadku stali węglowej klasy 45.
• Chociaż główna siła skrawania może być o około 20% mniejsza niż w przypadku stali konstrukcyjnej, nacisk kontaktowy może osiągnąć wartość 130–150% wartości charakterystycznej dla stali gatunku 45, co powoduje koncentrację naprężeń na krawędzi.
• Pochłanianie gazu oraz produkty reakcji tworzą twardą, kruchą i niejednorodną warstwę powierzchniową, która pogarsza wytrzymałość zmęczeniową oraz sprzyja powstawaniu nacięć, odprysków i łuszczenia się.
• Wysokie powinowactwo, temperatura i ciśnienie powodują silne przywieranie i gromadzenie się materiału na narzędziu.
• Niska sztywność powoduje ugięcie obrabianego elementu i jego sprężystą odkształcenie, co zmniejsza efektywny kąt luzu i negatywnie wpływa na dokładność.

Wybór materiałów na narzędzia

Najczęściej wybierane są: stal szybkotnąca zawierająca kobalt, aluminium lub wanad; węglik spiekany wolframowo-kobaltowy, czasami z niewielkimi domieszkami innych węglików; oraz wybrane węgliki pokryte powłoką PVD/CVD. Gatunki węglika wolframowo-tytanowego oraz wiele płytek pokrytych powłoką zasadniczo nie nadają się do tego zastosowania.

Narzędzia diamentowe i z polikrystalicznego azotku boru o strukturze sześciennej sprawdzają się dobrze w obróbce wykańczającej i ultraprecyzyjnej. Diament charakteryzuje się twardością sięgającą około 10 000 HV oraz doskonałą przewodnością cieplną, jednak podczas obróbki należy utrzymywać temperaturę poniżej około 700–800 °C, zapewniając odpowiednie chłodzenie i smarowanie. PCBN charakteryzuje się mniejszą twardością, ale stabilnością termiczną powyżej 1 200°C oraz wysoką obojętnością chemiczną względem tytanu, co sprawia, że nadaje się do wysokotemperaturowej obróbki na sucho.