Hợp kim titan có cường độ riêng cao trong số các vật liệu kim loại kết cấu, có độ bền tương đương với thép nhưng trọng lượng chỉ bằng 57%. Ngoài ra, hợp kim titan có các đặc tính như mật độ thấp, độ bền nhiệt cao, ổn định nhiệt và chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, vật liệu hợp kim titan đặt ra thách thức về độ khó gia công và hiệu quả xử lý thấp. Vì vậy, việc khắc phục những khó khăn, hiệu quả thấp trong gia công hợp kim titan luôn là vấn đề cấp bách cần có giải pháp.

Lý do khó gia công hợp kim titan

1Độ dẫn nhiệt thấp: Hợp kim titan có độ dẫn nhiệt thấp, dẫn đến nhiệt độ cắt cao trong quá trình gia công. Trong cùng điều kiện, nhiệt độ cắt của hợp kim TC4 cao hơn gấp đôi so với thép mác 45. Nhiệt sinh ra trong quá trình gia công khó thoát ra khỏi phôi. Do đó, dụng cụ cắt phải chịu nhiệt độ cao, lưỡi cắt bị mài mòn nhanh và tuổi thọ dụng cụ giảm.

2Mô đun đàn hồi thấp: Hợp kim titan có mô đun đàn hồi thấp, dẫn đến hiện tượng đàn hồi đáng kể trên bề mặt gia công. Điều này đặc biệt rõ rệt khi gia công các chi tiết có thành mỏng, dẫn đến ma sát mạnh giữa mép sau của dụng cụ cắt và bề mặt gia công, dẫn đến mòn và sứt mẻ dụng cụ.

3Khả năng phản ứng hóa học: Hợp kim titan có khả năng phản ứng hóa học mạnh. Ở nhiệt độ cao, nó dễ dàng phản ứng với oxy, hydro và nitơ, làm tăng độ bền và giảm độ dẻo. Lớp giàu oxy được hình thành trong quá trình gia nhiệt và rèn làm phức tạp thêm việc gia công cơ khí.

Nguyên lý gia công vật liệu hợp kim titan

Trong quá trình gia công, việc lựa chọn vật liệu dụng cụ, điều kiện cắt và thời gian gia công đều ảnh hưởng đến hiệu quả và hiệu quả chi phí của việc cắt hợp kim titan.

1.Lựa chọn vật liệu làm dụng cụ phù hợp

Xem xét các tính chất của vật liệu hợp kim titan, phương pháp gia công và điều kiện gia công, việc lựa chọn vật liệu dụng cụ phải được thực hiện một cách hợp lý. Vật liệu làm dụng cụ phải được sử dụng phổ biến, tiết kiệm chi phí, có khả năng chống mài mòn tốt và độ cứng nhiệt cao và có đủ độ bền.

2. Cải thiện điều kiện cắt

Độ cứng của hệ thống máy công cụ-đồ gá-công cụ cần được nâng cao. Khoảng cách giữa các bộ phận khác nhau của máy công cụ phải được điều chỉnh hợp lý và độ đảo hướng tâm của trục chính phải được giảm thiểu. Phôi phải được kẹp chắc chắn trong vật cố định, đảm bảo đủ độ cứng. Phần cắt của dụng cụ phải được giữ càng ngắn càng tốt và phải tăng độ dày của lưỡi cắt, đồng thời đảm bảo đủ không gian phoi để tăng cường độ bền và độ cứng của dụng cụ.

3Áp dụng phương pháp xử lý nhiệt thích hợp cho vật liệu phôi

Bằng cách sử dụng xử lý nhiệt, các tính chất và cấu trúc kim loại của vật liệu hợp kim titan có thể được thay đổi nhằm cải thiện khả năng gia công của chúng.

4Chọn thông số cắt phù hợp

Tốc độ cắt nên được giữ ở mức thấp. Điều này là do tốc độ cắt có tác động đáng kể đến nhiệt độ của lưỡi cắt. Tốc độ cắt cao hơn dẫn đến nhiệt độ lưỡi cắt tăng mạnh, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ dụng cụ. Vì vậy, việc lựa chọn tốc độ cắt phù hợp là rất quan trọng.

Kỹ thuật gia công

1. Xoay

Tiện các sản phẩm hợp kim titan có thể đạt được độ nhám bề mặt tốt và độ cứng gia công tối thiểu. Tuy nhiên, nó dẫn đến nhiệt độ cắt cao và dụng cụ bị mòn nhanh. Để giải quyết các đặc điểm này, các biện pháp sau đây được thực hiện chủ yếu về các thông số dụng cụ và cắt: Vật liệu dụng cụ: YG6, YG8, YG10HT được lựa chọn dựa trên các điều kiện hiện có trong nhà máy. Các thông số hình học của dụng cụ: Góc nghiêng và góc phụ phù hợp cũng như các cạnh cắt được bo tròn. Tốc độ cắt thấp hơn, tốc độ tiến dao vừa phải, độ sâu cắt sâu hơn, đủ làm mát. Khi xoay đường kính ngoài của phôi, không nên đặt đầu dao phía trên tâm phôi để tránh nhiễu dao. Để hoàn thiện và tiện các bộ phận có thành mỏng, người ta sử dụng góc nghiêng chính lớn hơn, thường từ 75 đến 90 độ.

2. Phay

Phay các sản phẩm hợp kim titan khó khăn hơn so với tiện vì phay bao gồm việc cắt không liên tục và phoi có xu hướng bám vào lưỡi cắt. Khi các răng được gắn phoi tiếp xúc lại với phôi, chúng có thể bong ra và lấy đi một phần nhỏ vật liệu dụng cụ, dẫn đến hỏng lưỡi dao và làm giảm đáng kể độ bền của dụng cụ.

Phương pháp phay: Nói chung, người ta sử dụng phương pháp phay thông thường. Vật liệu làm dụng cụ: Thép tốc độ cao M42. Gia công thép hợp kim thông thường thường không sử dụng phay thông thường do ảnh hưởng của độ hở vít và đai ốc của máy công cụ. Trong phay thông thường, dao phay tác động lên phôi, tạo ra lực cắt theo hướng tiến dao có thể gây ra chuyển động bàn làm việc không liên tục, dẫn đến rung lắc. Đối với phay thông thường, các cạnh cắt gặp phải bề mặt cứng ở lần vào đầu tiên, điều này có thể dẫn đến hư hỏng dụng cụ. Tuy nhiên, trong phay leo dốc, phoi chuyển từ mỏng sang dày và ban đầu, dụng cụ có thể gặp ma sát khô với phôi, làm trầm trọng thêm độ bám dính của phoi và hỏng lưỡi dao. Để đảm bảo quá trình nghiền hợp kim titan trơn tru, cần chú ý giảm góc cào và tăng góc giảm so với dao phay tiêu chuẩn. Tốc độ phay phải thấp, ưu tiên sử dụng dao phay có răng sắc, đồng thời tránh sử dụng dao phay mặt.

3Xâu chuỗi

Việc tạo ren các sản phẩm hợp kim titan có thể mang lại giá trị độ nhám bề mặt lớn hơn và mô-men xoắn cao hơn do phoi mịn dễ dàng bám vào lưỡi cắt và phôi. Việc lựa chọn và xử lý vòi không đúng cách có thể dẫn đến quá trình gia công bị cứng, hiệu suất xử lý cực kỳ thấp và đôi khi làm gãy vòi.

Cần ưu tiên sử dụng vòi chất lượng cao với độ ăn khớp răng phù hợp. Số lượng răng trên vòi phải ít hơn vòi tiêu chuẩn, thường khoảng 2 đến 3 răng. Góc hình nón cắt phải lớn và phần côn thường gấp 3 đến 4 lần chiều dài bước ren. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc thoát phoi, có thể mài góc nghiêng âm trên phần côn cắt. Việc chọn vòi ngắn hơn có thể tăng độ cứng của vòi. Phần côn phía sau của taro phải được mở rộng phù hợp so với taro tiêu chuẩn để giảm ma sát giữa taro và phôi.

4 doa

Khi doa hợp kim titan, độ mài mòn của dụng cụ không nghiêm trọng và có thể sử dụng cả mũi doa cacbua và thép tốc độ cao. Khi sử dụng dao doa cacbua, cần áp dụng độ cứng của hệ thống quy trình tương tự như khi khoan để tránh gãy dao doa. Vấn đề chính gặp phải khi doa các lỗ hợp kim titan là độ bóng bề mặt kém. Cần thu hẹp chiều rộng lưỡi cắt bằng đá dầu để tránh sự bám dính giữa mép và thành lỗ mà vẫn đảm bảo đủ độ bền. Nói chung, chiều rộng lưỡi cắt từ 0,1 đến 0,15 mm được ưu tiên.

Phần chuyển tiếp giữa lưỡi cắt và phần hiệu chuẩn phải là một vòng cung nhẵn và cần được mài lại ngay sau khi mài mòn. Điều quan trọng là đảm bảo kích thước phù hợp của các cung tròn trên mỗi răng. Nếu cần thiết, kích thước của phần hiệu chuẩn có thể tăng lên.

5. Khoan

Khoan hợp kim titan tương đối khó khăn và thường gặp phải các vấn đề như cháy dụng cụ và gãy mũi khoan trong quá trình gia công. Điều này chủ yếu là do các yếu tố như mài dụng cụ kém, thoát phoi không đủ, làm mát không đủ và độ cứng của hệ thống xử lý kém. Vì vậy, phải chú ý đến việc mài dụng cụ thích hợp trong khoan hợp kim titan. Điều này bao gồm việc sử dụng góc điểm lớn, giảm góc trước của cạnh ngoài, tăng góc sau của cạnh ngoài và thêm độ côn ngược vào điểm khoan gấp 2-3 lần so với mũi khoan tiêu chuẩn.

Việc rút dao thường xuyên và loại bỏ phoi kịp thời là rất quan trọng, đồng thời phải quan sát hình dạng và màu sắc của phoi. Nếu xuất hiện các mảnh vụn giống như lông vũ hoặc thay đổi màu sắc trong quá trình khoan, điều đó cho thấy mũi khoan bị cùn và cần được thay thế hoặc mài lại ngay lập tức.

Thiết bị khoan phải được cố định chắc chắn trên bàn làm việc và lưỡi cắt dẫn hướng của máy khoan phải sát với bề mặt làm việc. Nên sử dụng mũi khoan ngắn hơn. Một điều quan trọng cần cân nhắc khác là khi sử dụng nạp thủ công, mũi khoan không được tiến lên cũng như không lùi lại trong lỗ, vì điều này có thể gây ra ma sát giữa cạnh mũi khoan và bề mặt làm việc, dẫn đến mũi khoan bị cứng và bị cùn.

6. Nghiền

Các vấn đề thường gặp khi mài các bộ phận hợp kim titan là tắc nghẽn bánh mài do phoi bám dính và cháy bề mặt trên các bộ phận. Tính dẫn nhiệt kém của hợp kim titan là nguyên nhân chính tạo ra nhiệt độ cao trong vùng mài, dẫn đến sự bám dính, khuếch tán và phản ứng hóa học mạnh giữa hợp kim titan và vật liệu mài mòn. Độ bám phoi và bánh mài bị tắc làm giảm đáng kể tỷ lệ mài. Sự khuếch tán và các phản ứng hóa học còn dẫn đến hiện tượng cháy bề mặt trên phôi, dẫn đến độ bền mỏi giảm, điều này đặc biệt rõ ràng khi mài các vật đúc bằng hợp kim titan.

Để giải quyết vấn đề này, các biện pháp sau được thực hiện:

• Chọn vật liệu làm đá mài phù hợp: Cacbua silic xanh TL. Độ cứng bánh xe thấp hơn một chút: ZR1.
• Kiểm soát các thông số cắt của vật liệu hợp kim titan trong quá trình mài, bao gồm vật liệu dụng cụ, chất lỏng cắt và các thông số quy trình. Điều này rất cần thiết để nâng cao hiệu quả tổng thể của gia công vật liệu hợp kim titan.