Perché la lega di titanio è un materiale difficile da lavorare?

La lega di titanio si riferisce a un nuovo tipo di lega ottenuta aggiungendo uno o più elementi al titanio. Il titanio è altamente reattivo e la maggior parte degli elementi può interagire con esso per formare soluzioni solide continue, soluzioni solide limitate, composti metallici, composti covalenti, composti ionici, ecc. Gli elementi di lega possono ottimizzarne le prestazioni modificando i punti di transizione allotropica e la composizione delle fasi.

01 Il “calore” è il motivo principale per cui le leghe di titanio sono difficili da lavorare

La forza di taglio durante la lavorazione della lega di titanio è solo leggermente superiore a quella dell’acciaio con la stessa durezza, ma il fenomeno fisico della lavorazione della lega di titanio è molto più complesso rispetto a quello della lavorazione dell’acciaio, il che rende la lavorazione della lega di titanio estremamente difficoltosa.

La conduttività termica della maggior parte delle leghe di titanio è molto bassa, pari solo a 1/7 di quella dell’acciaio e a 1/16 di quella dell’alluminio. Pertanto, il calore generato durante il taglio delle leghe di titanio non viene trasferito rapidamente al pezzo né asportato dai trucioli, ma si accumula nell’area di taglio. La temperatura generata può raggiungere o superare i 1.000°C, causando una rapida usura e la formazione di cricche e taglienti di riporto sul tagliente dell’utensile; a sua volta, il tagliente usurato genera rapidamente altro calore nell’area di taglio, riducendo ulteriormente la durata dell’utensile.

L’elevata temperatura generata durante il processo di taglio danneggia inoltre l’integrità superficiale dei componenti in lega di titanio, provocando una riduzione della precisione geometrica dei componenti e un incrudimento che ne riduce gravemente la resistenza a fatica.

L’elasticità delle leghe di titanio può essere vantaggiosa per le prestazioni dei componenti, ma durante il processo di taglio la deformazione elastica del pezzo è una causa importante delle vibrazioni. La pressione di taglio fa sì che il pezzo “elastico” si allontani dall’utensile per poi ritornare nella posizione iniziale, rendendo così l’attrito tra utensile e pezzo maggiore dell’azione di taglio. Anche il processo di attrito genera calore, aggravando la scarsa conduttività termica delle leghe di titanio.

Questo problema è ancora più grave durante la lavorazione di componenti a parete sottile o anulari, facilmente deformabili. Non è facile lavorare componenti in lega di titanio a parete sottile ottenendo la precisione dimensionale prevista. Quando il materiale del pezzo viene spinto via dall’utensile, infatti, la deformazione locale della parete sottile supera il campo elastico e produce una deformazione plastica, mentre la resistenza e la durezza del materiale nel punto di taglio aumentano significativamente. A questo punto, lavorare alla velocità di taglio determinata inizialmente significa adottare una velocità eccessiva, causando un’ulteriore rapida usura dell’utensile.

02 Suggerimenti tecnologici per la lavorazione delle leghe di titanio

Sulla base della comprensione del meccanismo di lavorazione delle leghe di titanio e dell’esperienza precedente, i principali suggerimenti tecnologici per la lavorazione delle leghe di titanio sono i seguenti:

(1) Utilizzare un tagliente con geometria ad angolo positivo per ridurre la forza di taglio, il calore di taglio e la deformazione del pezzo.

(2) Mantenere un avanzamento costante per evitare l’incrudimento del pezzo. Durante il processo di taglio, l’utensile deve essere sempre in avanzamento. Durante la fresatura, la profondità di taglio radiale ae deve essere pari al 30% del raggio.

(3) Utilizzare un fluido da taglio ad alta pressione e ad alta portata per garantire la stabilità termica del processo di lavorazione e prevenire la deformazione superficiale del pezzo e i danni all’utensile dovuti a una temperatura eccessiva.

(4) Mantenere affilato il tagliente. Gli utensili smussati causano accumulo di calore e usura, che possono facilmente provocare la rottura dell’utensile.

(5) Lavorare la lega di titanio, per quanto possibile, nello stato più morbido, poiché il materiale diventa più difficile da lavorare dopo l’incrudimento. Il trattamento termico aumenta la resistenza del materiale e l’usura del tagliente.

(6) Utilizzare un ampio raggio di punta o uno smusso per iniziare il taglio e coinvolgere nella lavorazione la maggior parte possibile del tagliente. Ciò può ridurre la forza di taglio e il calore in ogni punto e prevenire danni localizzati. Durante la fresatura della lega di titanio, tra tutti i parametri di taglio, la velocità di taglio vc ha il maggiore impatto sulla durata dell’utensile, seguita dalla profondità di taglio radiale ae.

03 Risolvere i problemi della lavorazione del titanio iniziando dal tagliente

L’usura a gola del tagliente che si verifica durante la lavorazione della lega di titanio è un’usura localizzata del fianco e della faccia lungo la direzione della profondità di taglio, spesso causata dallo strato incrudito lasciato dalla lavorazione precedente. Anche la reazione chimica e la diffusione tra l’utensile e il materiale del pezzo a una temperatura di lavorazione superiore a 800°C rappresentano una delle cause della formazione dell’usura a gola. Durante la lavorazione, infatti, le molecole di titanio del pezzo si accumulano davanti al tagliente e vi si “saldano” sotto l’azione di alta pressione e alta temperatura, formando un tagliente di riporto. Quando il tagliente di riporto si stacca dal tagliente, porta con sé il rivestimento in carburo del tagliente. Pertanto, la lavorazione delle leghe di titanio richiede materiali e geometrie speciali per i taglienti.

04 Struttura dell’utensile adatta alla lavorazione del titanio

Il punto cruciale della lavorazione della lega di titanio è il calore. È necessario spruzzare tempestivamente e con precisione una grande quantità di fluido da taglio ad alta pressione sul tagliente, per rimuovere rapidamente il calore. Sul mercato sono disponibili strutture uniche di frese appositamente progettate per la lavorazione delle leghe di titanio.