Bearbeitungsmethoden und Technologie zur Kontrolle der Oberflächenintegrität für Titanlegierungen in der Luft- und Raumfahrt

Analyse der Bearbeitungsprozesse von Titanlegierungen basierend auf Bearbeitungseigenschaften, Werkzeugen, Vorrichtungen und Schnittparametern, mit einer Einführung in Techniken zur Kontrolle der Oberflächenintegrität

Senior Engineer Huang Qiang

1. Einführung

In den letzten Jahren hat die Nachfrage nach Titanlegierungen in der Luftfahrtindustrie deutlich zugenommen. Titanlegierungen werden häufig in Großflugzeugen eingesetzt. Als ausgezeichnetes Herstellungsmaterial für Flugzeuge und Triebwerke zeichnen sich Titanlegierungen durch hohe strukturelle Festigkeit, geringes Gewicht und gute Korrosionsbeständigkeit aus. Die Bearbeitbarkeit von Titanlegierungswerkstoffen führt oft zu einer schlechten Oberflächenintegrität des Werkstücks nach der Bearbeitung. Im Folgenden werden die Bearbeitungsverfahren und Technologien zur Kontrolle der Oberflächenintegrität für Luft- und Raumfahrt-Titanlegierungen unter den Aspekten der Bearbeitungseigenschaften, Schneidwerkzeuge, Vorrichtungsauswahl und Schnittparameter vorgestellt.

2. Eigenschaften und Anwendungen von Titanlegierungen

In der Luftfahrtindustrie werden Titanlegierungen hauptsächlich zur Herstellung von Komponenten wie Triebwerksverdichterscheiben, hohlen Fanblättern, Turbinenscheiben und Gehäuseschalen sowie von Strukturteilen wie Fahrwerken für Großflugzeuge, Außenflügelabschnitten, Rumpfbeplankungen, Türen, Hydrauliksystemen und Heckrumpfsektionen verwendet. Derzeit ist der Nutzungsanteil von Titanlegierungen in der Luftfahrtindustrie von 6 % auf über 15 % gestiegen. Die Boeing 777 verwendet 7 %–9 % Titanlegierungsteile; um eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 20 % zu erreichen, wurden etwa 2 Milliarden RMB in die Entwicklung der Boeing 787 investiert, speziell um den Ersatz von Aluminiumlegierungen durch Titanlegierungen in bestimmten Teilen des Flugzeugs zu erforschen, was zu einem Titanlegierungsanteil von 15 % in der Flugzeugzelle der Boeing 787 führte. In inländischen Großflugzeugprojekten hat die Verwendung von Titanlegierungen allmählich von 4,8 % im Regionaljet ARJ21 auf über 9 % im Großraumflugzeug C919 zugenommen.

Die Anforderungen an Leichtbau und hohe Festigkeit im Luftfahrtbereich machen die Abhängigkeit von Titanlegierungen immer größer. Basierend auf Festigkeit und Hochtemperaturverhalten können Titanlegierungen in α-Titanlegierungen, β-Titanlegierungen, α+β-Titanlegierungen und Titan-Aluminium-Intermetallverbindungen eingeteilt werden, wobei α+β-Titanlegierungen (wie Ti6Al4V) am häufigsten verwendet werden. α-Titanlegierungen haben eine gute thermische Schweißbarkeit und eine starke Oxidationsbeständigkeit, aber eine durchschnittliche Zähigkeit; β-Titanlegierungen haben eine bessere Schmiedbarkeit, Kaltverformbarkeit und Wärmebehandlungsfähigkeit; α+β-Titanlegierungen besitzen eine gute Zähigkeit, sind schweißbar und können durch Wärmebehandlung gehärtet werden und haben eine gute Ermüdungsbeständigkeit.

Die Materialzusammensetzung von Ti6Al4V umfasst hauptsächlich Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu und geringe Mengen an N, H, B und Y. Titanlegierungen haben ausgezeichnete umfassende mechanische Eigenschaften, eine geringe Dichte und eine gute Korrosionsbeständigkeit. Als hochfestes Legierungsmaterial werden sie kontinuierlich für den Einsatz in Luftfahrtantrieben und der Luftfahrtindustrie gefördert. Die hohen Temperaturen und hohen Schnittkräfte während der Bearbeitung von Titanlegierungen führen jedoch zu starker Kaltverfestigung auf der bearbeiteten Oberfläche, was den Werkzeugverschleiß verschlimmert und zu einer schlechten Bearbeitbarkeit führt. Diese Faktoren sind nachteilig für das Erreichen einer guten Oberflächenqualität und beeinträchtigen die Lebensdauer von Titanlegierungskomponenten und die Triebwerksleistung. Im Folgenden werden unter Verwendung von Ti6Al4V als Forschungsobjekt und unter Berücksichtigung der in der Produktionspraxis gesammelten Erfahrungen die Schneidleistung, die Bearbeitungsverfahren und die Oberflächeninspektionstechniken für Titanlegierungsteile vorgestellt.

3. Bearbeitungsverfahren für Titanlegierungen

3.1 Werkzeugauswahl

Werkzeugmaterialien für die Bearbeitung von Titanlegierungen sollten Eigenschaften wie gute Zähigkeit, Warmhärte, Wärmeableitung und Verschleißfestigkeit aufweisen. Darüber hinaus sollten Werkzeuge Anforderungen wie scharfe Schneidkanten und eine glatte Oberfläche erfüllen. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungswerkstoffen werden Hartmetallwerkzeuge mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit bevorzugt, die einen kleinen Spanwinkel und einen großen Freiwinkel aufweisen. Um Ausbrüche und Brüche der Werkzeugspitze zu vermeiden, sollte die Schneidkante an der Spitze einen abgerundeten Übergang aufweisen. Die Schneidkante sollte während der Bearbeitung scharf gehalten werden, um eine rechtzeitige Spanabfuhr zu erleichtern und das Anhaften von Spänen zu vermeiden.

Um Affinitätsreaktionen zwischen dem Werkzeugsubstrat/der Beschichtung und der Titanlegierung zu verhindern, die den Werkzeugverschleiß beschleunigen würden, werden bei der Bearbeitung von Titanlegierungen im Allgemeinen titanhaltige Hartmetalle und Werkzeuge mit Titanbasisbeschichtung vermieden. Jahrelange Produktionspraxis hat gezeigt, dass titanhaltige Hartmetallwerkzeuge zwar anfällig für Anhaftungen und Verschleiß sind, aber eine ausgezeichnete Diffusionsverschleißfestigkeit aufweisen, insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsschneiden, wo ihre Leistung deutlich besser ist als die von Hartmetallwerkzeugen vom Typ YG.

Große globale Werkzeughersteller haben Schneideinsätze speziell für die Bearbeitung von Titanlegierungsteilen eingeführt. Kontinuierliche Verbesserungen der Werkzeugmaterialien und Beschichtungsmaterialien haben die Schneideffizienz von Titanlegierungswerkstoffen verbessert und die Entwicklung der Titanlegierungsindustrie gefördert. Beispielsweise eignen sich die IC20-Einsätze von ISCAR mit scharfen Schneidkanten zum Schlichten von Titanlegierungswerkstücken. Seine IC907-Einsätze verbessern die Verschleißfestigkeit effektiv und eignen sich für das Schruppen und Halbschlichten. Die CP200 und CP500 von SECO für die Bearbeitung von Titanlegierungen sind hochfeste, ultrafeinkörnige Einsatzmaterialien, die die Physical Vapor Deposition (PVD)-Technologie verwenden. Die WSM30, WSM20 und WAM20 von Walter, die TiCN-, TiAlN-, TiN- und Al₂O₃-Beschichtungen verwenden, bieten eine hohe Beständigkeit gegen Verformung und Verschleiß. Häufig verwendete Werkzeuge und Beschichtungen für die Bearbeitung von Titanlegierungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Statistiken zufolge ist der Luftfahrtfertigungssektor stark auf importierte Werkzeuge angewiesen, und die Abhängigkeit ist bei schwer zu bearbeitenden Materialien wie Titanlegierungen noch höher. Daher ist die Förderung der Entwicklung und Anwendung inländischer Werkzeuge und Beschichtungsmaterialien ein effektiver Weg, um das Problem der Titanlegierungsbearbeitung in China grundlegend zu lösen.

3.2 Werkzeugverschleiß und Lösungen

Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und großen Schnitttiefen bildet sich auf der Spanfläche an der Stelle der höchsten Schnitttemperatur ein Kraterverschleiß (Freiflächenverschleiß) mit einer deutlichen Steg zwischen dem Krater und der Schneidkante. Die Breite und Tiefe des Kraters nehmen mit fortschreitendem Verschleiß allmählich zu, wodurch die Steifigkeit der Schneidkante verringert wird, was möglicherweise zu Ausbrüchen führen kann, wenn das Werkzeug weiterhin verwendet wird. Elektronenmikrografien des Einsatzverschleißes sind in Abbildung 1 dargestellt.

a) Kraterverschleiß mit Ausbruchserscheinung.    b) Freiflächenverschleiß

c) Aufbauschneide

Während der Bearbeitung von Titanlegierungen führt die starke Reibung zwischen dem Einsatz und dem Werkstück zu Verschleiß auf der Freifläche in der Nähe der Schneidkante, wodurch eine kleine Verschleißmarke mit einem Freiwinkel von Null entsteht, die als Freiflächenverschleiß bezeichnet wird. Darüber hinaus nimmt aufgrund der Kaltverfestigung von Titanlegierungen die Spanungsdicke an der Werkzeugnase an der Nebenschneide allmählich ab, wodurch die Schneidkante gleitet, was ebenfalls zu erheblichem Verschleiß auf der Freifläche führt.

Nachdem Werkzeugverschleiß aufgetreten ist, können die Schnittparameter wie Schnittgeschwindigkeit und Vorschub durch Beobachtung der Spanmorphologie und -farbe sowie der Maschinenkraft, des Geräuschs und der Vibration angepasst werden, um den anormalen Verschleiß der Spanfläche zu kontrollieren. Die Verwendung von positiven Spanwinkelgeometrien, die Auswahl von verschleißfesten Einsatzmaterialien oder Beschichtungen kann die Werkzeugstandzeit verbessern.

Aufbauschneiden (BUE) neigen dazu, sich während der Bearbeitung von Titanlegierungen zu bilden. Wenn die BUE stabil ist, kann sie das Werkzeug schützen, indem sie als Schneidkante fungiert. Wenn die BUE jedoch bis zu einem gewissen Grad anwächst, ragt ihre Spitze über die Schneidkante hinaus, wodurch der tatsächliche Arbeitsspanwinkel erhöht wird. Die Ansammlung und Ablösung der BUE wirkt sich direkt auf die Bearbeitungsgenauigkeit aus. BUE-Fragmente, die an der bearbeiteten Oberfläche der Titanlegierung haften, bilden harte Stellen und Grate, was die Oberflächenqualität beeinträchtigt. Das unregelmäßige Ablösen und die Regeneration von BUE verursachen Schwankungen der Schnittkraft, was zu Rattern führt und die Werkzeugstandzeit beeinträchtigt. Häufige Methoden in der Produktionspraxis zur Reduzierung oder Vermeidung der BUE-Bildung beim Schneiden von Titanlegierungen umfassen: Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, allmähliche Erhöhung der Schnitttiefe bis zum Optimum; Verwendung von PVD-beschichteten Einsatzmaterialien; Einsatz von Hochdruckkühlsystemen usw.

Beim Schneiden ist der Kontaktbereich zwischen dem Span und der Spanfläche aufgrund der geringen Plastizität von Titanlegierungen klein, und der Werkzeugverschleiß tritt hauptsächlich auf der Spanfläche des Drehmeißels auf. Daher sollten Schneideinsätze mit einem kleinen Spanwinkel von typischerweise 0° bis 5° ausgewählt werden. Ein kleiner Spanwinkel erhöht effektiv den Kontaktbereich zwischen dem Span und der Spanfläche und hilft, die Wärme, die sich in der Nähe der Schneidkante konzentriert, abzuleiten. Die Auswahl eines Freiwinkels von 5° bis 10° kann die Reibung zwischen Werkzeug und Teil reduzieren. Die Wahl einer V-förmigen Kontaktflächenkombination zwischen dem Einsatzsockel und dem Werkzeughalter, ein robustes Klemmstrukturdesign, kann die Klemmsteifigkeit des Werkzeughalters effektiv verbessern, Werkzeugvibrationen eliminieren und die Oberflächenqualität des bearbeiteten Titanlegierungswerkstücks verbessern.

3.3 Vorrichtungsauswahl

Beim Positionieren und Spannen von Titanlegierungswerkstücken kann die Wechselwirkung zwischen der Klemmkraft der Vorrichtung und der Stützkraft auf das Werkstück zu Spannungsverformungen im ungespannten Zustand führen. Der Schnittkraftwiderstand während der Bearbeitung von Titanlegierungen ist erheblich, daher muss das Prozesssystem über eine ausreichende Steifigkeit verfügen. Die Positionierungsstruktur und die Abmessungen des Werkstücks müssen analysiert werden, wobei stabile und zuverlässige Bezugspunkte ausgewählt und bei Bedarf zusätzliche Stützen hinzugefügt oder eine Überbestimmung verwendet werden, um die Bauteilsteifigkeit zu erhöhen. Da Titanlegierungen zu Verformungen neigen, sollte die Klemmkraft nicht übermäßig sein; bei Bedarf kann ein Drehmomentschlüssel verwendet werden, um eine stabile Klemmkraft zu gewährleisten. Darüber hinaus ist bei der Verwendung von Vorrichtungen zum Positionieren und Spannen von Titanlegierungsteilen auf eine gute Passung zwischen der Anlagefläche der Vorrichtung und der Anlagefläche des Werkstücks zu achten und die Klemmkraft der Vorrichtung mit der Stützkraft des Werkstücks auszugleichen. Für relativ große Klemmflächen sollte nach Möglichkeit eine verteilte Klemmmethode verwendet werden, um Verformungen durch konzentrierten Druck zu vermeiden. Die Klemmstellen der Vorrichtungsklemmen sollten so nah wie möglich an der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks liegen, um Vibrationen zu reduzieren, die beim Schneiden von Titanlegierungen entstehen.

Die Verwendung von Vorrichtungen, Messwerkzeugen oder verschiedenen temporären Werkzeugen, die Blei, Zink, Kupfer, Zinn, Cadmium oder niedrigschmelzende Metalle enthalten, ist für die Bearbeitung von Titanlegierungen strengstens untersagt. Geräte, Vorrichtungen und Werkzeuge, die für Titanlegierungen verwendet werden, sollten sauber und unkontaminiert gehalten werden. Titanlegierungswerkstücke sollten nach der Bearbeitung umgehend gereinigt werden, und Rückstände von Blei, Zink, Kupfer, Zinn, Cadmium, niedrigschmelzenden Metallen usw. sind auf Titanlegierungsoberflächen nicht zulässig. Für das Bewegen und Handhaben von Titanlegierungswerkstücken sollten spezielle Transportbehälter verwendet werden, um eine Vermischung und Lagerung mit Werkstücken aus anderen Materialien zu vermeiden. Bei der Inspektion und Reinigung fein bearbeiteter Titanlegierungsoberflächen sollten saubere Handschuhe getragen werden, um Ölverunreinigungen und Fingerabdrücke zu vermeiden, die Spannungsrisskorrosion verursachen und die Gebrauchseigenschaften des Titanlegierungswerkstücks beeinträchtigen könnten.

3.4 Schnittparameter

Die wichtigsten Schnittparameter für Titanlegierungen sind Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe, wobei die Schnittgeschwindigkeit der Hauptfaktor ist, der ihre Bearbeitbarkeit beeinflusst. Vergleichende Tests zwischen dem Schneiden mit konstanter Drehzahl und dem Schneiden mit konstanter Oberflächengeschwindigkeit von Titanlegierungswerkstücken zeigen, dass das Schneiden mit konstanter Drehzahl schlechter abschneidet als das Schneiden mit konstanter Oberflächengeschwindigkeit. Wenn die Schnittgeschwindigkeit vc = 60 m/min, der Vorschub f = 0,127 mm/Umdrehung und die Schnitttiefe ap = 0,05–0,1 mm für Titanlegierungen betragen, wird selten eine gehärtete Schicht auf der Titanlegierungsoberfläche gefunden.

Da die gehärtete Schicht hauptsächlich nach dem Schlichten auf der Werkstückoberfläche erscheint, sollte die Schnitttiefe beim Schlichten nicht zu groß sein, da sonst erhebliche Schnittwärme erzeugt wird. Die Ansammlung von Schnittwärme kann zu Veränderungen der metallografischen Struktur der Titanlegierungsoberfläche führen, wodurch leicht eine gehärtete Schicht auf der Bauteiloberfläche entsteht. Eine zu geringe Schnitttiefe kann zu Reibung und Extrusion auf der Werkstückoberfläche führen, was zu Kaltverfestigung führt. Daher muss beim Bearbeiten von Titanlegierungswerkstücken die Schnitttiefe für das Schlichten größer sein als die Größe der Werkzeugschneide (Kantenpräparation).

Die Auswahl des Vorschubs für Titanlegierungen sollte moderat sein. Wenn der Vorschub zu gering ist, schneidet das Werkzeug während der Bearbeitung innerhalb der gehärteten Schicht, was zu schnellerem Verschleiß führt. Der Vorschub kann basierend auf unterschiedlichen Werkzeugnasenradien ausgewählt werden. Beim Schlichten wird im Allgemeinen ein kleinerer Vorschub gewählt, da ein großer Vorschub die Schnittkräfte erhöht, wodurch sich das Werkzeug erhitzt und sich verbiegt oder ausbricht. Tabelle 2 zeigt gängige Parameter für das Schneiden von Titanlegierungen mit verschiedenen Werkzeugtypen und -materialien.

3.5 Kühlsystem

Die Anforderung an Kühlschmierstoff beim Schneiden von Titanlegierungen ist geringe Vernebelung. Für die Bearbeitung von Titanlegierungen sollten Hochdruckkühlwerkzeuge ausgewählt werden, 配合机床高压泵, 冷却压力可达 (60–150) × 10⁵ Pa (ungefähr 60–150 bar). Die Verwendung von Hochdruckkühlwerkzeugen zur Bearbeitung von Titanlegierungen kann die Schnittgeschwindigkeit um das 2- bis 3-fache erhöhen, die Werkzeugstandzeit verlängern und die Spanform von Titanlegierungen verbessern. Bei der Anwendung von Kühlschmierstoff während der Bearbeitung von Titanlegierungen wird die Schnittkraft im Vergleich zum Trockenschneiden von Titanlegierungen um 5 %–15 % reduziert, die Radialkraft um 10 %–15 %, die Schnitttemperatur um 5 %–10 %, und die Oberflächenmorphologie der bearbeiteten Titanlegierung ist besser mit weniger massiver Anhaftung, was dazu beiträgt, eine höhere Oberflächenqualität zu erzielen.

Die derzeit verwendete chemische Emulsion Trim E206, gemischt aus 8 % Konzentrat und 92 % reinem Wasser, mit einer Konzentration von 7 %–9 %, erzielt gute Bearbeitungsergebnisse bei der Verarbeitung von Titanlegierungsmaterialien und kann beim Drehen, Fräsen und Schleifen verwendet werden. Trim E206 enthält spezielle Additive, die die Bildung von Aufbauschneiden wirksam kontrollieren. Der Kühlschmierstoff enthält winzige emulgierte Moleküle, wodurch die Stabilität des Kühlschmierstoffs verbessert und der Austrag während der Bearbeitung reduziert wird, wodurch der Kühlschmierstoff leichter in die Schnittzone gelangen kann. Darüber hinaus hat Trim E206 eine hohe Beständigkeit gegen Ölverunreinigungen, und Rückstände des Kühlschmierstoffs sind leicht in Wasser und der Arbeitsflüssigkeit löslich, was dazu beiträgt, die Sauberkeit der Geräte und der bearbeiteten Oberflächen zu erhalten.

4. Oberflächenintegrität von Titanlegierungen

4.1 Mikrostrukturinspektion von Titanlegierungsschmiedestücken

Die Mikrostrukturinspektion von Titanlegierungen umfasst die Untersuchung der Oberfläche eines geätzten Titanlegierungsteils unter einem Elektronenmikroskop, um die morphologischen Eigenschaften, die Verteilung usw. der Mikrostruktur des Materials zu beobachten, mit dem Ziel zu überprüfen, ob die metallografische Struktur der Titanlegierung den einschlägigen Normen und Zeichnungsspezifikationen entspricht. Die Schritte für die Mikrostrukturinspektion von Titanlegierungsschmiedestücken sind: Grobbearbeitung des Schmiedestücks → Oberflächenpolieren → Oberflächenätzen → Reinigen → Trocknen → mikroskopische Inspektion. Die mikroskopische Inspektion der Ti6Al4V-Titanlegierung ist in Abbildung 2 dargestellt.

a) Oberflächenpolieren      b) Oberflächenätzen

c) Spülen mit Wasser    d) Mikroskopische Untersuchung

Der Zweck der Grobbearbeitung des Schmiedestücks ist die vollständige Entfernung des α-Gehäuses. Die Titanlegierungsoberfläche wird mit Aluminiumoxid-Schleifpapier mit Körnungen von 400#–800# poliert, und die Oberflächenrauheit muss Ra = 0,025 μm oder höhere Anforderungen erreichen. Zum Ätzen wird das Kroll-Reagenz verwendet, das als 2 % HF, 4 % HNO₃ wässrige Lösung hergestellt wird. Eine geeignete Menge Kroll-Reagenz wird auf die polierte Titanlegierungsoberfläche aufgetragen, bis die gewünschte klare Struktur erhalten ist, dann in Wasser gespült und getrocknet. Ein Handelektronenmikroskop wird verwendet, um die Titanlegierungsoberfläche zu inspizieren. Die Struktur sollte 10 %–50 % primäres α enthalten. Die in Abbildung 3 dargestellte Mikrostrukturmorphologie der Ti6Al4V-Titanlegierung stellt eine qualifizierte metallografische Struktur dar.

a) Primäres α in β-transformierter Matrix       b) Diskontinuierliches α an β-Korngrenzen

c) Lamellares α in β-Körnern

4.2 Blaue Anodisierungskorrosionsinspektion für Titanlegierungen

Während der Bearbeitung von Titanlegierungen nimmt die Schlagfestigkeit des Werkzeugs mit dem Freiflächenverschleiß des Werkzeugs allmählich ab, was aufgrund von Extrusion und Überhitzung zu Kaltverfestigung auf der bearbeiteten Oberfläche der Titanlegierung führt. Das blaue Anodisierungskorrosionsverfahren wird üblicherweise verwendet, um Härtung und andere Defekte zu erkennen. Die Oberfläche eines Titanlegierungswerkstücks nach blauer Anodisierungskorrosion ist in Abbildung 4 dargestellt. Nach der Nachbehandlungslösung des anodisierten Titanlegierungswerkstücks sollte die Farbe eines qualifizierten Oxidfilms ein gleichmäßiges Hellblau sein (siehe Abbildung 4a). Kaltverfestigte Titanlegierungswerkstücke zeigen nach der Korrosionsprüfung eine dunkelblaue Oberfläche (siehe Abbildung 4b) oder lokalisierte dunklere Bereiche (siehe Abbildung 4c) mit ungleichmäßiger Farbverteilung über verschiedene Bereiche.

a) Gleichmäßiges Hellblau      b) Dunkelblau      c) Lokalisiertes Dunkelblau

Nach der blauen Anodisierungskorrosion können für Teile, die Kaltverfestigung aufweisen, Methoden wie die Anpassung des Schneidwerkzeugmaterials, der Beschichtung und der Schneidwinkel für die Bearbeitung von Titanlegierungen, die Optimierung der Werkzeugwege und der Schnittparameter verwendet werden, um die Kaltverfestigung zu kontrollieren und zu beseitigen.

4.3 Oberflächenveredelung von Titanlegierungen

Um Oberflächenfehler von Titanlegierungsverdichterscheiben, Naben, Laufrädern, Wellen und Rotorscheiben zu entfernen und die Lebensdauer der Teile zu verbessern, kann nach Abschluss aller mechanischen Bearbeitungsvorgänge an dem Titanlegierungswerkstück eine manuelle Lamellenscheiben-Veredelung zur Oberflächenveredelung verwendet werden. Für die Lamellenscheiben-Veredelung sind die in Abbildung 5 dargestellten Veredelungswerkzeuge erforderlich: ein Rotationsluftwerkzeug (Drehzahl 18.000 U/min), ein Polierdorne und Schleifgewebe aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid (Spezifikation 10 mm × 20 mm, Körnung 120#).

a) Rotationsluftwerkzeug       b) Polierdorne        c) Schleifgewebe

Die Innenrillenveredelung eines Titanlegierungswerkstücks ist in Abbildung 6 dargestellt. Um gute Veredelungsergebnisse zu erzielen, können folgende Methoden angewendet werden:

1. Falten Sie das Aluminiumoxid-Schleifgewebe der Länge nach und stecken Sie es fest in den Klemmschlitz am vorderen Ende des Polierdorns. Ziehen Sie es in der entgegengesetzten Richtung der Drehrichtung des Dorns fest. Wechseln Sie nach der Veredelung jedes Werkstückoberflächenbereichs zu einem neuen Schleifgewebe (siehe Abbildung 6a).

2. Das rotierende Schleifgewebe sollte sich ein oder zwei Zyklen lang über die Titanlegierungsoberfläche hin- und herbewegen, wobei jeder Zyklus 10–30 Sekunden dauert, mit einer Hin- und Herbewegungsgeschwindigkeit von etwa 1,57 mm/s (siehe Abbildung 6b).

3. Wechseln Sie beim Veredeln verschiedener Oberflächen des Titanlegierungswerkstücks das Schleifgewebe zwischen den Zyklen. Verwenden Sie während der manuellen Veredelung einen geeigneten Stoppschlüssel oder eine mechanische Tiefenanschlagvorrichtung, um den Durchgang des rotierenden Schleifgewebes zu steuern.a) Schleifgewebeinstallation     b) Rotationspolieren

5. Fazit

Titanlegierung ist ein typisches schwer zu bearbeitendes Material. Aufgrund hoher Schnittkräfte, hoher Schnitttemperaturen und starkem Werkzeugverschleiß während der Bearbeitung ist die Auswahl geeigneter Werkzeugmaterialien und Einsatzgeometrien die größte Herausforderung bei der Bearbeitung von Titanlegierungen. Ti-haltige Hartmetallwerkzeuge haben eine gute Diffusionsverschleißfestigkeit. Während des Schneidens bildet sich eine stabile Titanlegierungs-Haftschicht auf der Werkzeugoberfläche, die den Verschleiß hemmen kann. Mit der Entwicklung inländischer Werkzeuge hat sich die Bearbeitungseffizienz von Titanlegierungen allmählich verbessert, wodurch Bearbeitungskosten gespart und eine positive Rolle bei der Realisierung der Gesamtlokalisierung von Triebwerken gespielt wird. In der Produktionspraxis sollte die Bearbeitung von Titanlegierungen auf den bestehenden Unternehmensbedingungen in Bezug auf Technologie, Ausrüstung, Management und Kosten basieren. Es sollten vernünftige Positioniervorrichtungen ausgewählt und die Schnittparameter mithilfe der Informationsdatenplattform des Unternehmens optimiert werden, wodurch sich das Unternehmen allmählich von dem umfassenden Bearbeitungskonzept entfernt, Parameter nur aufgrund von Erfahrung und Analogie auszuwählen.

Durch die Durchführung von Mikrostrukturinspektionen an Titanlegierungsschmiedestücken kann die metallografische Struktur von grob bearbeiteten Titanlegierungen verglichen und bewertet werden. Die Fertigbearbeitung kann Bearbeitungs- und Materialfehler auf der Titanlegierungsoberfläche effektiv beseitigen und die Lebensdauer des Werkstücks verbessern. Die blaue Anodisierungskorrosionsprüfung kann Defekte wie Kaltverfestigung, die während der Bearbeitung von Titanlegierungen auftreten, effektiv identifizieren. Die effektive Kontrolle der Oberflächenintegrität von bearbeiteten Titanlegierungen ist von großer Bedeutung für die Stabilisierung der Bearbeitungsqualität von Titanlegierungen und die Verbesserung der Lebensdauer von Titanlegierungswerkstücken.