Il titanio è un metallo altamente desiderabile in vari settori grazie alle sue eccellenti proprietà come l'elevato rapporto resistenza/peso, la buona resistenza alla corrosione e l'elevato punto di fusione. In qualità di fornitore di lavorazione del titanio, ho assistito in prima persona alle sfide e alle complessità associate alla lavorazione di questo straordinario materiale. Uno degli aspetti chiave che incidono in modo significativo sull’efficienza e sul rapporto costo-efficacia della lavorazione del titanio sono i meccanismi di usura degli utensili da taglio.
Usura abrasiva
L'usura per abrasione è uno dei meccanismi di usura più comuni nella lavorazione del titanio. Le leghe di titanio contengono particelle dure come carburi e composti intermetallici. Durante il processo di taglio, queste particelle dure agiscono come minuscoli taglienti, raschiando e abradendo la superficie dell'utensile da taglio. Il movimento relativo tra l'utensile e il pezzo provoca una rimozione meccanica di materiale dal tagliente dell'utensile.
L'elevata durezza delle leghe di titanio le rende particolarmente abrasive. Mentre l'utensile da taglio si muove attraverso il pezzo, le particelle dure nella lega di titanio possono solcare e scanalare la superficie dell'utensile, usurandolo gradualmente. Questo tipo di usura è spesso caratterizzato dalla formazione di scanalature e graffi sulla faccia e sul fianco dell'utensile. L'usura abrasiva può portare ad una diminuzione dell'affilatura del tagliente, che a sua volta aumenta le forze di taglio e il consumo energetico. Influisce anche sulla finitura superficiale del pezzo lavorato, poiché un utensile usurato può lasciare superfici ruvide e irregolari.
Per mitigare l'usura abrasiva, vengono spesso utilizzati materiali per utensili con elevata durezza e resistenza all'usura. Ad esempio, gli utensili in metallo duro con un'elevata percentuale di carburo di tungsteno possono fornire una migliore resistenza all'usura abrasiva. Inoltre, la geometria corretta dell'utensile, come un tagliente affilato e angoli di spoglia e spoglia adeguati, può ridurre l'area di contatto tra l'utensile e il pezzo, minimizzando così l'azione abrasiva.
Usura adesiva
L'usura adesiva si verifica quando il materiale del pezzo aderisce alla superficie dell'utensile da taglio durante il processo di taglio. Nella lavorazione del titanio, l'elevata temperatura e pressione sull'interfaccia utensile-pezzo favoriscono l'adesione dei trucioli di titanio all'utensile. Il titanio ha una forte affinità con molti materiali per utensili e, nelle condizioni estreme di lavorazione, i trucioli possono saldarsi o aderire alla superficie dell'utensile.
Una volta che i trucioli aderiscono allo strumento, possono causare diversi problemi. Innanzitutto, il materiale aderito modifica la geometria del tagliente, alterando le forze di taglio e la qualità della superficie lavorata. In secondo luogo, mentre l'utensile continua a tagliare, il materiale aderito potrebbe rompersi, trascinando con sé parte del materiale dell'utensile, provocando ulteriore usura. Questo processo è noto come formazione del bordo di costruzione (BUE). Un tagliente di riporto può causare una scarsa finitura superficiale, imprecisioni dimensionali e una maggiore usura dell'utensile.
Per prevenire l'usura adesiva, lubrificanti e refrigeranti svolgono un ruolo cruciale. Possono ridurre la temperatura e l'attrito nell'interfaccia utensile-pezzo, impedendo ai trucioli di aderire all'utensile. Anche i rivestimenti sugli utensili da taglio possono essere efficaci. Ad esempio, i rivestimenti in nitruro di titanio (TiN) possono fungere da barriera tra l’utensile e il pezzo in lavorazione, riducendo l’adesione dei trucioli di titanio.
Usura per diffusione
L'usura per diffusione è un meccanismo di usura attivato termicamente. Alle alte temperature generate durante la lavorazione del titanio, gli atomi del materiale dell'utensile e del pezzo possono diffondersi attraverso l'interfaccia utensile-pezzo. Nella lavorazione del titanio, gli atomi di titanio possono diffondersi nel materiale dell'utensile e viceversa. Questo processo di diffusione modifica la composizione chimica e le proprietà della superficie dell'utensile.
La diffusione degli atomi di titanio nel materiale dell'utensile può causare la formazione di composti intermetallici fragili. Questi composti sono spesso più soggetti a fessurazioni e scheggiature, con conseguente usura accelerata dell'utensile. L'usura per diffusione è più pronunciata a velocità di taglio e avanzamenti elevati, dove la temperatura all'interfaccia utensile-pezzo è più elevata.
Per combattere l'usura per diffusione, sono preferiti materiali per utensili con bassa solubilità con il titanio. Ad esempio, gli utensili in ceramica e in nitruro di boro cubico (CBN) hanno velocità di diffusione relativamente basse con il titanio, il che li rende adatti alla lavorazione del titanio ad alta velocità. Inoltre, l’utilizzo di fluidi da taglio con buone proprietà di raffreddamento può aiutare a ridurre la temperatura all’interfaccia, rallentando il processo di diffusione.
Usura chimica
L'usura chimica nella lavorazione del titanio è dovuta principalmente alle reazioni chimiche tra il materiale dell'utensile e il pezzo o l'ambiente circostante. Il titanio è un metallo altamente reattivo e può reagire con il materiale dell'utensile e il fluido da taglio in determinate condizioni.
Ad esempio, in presenza di ossigeno e di alte temperature, il titanio può formare ossidi di titanio sulla superficie dell'utensile. Questi ossidi possono essere abrasivi e possono causare ulteriore usura sull'utensile. Inoltre, alcuni fluidi da taglio possono contenere sostanze chimiche che possono reagire con il materiale dell'utensile, provocando corrosione e usura.
Per ridurre al minimo l'usura chimica, è essenziale la corretta selezione dei fluidi da taglio. I fluidi da taglio dovrebbero essere scelti in base alla loro compatibilità chimica con l'utensile e il pezzo da lavorare. Inoltre, l'utilizzo di rivestimenti protettivi sull'utensile può impedire il contatto diretto tra il materiale dell'utensile e il titanio reattivo, riducendo la probabilità di reazioni chimiche.
Implicazioni per i fornitori di lavorazione del titanio
In qualità di fornitore di lavorazione del titanio, comprendere questi meccanismi di usura è fondamentale per diversi motivi. In primo luogo, aiuta a selezionare gli utensili da taglio giusti per le diverse operazioni di lavorazione del titanio. Ad esempio, per le operazioni di sgrossatura in cui sono richieste elevate velocità di rimozione del materiale, sono preferibili utensili in grado di resistere all'usura abrasiva e adesiva. Per le operazioni di finitura, dove la finitura superficiale è fondamentale, possono essere più adatti utensili con buona resistenza alla diffusione e all'usura chimica.
In secondo luogo, la conoscenza dei meccanismi di usura consente una migliore pianificazione del processo. Regolando i parametri di taglio come velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio, possiamo controllare la temperatura e le forze sull'interfaccia utensile-pezzo, riducendo l'usura dell'utensile. Ad esempio, riducendo la velocità di taglio è possibile abbassare la temperatura, riducendo così la diffusione e l'usura chimica.
Inoltre, comprendere i meccanismi di usura aiuta a migliorare la qualità delle parti lavorate. Un utensile da taglio ben mantenuto e con un'usura minima può produrre parti con finitura superficiale, precisione dimensionale e proprietà meccaniche migliori. Ciò è essenziale per soddisfare i severi requisiti dei nostri clienti in settori quali quello aerospaziale, medico e automobilistico.
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Riferimenti
- Astakhov, vicepresidente (2010). Meccanica del taglio dei metalli. Elsevier.
- Shaw, MC (2005). Principi del taglio dei metalli. Stampa dell'Università di Oxford.
- Trent, EM e Wright, PK (2000). Taglio dei metalli. Butterworth-Heinemann.
