Точная механическая обработка деталей из титана. Обработка титана: изначальные свойства материала, трудности и виды обработки, принцип работы, приемы и рекомендации специалистов. Требования к инструменту

Существует группа металлов обработка которых требует создание особых условий с учетом повышенной твердости их структуры. Одним из элементов данной группы является титан, обладающий высокой прочностью и требующий применения специальной технологии обработки, с использованием токарных станков с ЧПУ и особо прочный инструмент. Обработка титана на токарном станке широко используется в технологических процессах для изготовления необходимых изделий в различных отраслях промышленности. Титан применяется в аэрокосмической отрасли, где его использование достигает 9 % от общего объема материалов.

Особые условия обработки металла

Титан – особо прочный, легкий, серебристый метал стойкий к воздействию процесса ржавления. Высокая устойчивость к воздействию внешней среды обеспечивается за счет образования на поверхности материала защитной пленки TiO 2 . Негативное воздействие на титан могут оказывать вещества содержащие щелочь, что приводит к потере прочностных характеристик.

Высокая прочность титана требует создания особых условий во время резания детали с использованием токарного станка с ЧПУ и инструмент из сверхпрочного сплава.

В обязательном порядке необходимо учитывать:

• металл очень вязкий и когда производится его токарная обработка с использованием токарного станка, сильно нагревается, что приводит к налипанию титановых отходов на режущий инструмент;
• мелкая дисперсная пыль, образующаяся во время обработки, может детонировать, что требует особой осторожности и соблюдения мер безопасности;
• для резания титана требуется специальное оборудование, обеспечивающее необходимый режим резания;
• титан обладает низкой теплопроводностью, что требует для резания специально подобранный режущий инструмент.

После выполнения процесса, когда завершена обработка изделия из титана для создания прочной защитной пленки деталь нагревают, а затем охлаждают на открытом воздухе.

Соблюдение технологии обработки титановых сплавов

Для резания заготовок из титана применяются токарные станки с ЧПУ и специальный режущий инструмент, а процесс делится на ряд операций, каждая из которых выполняется по особой технологии.

Операции обработки на токарных станках делятся:

• предварительные;
• промежуточные;
• основные.

Необходимо также учитывать возникающую вибрацию при обработке заготовок из титановых сплавов, появляющуюся при операциях на токарных станках. Частично эту проблему удается решить с помощью многоступенчатого крепежа заготовок с расположением как можно ближе к шпинделю. Для уменьшения влияния температуры при обработке лучшим вариантом является использование резцов из мелкозернистых твердых сплавов без покрытия и пластин со специальным покрытием PVD.

При резании 85-90% всей энергии превращается в тепловую энергию, которая поглощается частично стружкой, резцом, обрабатываемой деталью и охлаждающей жидкостью. Температура в зоне обработки детали может достигать 1000-1100 °С.

При обработке заготовок на токарном станке учитываются три основных параметра:

• угол фиксации инструмента (K r);
• размерность подачи (F n);
• скорость резания (V e).

С помощью регулирования данных параметров производится изменение температурного режима резания. Для различных режимов, когда проводится обработка, устанавливаются и регулирующие параметры:

• предварительного – до 10 мм производится снятие верхнего слоя с титановой заготовки с образованием припуска 1 мм (K r -3 -10 мм, F n – 0,3 — 0,8 мм, V e — 25 м/мин);
• промежуточного – 0,5 – 4 мм, удаляется верхний слой с образованием ровной поверхности с припуском 1 мм (K r – 0,5 – 4 мм, F n – 0,2 – 0,5 мм, V e — 40 — 80 м/мин).
• основного – 0,2 – 0,5 мм, чистовая обработка с удалением припуска (K r – 0,25 – 0,5 мм, F n – 0,1 – 0,4 мм, V e — 80 — 120 м/мин).

Обработка заготовок из титана ведется с обязательной подачей специальной эмульсии охлаждающей инструмент под давлением для обеспечения нормального температурного режима. При использовании более глубокого реза необходимо снижать скорость обработки титана, меняя режимы работы.

Подбор необходимого инструмента

Требования к обрабатывающему инструменту для титана достаточно высоки и для работы в основном применяются резцы, со сменными головками используемые на станках с ЧПУ. Инструмент в ходе рабочего процесса подвергается изнашиванию: абразивному, адгезийному и диффузному. При диффузном изнашивании происходит взаимное растворение материала режущего инструмента и титановой заготовки. Особо активно эти процессы протекают при температуре 900 — 1200 °С.

Подборка ведется с учетом режима обработки:

• при предварительном процессе используются пластины круглой или квадратной формы (iC 19) изготовленные из специального сплава H 13 A без покрытия;
• при промежуточном процессе, используются пластины круглой формы, изготовленные из сплава H 13 A, GC 1115 с покрытием PDV;
• при основном процессе, используются пластины со шлифовальными режущими кромками изготовленные из сплавов H 13 A, GC 1105 и CD 10.

При процессе воздействия на титановую заготовку с использованием специальных резцов применяются высокоточные токарные станки с ЧПУ и различные режимы обеспечивающие автоматизацию проводимых операций и высокое качество изготавливаемых деталей. Размеры готовой детали должны иметь нулевое или минимальное отклонение от заданных параметров согласно техническому заданию.

Актуальность

Для изготовления конструкций и деталей из титановых сплавов применяются всевозможные виды механической обработки: шлифование, точение, сверление, фрезерование, полирование.
Одной из важных особенностей при механической обработке деталей из титана и сплавов является то, что необходимо обеспечить ресурсные, в особенности усталостные характеристики, в значительной степени зависящие от качеств поверхностного слоя, который формируется при холодной обработке. Из-за низкой теплопроводности и др. специфических свойств титана, проведение шлифования как завершающей стадии обработки затруднено. Во время шлифовки очень легко могут образовываться прижоги, в поверхностном слое могут возникать дефектные структуры и остаточные напряжения, растяжения, которые существенно влияют на снижение усталостной прочности изделий. Поэтому, шлифование деталей из титана обязательно проводится при пониженных скоростях и в случае необходимости может быть заменено на лезвийную либо абразивную обработку низкоскоростными методами. В случае же применения шлифования, оно должно проводиться с применением строго регламентированных режимов с проведением последующего контроля поверхности деталей на наличие прижогов и сопровождаться улучшением качеств детали за счет упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Сложности

Из-за высоких прочностных свойств титан плохо поддаются обработке резанием . Он имеет высокое соотношение предела текучести ко времени сопротивления разрыву примерно 0,85−0,95. Например, для стали этот показатель не превышает 0,75. Как результат, при механической обработке титановых сплавов необходимы большие усилия, что из-за низкой теплопроводности влечет за собой значительное повышение температуры в поверхностных слоях разреза и затрудняет охлаждение зоны резки. Из-за сильной адгезии титан накапливается на режущей кромке, что значительно повышает силу трения. Кроме того, приваривание и налипание титана в местах соприкосновения поверхностей приводит к изменению геометрии инструмента. Такие изменения, изменяющие оптимальную конфигурацию, влекут за собой дальнейшее повышение усилий для обработки, что, соответственно, приводит к еще большему повышению температуры в точке контакта и ускорению износа. Больше всего на повышение температуры в рабочей зоне влияет скорость резания, в меньшей степени это зависит от усилия подачи инструмента. Наименьшее влияние на повышение температуры оказывает глубина проведения резания.

Под действием высоких температур при резании происходит окисление титановой стружки и обрабатываемой детали. Это влечет в последующем для стружки проблему, связанную с ее утилизацией и переплавкой. Аналогичный процесс для обрабатываемой детали в последующем может привести к ухудшению ее эксплуатационных характеристик.

Сравнительный анализ

Процесс холодной обработки титановых сплавов по трудоемкости в 3−4 раза сложнее, чем обработка углеродистых сталей, и в 5−7 раз — чем обработка алюминия. По информации ММПП «Салют», сплавы титана ВТ5 и ВТ5−1 в сравнению с углеродистых сталью (с 0,45% С), имеют коэффициент относительной обрабатываемости 0,35−0,48, а для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22 этот показатель еще меньше и составляет 0,22−0,26. Рекомендуется при механической обработке использовать низкую скорость резки при небольшой подаче, используя для охлаждения большое количество охлаждающей жидкости. При обработке изделий из титана применяются режущие инструменты из наиболее износостойкой быстрорежущей стали, предпочтение отдается твердым сортам сплавов. Но даже при выполнении всех предписанных условий для резания, скорости должны быть уменьшены, по крайней мере, в 3−4 раза, по сравнению с обработкой стали, что должно обеспечить приемлемую стойкость инструмента, особенно это важно при работе на станках с ЧПУ.

Оптимизация

Температуру в зоне резки и усилие для резания можно существенно снизить, увеличив содержание водорода в сплаве, вакуумным отжигом и соответствующей механической обработкой. Проведение легирования сплавов из титана при помощи водорода дает в конечном итоге значительное снижение температуры в зоне резания, дает возможность снизить силу резания, повышает стойкость твердосплавного инструмента до 10 раз в зависимости от природы сплава и режима резания. Этот способ дает возможность увеличить скорость обработки в 2 раза без потери качества, а также увеличивать усилие и глубину при проведении резания без снижения скорости.

Для механической обработки деталей из сплавов титана широкое применение получили технологические процессы, которые позволяют совместить несколько операций в одну за счет использования многоинструментального оборудования. Наиболее целесообразно такого рода технологические операции проводить на многооперационных станках (обрабатывающих центрах). К примеру, для изготовления силовых деталей из штамповок применяются станки МА-655А, ФП-17СМН, ФП-27С; деталей типа «кронштейн», «колонка», «корпус» из фасонной отливки и штамповки — станки «Горизонт», Me-12−250, МА-655А, листовых панелей — станок ВФЗ-М8. На этих станках при обработке большинства деталей реализован принцип «максимальной» законченности обработки в одной операции, что достигается благодаря последовательной обработке детали с нескольких сторон на одном станке при помощи нескольких установленных на нем приспособлений.

Фрезерование

Из-за необходимости приложения больших усилий для механической обработки сплавов титана применяются, как правило, крупные станки (ФП-7, ФП-27, ФП-9, ВФЗ-М8 и т. п.). Фрезерование является самым трудоемким процессом во время изготовления деталей. Особенно большой объем таких работ приходится на изготовление силовых деталей каркасов самолета: нервюры, шпангоуты, балки, лонжероны, траверсы.

При фрезеровании деталей типа «траверса», «балки», «нервюра» используется несколько методов. 1) При помощи специальных гидравлических или механических копиров на универсально-фрезерных станках. 2) По копирам на копирно-фрезерных гидравлических станках. 3) На станках с ЧПУ типа МА-655С5, ФП-11, ФП-14. 4) При помощи трехкоординатных станков с ЧПУ. При этом используют: специальные сборные фрезы с изменяемым во время обработки углом; фасонные вогнутые и выпуклые фрезы радиационного профиля; концевые фрезы с подведением к цилиндрической поверхности детали плоскости стола под необходимым углом.

Для обработки авиационных материалов в нашей стране создано множество станков, которые не уступают мировым стандартам, а некоторые из них не имеют аналогов за границей. Например, станок ВФ-33 с ЧПУ (продольно-фрезерный трёхшпиндельный трёхкоординатный) назначение которого одновременная обработка тремя шпинделями панелей, монорельсов, нервюр, балок и других такого рода деталей для тяжелых и легких самолетов.
Станок 2ФП-242 В, имеющий два подвижных портала и ЧПУ (продольно-фрезерный трехшпиндельный четырехкоординатный) разработан для обработки габаритных лонжеронов и панелей при для тяжелых и широкофюзеляжных самолетов. Станок ФРС-1, оснащенный подвижной колонной, горизонтально-фрезерно-расточный, 15-ти координатный с ЧПУ — предназначен для обработки стыковых поверхностей центроплана и крыла широкофюзеляжных самолетов. СГПМ-320, гибкий производственный модуль, в состав которого входят токарный станок, ЧПУ АТ-320, магазин на 13 инструментов, манипулятор автоматический для съема и установки деталей для ЧПУ. Гибкий производственный комплекс АЛК-250, созданный для производства прецизионных деталей для корпуса гидроагрегатов.

Инструменты

Чтобы обеспечить оптимальные условия резания и высокое качество поверхности деталей, необходимо строгое соблюдение геометрических параметров инструмента из твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Резцы с пластинками из твердого сплава ВК8 применяются для точения кованых заготовок. Рекомендуются следующие геометрические параметры резцов во время обработки по газонасыщенной корке: главный угол в плане φ1 =45°, вспомогательный угол в плане φ =14°, передний угол γ=0°; задний угол α = 12°.При следующих режимах резания: подача s = 0,5 — 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм, скорость резания v = 25 — 35 м/мин. Для проведения чистового и получистового непрерывного точения можно применить инструменты из твердых сплавов ВК8, ВК4, ВКбм, ВК6 и др. при глубине резания 1−10 мм, скорость резки составляет v = 40−100 мм/мин, а подача должна составлять s = 0,1−1 мм/об. Могут так же применяться инструменты из быстрорежущей стали (Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5). Для резцов, изготовленных из быстрорежущей стали, разработана следующая геометрическая конфигурация: радиус при вершине r = 1 мм, задний угол α = 10°, φ = 15°. Допустимые режимы резки при точении титана достигаются при глубине резки t = 0,5−3 мм, v = 24−30 м/мин, s <0,2 мм.

Твердые сплавы

Проведение фрезерных работ с титаном затрудняет налипание титана на зубья фрезы и их выкашивание. Для изготовления рабочих поверхностей фрез используются твердые сплавы ВК8, ВК6М, ВК4 и быстрорежущие стали Р6М5К5, Р9К5, Р8МЗК6С, Р9М4К8, Р9К10. Для проведения фрезеровки титана при помощи фрез с пластинами из сплава ВК6М рекомендуется использовать следующий режим резания: t = 2 — 4 мм, v = 80 — 100 м/мин, s =0,08−0,12 мм/зуб.

Сверление

Проведение сверления титана затрудняет налипание стружки на рабочую поверхность инструмента и ее набивание в отводящие канавки сверла, что ведёт к повышению сопротивления резанию и быстрому износу режущей кромки. Для предупреждения этого рекомендуется при проведении глубокого сверления периодически проводить очистку инструмента от стружки. Для сверления применяют инструменты из быстрорежущих сталей Р12Р9К5, Р18Ф2, Р9М4К8, Р9К10, Р9Ф5, Ф2К8МЗ, Р6М5К5 и твердого сплава ВК8. При этом рекомендуются следующие параметры геометрии сверл: для угла наклона спиральной канавки 25−30, 2φ0 = 70−80°, 2φ = 120−130°, α = 12−15°, φ = 0−3°.

Для повышения производительности при обработке титановых сплавов резанием и увеличения стойкости применяемого инструмента используют жидкости типа РЗ СОЖ-8. Они относятся к галлоидосодержащим смазывающе-охлаждающим. Охлаждение обрабатываемых деталей проводится методом обильного орошения. Применение галлоидосодержащих жидкостей при обработке влечет за собой образование солевой корки на поверхности титановых деталей, которая с учетом нагрева и одновременного действия напряжения может вызвать солевую коррозию. Для предотвращения этого после обработки с применением РЗ СОЖ-8 детали подвергаются облагораживающему травлению, во время которого снимается поверхностный слой толщиной до 0,01 мм. Во время проведения сборочных операций применение РЗ СОЖ-8 не допускается.

Шлифовка

На обрабатываемость титановых сплавов существенно влияет их химический и фазовый состав, тип и параметры микроструктуры. Наиболее затруднена обработка титановых полуфабрикатов и деталей, имеющих грубую пластинчатую структуру. Такого рода структура имеется у фасонных отливок. Кроме того, фасонные отливки из титана имеют газонасыщенную корку на поверхности, которая сильно влияет на износ инструмента.

Проведение шлифовки титановых деталей затруднено из-за высокой склонности контактного схватывания во время трения. Оксидная поверхностная пленка легко разрушается во время трения под действием удельных нагрузок. В процессе трения в местах соприкосновения поверхностей происходит активное перенесение материала из обрабатываемой детали на инструмент («схватывание»). Способствуют этому так же и другие свойства сплавов титана: более низкая теплопроводность, повышение упругой деформации при сравнительно низком модуле упругости. Из-за выделения тепла на трущейся поверхности утолщается оксидная пленка, что в свою очередь повышает прочность поверхностного слоя.

При обработке деталей из титана применяются ленточное шлифование и шлифование абразивными кругами. Для промышленных сплавов наиболее распространено применение абразивных кругов из зеленого карбида кремния, который обладает большой твердостью и хрупкостью при стабильности физико-механических свойств с более высокими абразивными способностями, чем у черного карбида кремния.

Купить, цена

Компания ООО «Электровек-сталь» реализует металлопрокат по оптимальной цене. Она формируется с учетом ставок на LME (London metal exchange) и зависит от технологических особенностей производства без включения дополнительных затрат. Поставляем полуфабрикаты из титана и его сплавов в широком ассортименте. Все партии изделий имеют сертификат качества на соответствие требованиям стандартов. У нас вы можете купить оптом самую различную продукцию для масштабных производств. Широкий выбор, исчерпывающие консультации наших менеджеров, доступные цены и своевременность поставки определяют лицо нашей компании. При оптовых покупках действует система скидок

Титановые сплавы широко используются в современ­ной технике, поскольку их высокие механические свойства и коррозионная стойкость сочетаются с малым удельным весом. Разработаны сплавы различного состава и свойст­ва, например: технически чистый титан (ВТ1, ВТ2), сплавы систем титан-алюминий (ВТ5), титан-алюми­ний-марганец (ВТ4, ОТ4), титан-алюминий-хром- молибден (ВТЗ) и др. По общей классификации трудно­обрабатываемых материалов титановые сплавы сведены в VII группу (табл. 11.11).

Так же, как нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы имеют ряд особенностей, обусловливающих их низкую обрабатываемость.

1. Малая пластичность, характеризуемая высоким коэффициентом упрочнения, примерно в два раза большим, чем у жаропрочных материалов. Вместе с тем механические характеристики титановых сплавов по сравнению с жаропрочными меньше. Пониженные пластические свойства титановых сплавов в процессе их деформации способствуют развитию опережающих микро- и макротрещин.

Образуемая стружка по внешнему виду напоминает сливную, имеет трещины, разделяющие ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связан­ные тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой стружки объясняется тем, что с увеличением скорости пластическая деформация при высоких температуре и давлении протекает в основном в контактном слое, не затрагивая срезаемый слой. Поэтому при высоких скоростях резания образуется не сливная, а элементная стружка.

Углы сдвига при резании титановых сплавов достигают 38...44°, в этих условиях при скоростях резания, больших 40 м/мин, возможно образование стружки с коэффициен­том укорочения K l < 1, т. е. стружка имеет большую длину, чем путь резания. Подобное явле­ние объясняется высокой химической активностью титана.

Пониженная пластичность приводит к тому, что при обработке титановых сплавов сила Р Z примерно на 20 % ниже, чем при обработке сталей, а силы Р у и Р х - выше. Это различие указывает на характерную особен­ность титановых сплавов - силы резания на задней по­верхности при их обработке относительно больше, чем при обработке сталей. Как следствие, при увеличении износа силы резания, особенно Ру, резко возрастают.

2. Высокая химическая активность к кислороду, азоту, водороду. Это вызывает интенсивное охрупчивание поверхностного слоя сплавов вследствие диффузии в него атомов газов при повышении температуры. Насыщенная атмосферными газами стружка теряет пластичность и в этом состоянии не подвергается обычной усадке.

Высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха в 2…3 раза снижает площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что не наблюдается при обработке конструкционных сталей. Вместе с тем окисление контактного слоя стружки повы­шает ее твердость, увеличивает контактные напряжения и температуру резания, а также повышает интенсивность изнашивания инструмента.

3. Титановые сплавы имеют чрезвычайно плохую тепло­проводность, более низкую, чем у жаропрочных сталей и сплавов. Как следствие, при резании титановых сплавов возникает температура, более чем в 2 раза превышающая уровень температур при обработке стали 45.

Высокая температура в зоне резания вызывает интенсивное наростообразование, схватывание обрабатываемо­го материала с материалом инструмента и появление задиров на обработанной поверхности.

4. Вследствие содержания в титановых сплавах нитри­дов и карбидов материал режущего инструмента в сильной степени подвержен абразивному воздействию. Однако при повышении температуры титановые сплавы сильнее снижают свою прочность, чем нержавеющие и жаропроч­ные стали и сплавы. Обработка резанием по корке многих кованых, прессованных или литых заготовок из титановых сплавов затруднена дополнительным абразивным воз­действием на режущие кромки инструмента неметалли­ческих включений, оксидов, сульфидов, силикатов и много­численных пор, образующихся в поверхностном слое. Неоднородность структуры снижает виброустойчивость процесса обработки титановых сплавов. Эти обстоятельст­ва, а также концентрация значительного количества теплоты в пределах небольшой площадки контакта на передней поверхности приводят к преобладанию хрупкого изнашивания с периодическим скалыванием по передней и задней поверхностям и выкрашиванию режущей кромки. При высоких скоростях резания интенсифицируется теп­ловое изнашивание, на передней поверхности резца разви­вается лунка. Во всех случаях, однако, лимитирующим является износ его задней поверхности.

Уровень скорости резания V T при обработке титановых сплавов в 2,5…5 раз ниже, чем при обработке стали 45 (см. табл. 11.11).

5. При обработке титановых сплавов особое внимание необходимо уделять вопросам техники безопасности, так как образование тонкой стружки и тем более пыли может привести к ее самовоспламенению и интенсивному горе­нию. Кроме того, пылеобразная стружка вредна для здоровья. Поэтому не допускается работа с подачами менее 0,08 мм/об, использование затупленного инстру­мента с износом более 0,8...1,0 мм и со скоростями резания более 100 м/мин, а также скопление стружки в большом объеме (исключение делается для сплава ВТ1, обработка которого разрешается при скоростях резания до 150 м/мин).

При обработке титановых сплавов широко используют­ся технологические среды (табл. 11.12).

Правильный выбор СОТС может повысить период стойкости инструмента в 1,5…3 ра­за, снизить высоту микронеровностей в 1,5…2 раза. Харак­терной особенностью использования СОТС при обработке титановых сплавов является малая эффективность при­садок, содержащих серу, азот, фосфор, поскольку эти элементы хорошо растворимы в титане. Гораздо более эффективны в качестве присадок галогены, и в первую очередь йод.

По сравнению с другими металлами, механическая обработка титана нуждается в более высоком требовании и выполняется в больших ограничениях. Сплавы из титана обладают некоторыми свойствами, которые способны значительно влиять как на процесс резания, так и на материал, который подвергается резанию. Если режим и инструмент выбраны правильно, а так же надежно закреплена заготовка, процесс металлообработки титана . будет высокоэффективным. Так же можно избежать многих проблем, которые часто возникают при обработке титана , просто нужно преодолеть влияние, которое оказывает титан на процесс металлообработки .

Многие свойства, которые придают титану статус привлекательного материала для изготовления деталей, оказывают значительный эффект на его обрабатываемость, а именно:
• имеет более низкую упругость и легче подвергается упругости, в отличие от стали;
• высокая прочность по отношению к своему весу, причем его плотность составляет 60% плотности стали;
• низкая теплопроводность;
• более высокая стойкость к коррозии, чем нержавеющая сталь;

Все свойства перечисленные выше означают, что титан обладает высокими и концентрированными силами при его обработке. Это часто производит вибрацию при обработке и ведет к быстрому износу режущей детали. Кроме этого, титан плохо проводит тепло. Поэтому обработка титана требует от качества инструмента высокой стойкости.

Трудности механической обработки титана

Считается, что титан трудно поддается обработке, но это типично для современных станков, инструментов и методов обработки. Частично трудности в - это новая область, в которой пока еще не набрано хорошее количество опыта. Титан так же может казаться более трудным в обработке по сравнению с другими металлами, такими как: чугун или низколегированные стали. Механическую обработку титана , следует выполнять при других подачах и скоростях, нежели в сравнении с другими металлами, но все же он может быть довольно легок в обработке. Если деталь титана, жестко зажата на станке, в хорошем состоянии и оборудованным специальным шпинделем конусной формы ISO 50, с коротким вылетом инструмента – проблем возникать не должно, при условии что режущий инструмент выбран правильно.

Но стабильные и идеальные условия не всегда присутствуют при фрезеровании. Кроме этого, многие детали из титана имеют сложную форму узкими, мелкими или глубокими и большими карманами, тонкими фасками и стенками. Для правильной и успешной обработки этих форм неизбежно потребуется инструмент более длинного размера, что быстрее может вести к деформации инструмента. Да и потенциальные проблемы с вибрации часто возникают при обработке металла.

Как бороться с вибрацией и теплом при механической обработке титана

: Большинство станков оснащены шпинделями с ISO 40 конусом. Из-за интенсивной эксплуатации этих станков они не долго остаются в новом состоянии. Обработка титана , как правило, включает в себя контурную обработку, разрезание канавок или обработку кромок, а все эти операции способны приводить к вибрации. Поэтому необходимо принимать меры для ее предотвращения, по возможность повышение мощности закрепления детали. Главным способом решения данной проблемы, является многоступенчатое крепление заготовок, при котором заготовки располагают ближе к шпинделю, что позволяет ослабить вибрацию.
Из-за того, что материал титана сохраняет прочность и твердость при высоких температурах, на режущую кромку воздействует большая нагрузка. При этом в месте резания вырабатывается большое количество тепла, а это опасность к деформации. Поэтому большое значение при обработке титана приобретает правильный выбор геометрия сменной пластинки и марка сплава. Решением этой проблемы является пластины с покрытием PVD, которые способны существенно повысить эффективность.

Необходимые условия для расчетов режима резания титана при обработке металла:

Точность торцевого и рационального биения инструментов очень важно при механической обработке титана . К примеру, если пластина неверно установлена в корпусе фрезы, это приведет к быстрому повреждению режущих кромок. Хотя предпочтение отдается геометрии с положительным передним углом, инструмент с немного отрицательным передним углом способен вести обработку при более высоких подачах, которые достигают 0.5 мм. на зуб. В таком случае, значительно важна надежность закрепления заготовки и жесткость станка.
Минимальная применяемая подача при фрезеровании титана обычно составляет 0.1 мм. на зуб. Так же можно уменьшить вращения шпинделя в целях получения исходной скорости подачи. Неправильно выбранная частота вращения шпинделя может сократить стойкость на 90% при минимальной подачи на зуб.
Как только стабильные условия обеспечиваются, подачу и частоту вращения шпинделя можно увеличить для достижения оптимальной эффективности. Еще одним способ является уменьшение пластин из фрезы, либо выбор фрезы с наиболее меньшим количеством пластин.

Производство НПП РУСМЕТ обрабатывает цветной металл
позволяет резать титан, разрезать алюминий и его сплавы, орабатывать латунь, изготавливать из меди и других цветных металлов и их сплавов металлоизделия на станках с ЧПУ.
Важно знать, что , самый эффективный способ металлообработки , заготовительного производства и

В этих условиях процесс резания осуществляется только быстрорежущими инструментами из стали Р18 или быстрорежущей стали, легированной кобальтом.

Но так как, быстрорежущая сталь выдерживает температуру только до 600°, то обработку резанием (при прерывистом резании с ударами) ведут с ограниченной скоростью (до 7-10 м/мин). Повысить сколько-нибудь существенно скорость резания (против указанного) на сегодня не представляется возможным, поэтому исследователи этих процессов идут по пути увеличения стойкости, которая может быть осуществлена за счет:

1) геометрических параметров режущего инструмента;

2) применения смазочно-охлаждающих жидкостей;

3) способа их подвода;

4) изыскания метода термической обработки жаропрочных сплавов для получения структуры, наиболее легко поддающейся резанию.

В настоящее время ведутся изыскания новых инструментальных материалов для эффективной обработки жаропрочных сплавов резанием.

Титановые сплавы обладают малой пластичностью, что существенным образом сказывается на их деформации при резании.

Если характеризовать пластическую деформацию срезаемого слоя продольной усадкой стружки, то таковая может быть равна и даже меньше единицы. Это значит, что соприкосновение срезаемого слоя с передней поверхностью инструмента происходит по узкой контактной площадке и, принимая во внимание значительный предел прочности этих сплавов, значительный износ инструмента получается при наличии высокой температуры на контактной площадке.

Вследствие этого становится естественным применение режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом. Так как твердые сплавы группы ТК более хрупкие, чем группы ВК, то при обработке титановых сплавов применяют сплавы группы ВК, т.е. так же, как вообще при обработке всех малопластичных материалов. Скорость резания при этом может быть до 100 м/мин и больше.

Существенное влияние на обрабатываемость резанием титановых сплавов оказывают, как упоминалось выше, различные газовые примеси, из которых наиболее активными являются Н2, 02, т.е. с повышением содержания их в титановых сплавах обрабатываемость резанием ухудшается.

Многочисленные исследования над обычными углеродистыми и легированными конструкционными сталями показали, что глубина наклепанного слоя, степень упрочнения, величина и знак (растяжение или сжатие) остаточных напряжений зависят от пластичности обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии инструмента, смазочно-охлаждающих жидкостей, степени затупления инструмента и жесткости системы деталь - станок - инструмент.

Исследования показывают, что остаточные напряжения в слое под обработанной поверхностью появляются в результате воздействия тепла, образующегося:

1) от трения задних поверхностей инструмента об обработанную поверхность;

2) пластической деформации этого слоя.

Все эти положения относятся и к жаропрочным сплавам. Исследования, произведенные для установления влияния упрочнения на выносливость деталей, изменение предела усталостной прочности деталей углеродистых и легированных конструкционных сталей, показывают, что во многих случаях упрочнение повышает выносливость деталей, вследствие чего появились и различные упрочняющие методы.

Сказанное в той или иной степени относится к жаропрочным и титановым сплавам, но также следует, что наличие остаточных растягивающих напряжений отрицательно сказывается на прочностных свойствах жаропрочных и титановых сплавов. Если детали тонкостенные, как, например, лопатки турбин, когда наклепанный после обработки слой материала может быть значительным по отношению ко всей толщине детали, то в этих случаях возможно рекомендовать производить обработку резанием так, чтобы наклеп (упрочнение) был бы минимальным.

При механической обработке сплавов на основе титана (например ВТЗ и ВТ5) выделяется меньшее количество тепла. На этом основании можно было бы ожидать, что среднеинтегральная температура в деформированной зоне указанных сталей и никелевых сплавов должна быть выше, чем у сплавов на основе титана. Однако,результаты температурных исследований при резании титановых сплавов, проведенные в широком диапазоне режимов резания, при сравнении с температурными данными для сталей показывают обратное. Например, температура резания титанового сплава достигает 800° С уже при скорости резания v = 40 м/мин, подаче s = 0,ll мм/об и глубине резания V=1,5 мм; при резании же стали 45 аналогичная температура развивается при значительно более высоком режиме: v = 100 м/мин; s = 0,29 мм/об и t = 2 мм.

В зоне резания возникает сложное деформированное и напряженное состояние при наличии пластических деформаций сжатия, сдвига и растяжения, которые распространяются далеко впереди резца и под обработанную поверхность.

Характер изменения деформаций и напряжений по длине и толщине зоны стружкообразования остается одним и тем же как для жаропрочных и титановых сплавов, так и для углеродистых сталей. Имеет место лишь количественное различие.

Наибольшей величины при резании жаропрочных сплавов и углеродистых сталей достигают деформации сжатия, а при резании титановых сплавов-деформации сдвига.

При высоких температурах, возникающих в процессе резания титановых сплавов, проявляется свойство активности титана к кислороду и азоту воздуха. Это приводит к изменению структуры и физико-механческих свойств поверхностного слоя обработанной детали, что по всей вероятности может быть причиной снижения ее усталостной прочности.

Жаропрочные сплавы склонны к образованию налипов на передней поверхности резца, что вызывает необходимость применения смазывающе-охлаждающих жидкостей, обладающих высокой смазывающей способностью.

При обработке жаропрочных сплавов выделяется большое количество тепла, которое повышает температуру детали и вызыва¬т изменение её размеров и формы. Во избежание этого требуется обильный подвод охлаждающей жидкости.

Большая склонность жаропрочных сплавов к наклепу. Так, на многих производствах, жаропрочный сплав после получения наклепа не поддается обработке резанием; рекомендует перед обработкой резанием этот материал предварительно подвергнуть термической обработке.

Большие силы резания, в 3-4 раза превышающие силы при резании обычных конструкционных сталей, и высокий коэффициент трения требуют применения инструментов с высокой чистотой рабочих поверхностей и острой режущей кромкой.

Большинство жаропрочных сплавов вследствие особенностей кристаллографической структуры их фазовых составляющих являются весьма абразивными, поэтому применяемые для их обработки инструментальные материалы должны сопротивляться этому воздействию либо по своей природе, либо в результате соответствующей специальной обработки и созданных условий работы.

Жаропрочные сплавы сохраняют значительную твердость и прочность при кратковременном повышении температуры при резании. При внезапном повышении температуры и последующей быстровозникающей деформации предел прочности сплава оказывается более высоким, а вязкость более низкой.

Сплавы титана обрабатываются несколько хуже нержавеющих сталей, но лучше жаропрочных сплавов. Сравнительно быстрое изнашивание режущих кромок инструмента при обработке титановых сплавов зависит от высокой химической активности титана, легко вступающего в соединения со всеми соприкасающимися с ним металлами. Эта особенность титана при его низкой теплопроводности и небольшой поверхности контакта между резцом. И стружкой приводит к развитию высокой температуры в зоне резания. Титановые сплавы часто содержат включения в виде окислов нитридов и карбидов, которые обладают высокими абразивными свойствами и способствуют ускоренному износу режущего инструмента. Наклеп не оказывает существенного влияния на износ режущего инструмента.

Обработка титановых сплавов

Сверла рекомендуется затачивать с двойным заборным кону­сом: 2ф = 90 и 118°; угол наклона винтовой канавки = 28-35°; задний угол 12°. При образовании глубоких отверстий, в процессе сверления следует периодически вынимать сверла из отверстия для очистки от стружки.

Для охлаждения применяют сульфурированные или хлориро­ванные масла.

Для нарезания резьбы применяют метчики со спиральными ка­навками; метчики для нарезания резьбы до б мм и шагом менее 1,25 мм делаются двухканавочными; для более крупных резьб трехканавочными. Режущие и калибрующие зубья метчиков реко­мендуется затыловать. Резьбу следует нарезать не полную; умень­шение высоты резьбы с 75 до 65% способствует повышению срока службы метчиков в 2-3 раза.

При нарезании резьбы в технически чистом нелегированном титане применяется скорость резания v = 12 м/мин. При нарезании резьбы в сплавах титана v=7,6 м/мин. Для охлаждения метчиков применяются сульфурированные и хлорированные масла.

При протягивании технически чистого нелегированного титана скорость резания, допускаемая протяжками из быст­рорежущей стали v = 7,6 м/мин.

При протягивании титановых сплавов v = 4,6 м/мин.

Подача на зуб протяжки для черновых зубьев 0,075 - 0,15 мм; для чистовых 0,038-0,15 мм.

Обработка сплавав с твердостью HRC>37 связана со значи­тельными трудностями ввиду быстрого износа протяжек.

При обработке титановых сплавав следует следить за состоя­нием протяжки и не допускать налипания титана на зубья.

Охлаждение: обильной струей сульфурированного или хло­рированного масла. Зубья протяжек выполняются с передним углом 8°; с задними углами 3° - для черновых про­тяжек и 2° - для чистовых.

Разрезка титана

Разрезка пруткового материала диаметром 50-90 мм успешно производится ножевками из быстрорежущей стали. Шаг зубьев полотен зависит от твердости разрезаемого материала. При НВ 275-350 шаг зубьев 4,2-6,2 мм; при НВ 350- 6,2 мм; при НВ >350-8,4 мм.

Натяжение полотен должно быть постоянное и достаточное.

Сплавы титана режутся при 45-70 двойных ходах ножовки в минуту с подачей 0,15-0,23 мм на двойной ход. Для охлаждения применяют сульфурированное или хлорированное масло.

Хорошие результаты при разрезке титана дает дисковая пила со вставными зубьями. Передний угол зубьев пилы -5°. Для удаления стружки, прилипшей к зубьям пилы, применяют стружкоулавливатель.

В настоящее время начинают широко использовать резку тита­на абразивными кругами с применением охлаждающих жидкостей.