Обработка резанием титановых сплавов. Высокие технологии Точная механическая обработка деталей из титана

Титан - один из самых интересных и сложных для обработки металлов. Его уникальные свойства нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Механическая обработка титана, в сравнении с обычной сталью, более чем в пять раз сложнее, поэтому для создания из него изделий применяют специальные приемы и оборудование.

Основные проблемы, возникающие при обработке титана, и средства их решения

Основной проблемой, возникающей при обработке титана, является его склонность к задиранию и налипанию на инструмент. Также одним из усложняющих факторов является его низкая теплопроводность. Большинство металлов сопротивляются плавлению в гораздо меньшей степени, поэтому при контакте с титаном растворяются в нем, образуя сплавы. Это приводит к быстрому износу применяемого инструмента.

Чтобы уменьшить задирание и налипание, а также для отвода выделяемого тепла, применяют следующие способы:

при резке, а также иной обработке титана используют охлаждающие жидкости;
заточку изделий выполняют с применением инструментов, изготовленных из твердых сплавов металлов;
обработку металла резцами выполняют при гораздо меньших скоростях, чтобы избежать излишнего нагрева.

Эффекты налипания и задирания титана обусловлены его высоким коэффициентом трения, который относят к серьёзным недостаткам этого металла. В своем большинстве изделия из титана быстро поддаются износу, поэтому чистый состав этого металла редко используются для изготовления изделий, которые применяются в условиях трения и скольжения. При трении титан налипает на трущуюся поверхность, вызывая связывающий эффект и уменьшая скорость движения сообщающихся деталей. Способами, которые устраняют этот негативный эффект, выступают азотирование и оксидирование титана.

Азотирование титана - технологический процесс, который заключается в нагреве изделия из титанового сплава до температуры 850 0 С - 950 0 С и его выдержке в течение нескольких суток в среде чистого газообразного азота. В результате происходящих химических реакций на поверхностях изделия образуется пленка из нитрида титана, имеющая золотистый оттенок и обладающая большей твердостью, а также большим сопротивлением к стиранию. Изделия, прошедшие такую обработку, обладают повышенной износостойкостью и не уступают по своим характеристикам изделиям, изготовленным из поверхностно упрочнённых специальных сталей.

Оксидирование титана - распространенный метод, заключающийся в нагреве титанового изделия до 850 0 С и его резком охлаждении в водной среде, что вызывает образование на поверхности обрабатываемой детали плотной пленки, которая хорошо связывается с основным слоем материала. При этом сопротивление стиранию и общая прочность изделия возрастает в 15-100 раз.

Некоторые особенности резки и сверления титана

Нарезка заготовок является очень сложным технологическим процессом, сопровождающимся использованием специальных инструментов и оборудования. Листы разрезаются гильотинными ножницами, а заготовки из сортового проката - распиливаются механической пилой. Небольшие по диаметру пруты нарезают с помощью токарных станков.

Фрезерование титана остается наиболее сложным способом его обработки. Он налипает на зубьях инструмента (фрезы), что значительно затрудняет работу с заготовкой. Поэтому для такого способа применяют инструменты, изготовленные из твердого сплава металлов, а процесс обработки сопровождают использованием охлаждающих смазок и жидкостей, которые обладают большой вязкостью.

При выполнении операций сверления важно, чтобы стружка, образующаяся в результате сверления, не накапливалась в отводных каналах, в противном случае это может привести к преждевременному износу и поломке инструмента. При сверлении применяют фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали.

Особенности соединения титановых изделий и их элементов

Если титановое изделие выступает элементом конструкции, то соединить детали, изготовленные из титановых сплавов, позволяет применение таких методов:

сварка;
пайка
механическое соединение с использованием заклепок
соединение с применением болтового крепления.

Основным методом соединения выступает сварка, представляющая обычную промышленную технологию. Чтобы обеспечить прочность сварного шва соединение элементов выполняют в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов. Также для этого оберегают шов с применением различных защитных элементов. Взаимодействие расплавленного титана с такими химическими элементами как водород, кислород и азот, содержащимися в воздушной смеси, при нагреве приводит к росту зерна металла, изменению его микроструктуры и хрупкости сварного шва. Сварочные работы выполняют на большой скорости.

Также существует метод сварки в контролируемой среде, который применяется для выполнения работ, требующих большой ответственности. При необходимости соединить небольшие по своим размерам элементы, их помещают в специальные камеры, заполненные инертным газом. В случае соединения элементов большего размера сварочные работы выполняют в специальных герметично изолированных помещениях. Сварка титана - ответственная работа, которая доверяется исключительно подготовленным специалистам, имеющим необходимый практический опыт и навыки.

Пайка титана применяется в случаях, когда проведение сварочных работ невозможно или нецелесообразно. Она также осложнена химическими реакциями. Титан в расплавленном состоянии демонстрирует высокую химическую активность и прочно связан с пленкой окиси, формируемой на поверхностях обрабатываемой детали. Большинство распространенных металлов непригодны в качестве припоя для соединения титановых элементов, для этих целей используются только чистые по своему составу алюминий и серебро.

Механическое соединение элементов из титана с помощью клепок и болтовых креплений также выполняется с применением специальных материалов. В большинстве случаев заклепки изготавливают из алюминия, а применяемые болты покрываются напылением серебра или синтетического тефлона. Это вызвано тем, что при завинчивании титан проявляет свое свойство налипания и задирается, в результате соединения элементов становятся ненадежными, не обеспечивают прочной фиксации.

Благодаря особой геометрии режущей кромки, высокоскоростная фреза позволяет использовать утоньшение стружки для достижения более высоких скоростей подачи

Несколько простых принципов помогут сделать фрезерование титановых сплавов эффективнее. По заявлениям компании , конструкция изображенной на рисунке высокоскоростной фрезы при обработке высокотемпературных аэрокосмических сплавов обеспечивает скорость подачи, превышающую скорость фрезерных инструментов традиционной конструкции в пять раз.

Титановые и алюминиевые сплавы в некотором отношении схожи: оба металла применяются в конструктивных элементах самолетов, и в обоих случаях для изготовления детали может требоваться удаление 90 процентов исходного материала.

Пожалуй, большинство производителей хотели бы, чтобы эти металлы имели больше общих черт. Традиционно обрабатывающие алюминий поставщики авиадеталей теперь по большей части работают с титаном, поскольку в новейших авиационных конструкциях все больше используется именно данный металл.

Менеджер компании-поставщика режущих инструментов Stellram Джон Палмер, ответственный за работу с ведущими производителями авиакосмической отрасли, отмечает, что многие из таких предприятий в действительности имеют бо́льший потенциал обработки титана, чем они реализуют на данный момент. Многие ценные и эффективные технологии обработки титана достаточно просто внедрить, но лишь немногие из них используются для повышения продуктивности. Проконсультировавшись с производителями по вопросам эффективности фрезерования разных аэрокосмических сплавов, включая сплавы титана, Палмер пришел к выводу, что работа с титаном – не такой сложный процесс. Самое главное – продумать весь процесс обработки, поскольку любой элемент может оказать влияние на общую эффективность.

По словам Палмера, ключевым фактором является стабильность. При контакте инструмента с заготовкой образуется так называемый «замкнутый круг», в который входит инструмент, державка, шпиндель, станина, направляющие, рабочий стол, зажимное приспособление и заготовка. От всех этих частей зависит устойчивость процесса. Кроме того, важными аспектами являются давление, объем и способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости, а также вопросы методики и применения, освещенные в данной статье. Для максимальной реализации потенциала данных процессов, способных повысить производительность обработки титана, Палмер рекомендует следующее:

Одна из основных проблем титана – его низкая теплопроводность. В этом металле лишь относительно малая часть вырабатываемого тепла отводится вместе со стружкой. По сравнению с другими металлами, при обработке титана бо́льший процент тепла передается на инструмент. Вследствие данного эффекта выбор рабочей площади контакта определяет выбор скорости резания.

Эту зависимость демонстрирует кривая на рисунке 1. Полный контакт – врезание по дуге 180º – возможен только при относительно низкой скорости резания. В то же время уменьшение площади контакта сокращает период выделения тепла режущей кромкой и обеспечивает больше времени для охлаждения перед новым врезанием в материал. Таким образом, уменьшение зоны контакта обуславливает возможность повышения скорости резания с сохранением температуры в точке обработки. Фрезерование с крайне малой площадью контакта и остро заточенной режущей кромкой при высокой скорости и минимальной подаче на зуб может обеспечить непревзойденное качество чистовой обработки.

Обычные концевые фрезы имеют четыре или шесть зубьев. Для титана этого может быть недостаточно. Наибольшую эффективность обработки данного металла обеспечивает инструмент с десятью или более зубьями (см. рисунок 2).

Увеличение количества зубьев устраняет необходимость снижения подачи на зуб. При этом в большинстве случаев слишком близкое расположение зубьев в десятизубой фрезе не обеспечивает достаточно пространства для отвода стружки. Тем не менее, продуктивному фрезерованию титана способствует малая площадь контакта (см. совет № 1), и образующаяся в результате тонкая стружка дает возможность использовать многозубые концевые фрезы для повышения производительности.

Совет № 3. Соблюдайте принцип «от толстой стружки к тонкой»

Данная идея связана с термином «попутное фрезерование» и предполагает такое расположение инструмента, при котором кромка врезается в материал в направлении подачи.

Этому методу противопоставляется «встречное фрезерование», сопровождающееся образованием тонкой стружки на входе и толстой на выходе. Такой метод известен как «традиционный» и отличается высокой силой трения при снятии стружки в начале резания, в результате чего образуется тепло. Тонкая стружка не может поглотить и отвести это выработанное тепло, и оно передается на режущий инструмент. Затем на выходе, где толщина максимальна, возросшее режущее усилие создает опасность налипания стружки.

Попутное фрезерование, или способ формирования стружки «от толстой к тонкой», предполагает вход в заготовку с максимальной толщиной среза, а выход – с минимальной (см. рисунок 3). При фрезеровании периферией фреза «подминает» под себя заготовку, создавая толстую стружку на входе для максимального поглощения тепла и тонкую стружку на выходе для предотвращения налипания стружки.

Фасонное фрезерование требует тщательного контроля траектории инструмента, с тем чтобы инструмент продолжал входить в заготовку и выходить на обработанной поверхности нужным образом. Для этого следует не прибегать к сложным манипуляциям, а просто подавать материал вправо.

При работе с титаном и другими металлами срок службы инструмента сокращается в моменты резких колебаний усилия, в особенности при входе в заготовку. При прямом врезании в материал (что характерно практически для любой траектории инструмента) эффект сопоставим с ударом по режущей кромке молотком.

Вместо этого следует аккуратно проходить режущей кромкой по касательной. Нужно выбрать такую траекторию движения, чтобы инструмент входил в материал по дуге, а не под прямым углом (см. рисунок 4). При фрезеровании от толстой стружки к тонкой дуга врезания должна совпадать с направлением вращения инструмента (по часовой или против часовой стрелки). Дуговая траектория обеспечивает постепенное увеличение силы резания, предотвращая рывки и повышая устойчивость инструмента. При этом выделение тепла и толщина стружки также постепенно возрастают до момента полного погружения в заготовку.

Резкие изменения усилия могут возникать и на выходе инструмента из материала. Как бы ни было эффективно фрезерование от толстой стружки к тонкой (совет № 3), проблема данного метода заключается во внезапной остановке постепенного утоньшения стружки, когда инструмент достигает конца прохода и начинает шлифовать металл. Такой резкий переход сопровождается соответствующим резким изменением силы, в результате чего на инструмент оказывается ударная нагрузка, способная вызвать повреждение поверхности детали. Чтобы снизить резкость, примите меры предосторожности – снимите 45-градусную фаску в конце прохода, обеспечив постепенное уменьшение радиальной глубины резания (см. рисунок 5).

Совет № 6. Выбирайте фрезы с большим вспомогательным задним углом

Острая режущая кромка минимизирует усилие резания титана, но при этом она должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать давление резания.

Конструкция инструмента с большим вспомогательным задним углом, где первая область кромки с положительным углом наклона принимает на себя нагрузку, а следующая за ней вторая область с бо́льшим углом увеличивает зазор, позволяет решить обе эти задачи (см. рисунок 6). Такая конструкция довольно широко распространена, но именно в случае титана экспериментирование с различными величинами вспомогательного заднего угла позволяет достигнуть существенного увеличения производительности и срока службы инструмента.

Режущая кромка инструмента может подвергаться окислению и воздействию химических реакций. Многократное использование инструмента с одной и той же глубиной врезания может привести к преждевременному износу в зоне контакта.

В результате последовательных осевых врезаний поврежденная область инструмента вызывает деформационное упрочнение и образование зазубрин, наличие которых недопустимо на деталях аэрокосмического оборудования, поскольку данный поверхностный эффект может вызвать необходимость преждевременной замены инструмента. Этого можно избежать, защитив инструмент путем изменения осевой глубины резания для каждого прохода и распределив тем самым проблемную область по разным точкам зубьев (см. рисунок 7). В процессе точения аналогичного результата можно достичь обтачиванием конической поверхности при первом проходе и обработкой цилиндрической поверхности при последующем – это позволит предотвратить образование проточин.

Совет № 8. Ограничьте осевую глубину обработки тонких элементов

Во время фрезерования тонкостенных и выдающихся элементов титановых деталей важно помнить о соотношении 8:1. Чтобы избежать искривления стенок пазов, фрезеруйте их последовательно в осевом направлении вместо обработки по всей глубине за один проход концевой фрезы. В частности, осевая глубина резания при каждом проходе не должна превышать конечную толщину стенки более чем в 8 раз (см. рисунок 8). Например, для достижения толщины стенки 2 мм осевая глубина соответствующего прохода должна составлять максимум 16 мм.

Несмотря на ограничение глубины, данное правило все же позволяет сохранить производительность фрезерования. Для этого тонкие стенки нужно фрезеровать так, чтобы вокруг них оставалась необработанная область, а толщина элемента в 3 или 4 раза превышала конечную толщину. Если нужно получить стенку толщиной 7 мм, согласно правилу 8:1 осевая глубина может достигать 56 мм. При обработке толстых стенок следует соблюдать небольшую глубину прохода до достижения окончательного размера.

Совет № 9. Используйте инструмент значительно меньше паза

В силу большого количества тепла, поглощаемого при обработке титана, фрезе требуется пространство для охлаждения. При фрезеровании небольших пазов диаметр инструмента не должен превышать 70 процентов от диаметра (или сопоставимого размера) паза (см. рисунок 9). При меньшем зазоре существенно возрастает риск ограничения доступа охлаждающей жидкости к инструменту, а также задерживания стружки, которая могла бы отводить хотя бы часть тепла.

Данное правило также применимо при фрезеровании открытой поверхности. При этом ширина элемента должна составлять 70 процентов от диаметра инструмента. Смещение инструмента составляет 10 процентов, что способствует утоньшению стружки.

Высокоскоростные фрезы, изначально разработанные для обработки инструментальной стали при изготовлении пресс-форм, в последние годы начали активно использоваться в производстве титановых деталей. Высокоскоростная фреза не требует большой осевой глубины резания, и на такой глубине скорость подачи превышает показатели фрез традиционной конструкции.

Данные характеристики обусловлены утоньшением стружки. Ключевая особенность высокоскоростных фрез – пластины с большим радиусом закругления кромки (см. рисунок 10), способствующим распределению образуемой стружки по увеличенной площади контакта. Благодаря этому при осевой глубине резания 1 мм возможно образование стружки толщиной всего 0,2 мм. В случае титана такая тонкая стружка устраняет необходимость в низкой подаче на зуб, обычно используемой для данного металла. Таким образом, становится возможным установка скоростей подачи значительно выше стандартных.

Источник материала: перевод статьи
10 Tips for Titanium ,
Modern Machine Shop

Резка и мех.обработка

Титан и его сплавы плохо обрабатываются резанием, что обусловлено рядом физико-механических свойств титана. Титановые сплавы отличаются высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыва. Это соотношение составляет для титановых сплавов 0,85-0,95, в то время как для сталей оно равно 0,65-0,75. В итоге при механической обработке титановых сплавов возникают большие удельные усилия, что приводит к высоким температурам в зоне резания, обусловленным низкой тепло- и температуропроводностью титана и его сплавов, затрудняющей отвод тепла из зоны резания. Из-за сильной адгезии и высоких температур титан налипает на режущий инструмент, что вызывает значительные силы трения. Налипание и приваривание титана на контактируемые поверхности режущего инструмента приводят также к изменению его геометрических параметров. Отклонение геометрических параметров режущего инструмента от оптимальных их значений приводит к дальнейшему повышению усилий обработки и температуры в зоне резания и износа инструмента. Температура в зоне резания наиболее сильно повышается с увеличением скорости резания, в меньшей степени - с увеличением подачи. Глубина резания по сравнению со скоростью и подачей оказывает еще меньшее влияние.

Трудоемкость механической обработки титановых сплавов в 3-4 раза больше, чем для углеродистых сталей, и в 5-7 раз выше, чем для алюминиевых сплавов.

По данным ММПП "Салют", коэффициент относительной обрабатываемости по отношению к стали 45 составляет 0,35-0,48 для титана и сплавов ВТ5 и ВТ5-1 и 0,22-0,26 для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22. При механической обработке титановых сплавов рекомендуются малые скорости резания при небольших подачах с обильной подачей охлаждающей жидкости. Для обработки титановых сплавов резанием применяют режущий инструмент из более износостойких быстрорежущих сталей, чем для обработки сталей, отдавая предпочтение твердым сплавам. Однако даже при соблюдении всех описанных мероприятий режимы резания, особенно скорости, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3-4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.

Усилия резания и температуры в зоне резания могут быть существенно снижены механоводородной обработкой, включающей в себя наводороживание, механическую обработку и вакуумный отжиг. Легирование титановых сплавов водородом приводит к значительному снижению температур в зоне резания, уменьшению сил резания, повышению стойкости твердосплавного инструмента в 2-10 раз в зависимости от режимов резания и природы сплава. Этот позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза при сохранении других параметров резания или применять более высокие подачи и глубины резания, не меняя скорости резания.

При высоких температурах, которые развиваются в зоне резания, титановая стружка и обрабатываемая деталь окисляются. Окисление стружки создает проблемы, связанные с её очисткой при вовлечении отходов в плавку и других способах её утилизации. Окисление поверхности обрабатываемых деталей в недопустимой степени может привести к снижению эксплуатационных характеристик.

При изготовлении деталей и конструкций из титановых сплавов применяют все виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, шлифование, полирование.

Важной особенностью механической обработки деталей из титановых сплавов является необходимость обеспечения ресурсных, в особенности усталостных, характеристик, которые в решающей степени обусловлены качеством поверхностного слоя, образующегося после обработки резанием. Вследствие низкой теплопроводности и высокой химической активности обрабатываемого материала применение шлифования как процесса финишной обработки для титановых сплавов ограничено. При шлифовании титановых сплавов легко образуются прижоги, которые существенно снижают усталостную прочность. Кроме того, при шлифовании в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения и дефектные структуры, также снижающие усталостную прочность. Поэтому шлифование, если оно используется при обработке деталей из титановых сплавов, должно проводиться при пониженных скоростях и по возможности заменяться лезвийной обработкой либо низкоскоростными методами абразивной обработки, такими, например, как хонингование. Если же применяется шлифование, оно должно выполняться при строго регламентированных режимах с последующим контролем на отсутствие прижогов и сопровождаться упрочнением поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Из-за больших усилий резания для механической обработки титана и его сплавов применяют, в основном, станки крупных моделей (ФП-7, ФП-9, ФП-27, ВФЗ-М8 и др.). Наиболее трудоемким процессом при изготовлении деталей является фрезерование. Особенно большие объемы фрезерных работ приходятся на изготовление силовых деталей каркаса самолета: шпангоуты, траверсы, лонжероны, нервюры, балки.

При разработке и внедрении технологии механической обработки деталей из титановых сплавов достаточно широко используются малооперационные технологические процессы за счет совмещения нескольких операций в одну при выполнении её на одно- и многоинструментальном оборудовании. Эти технологические операции наиболее целесообразно выполнять на многооперационных станках (обрабатывающих центрах). Так, например, силовые детали из штамповок изготавливают на станках ФП-27С, ФП-17СМН, МА-655А; детали типа "корпус", "колонка", "кронштейн" из штамповки и фасонной отливки - на станках МА-655А, Me-12-250, "Горизон", панели из листа - на станке ВФЗ-М8. На этих станках при обработке многих деталей реализуется принцип "максимальной" законченности обработки в одной операции, что достигается установкой на стол станка одновременно нескольких различных приспособлений с последовательной обработкой детали с двух и более сторон по одной программе.

Фрезерование переменных малок при изготовлении деталей типа "нервюра", "балка", "траверса" осуществляется несколькими методами:
1) на универсально-фрезерных станках с помощью специальных механических или гидравлических копиров;
2) на гидравлических копирно-фрезерных станках по копирам;
3) на трехкоординатных станках с ЧПУ:
- специальными сборными фрезами с изменяемым в процессе обработки углом;
- фасонными выпуклыми и вогнутыми радиационного профиля фрезами;
- концевыми фрезами с приведением к цилиндрической поверхности путем наклона детали к плоскости стола под определенным углом;
4) на многокоординатных станках с ЧПУ типа ФП-14, ФП-11, МА-655С5.

Для механической обработки авиационных материалов в нашей стране разработан ряд станков, соответствующих лучшим мировым образцам, а иногда и не имеющих аналогов в мировой практике:
- продольно-фрезерный трехкоординатный трехшпиндельный станок ВФ-33 с ЧПУ, предназначенный для одновременной обработки тремя шпинделями монорельсов, панелей, балок, нервюр и других деталей легких и тяжелых самолетов;
- продольно-фрезерный четырехкоординатный трехшпиндельный станок 2ФП-242В с двумя подвижными порталами и ЧПУ, предназначенный для обработки крупногабаритных панелей и лонжеронов переменной малкой для широкофюзеляжных и тяжелых самолетов;
- горизонтально-фрезерно-расточный пятнадцати координатный с ЧПУ станок ФРС-1 с подвижной колонной; он предназначен для обработки стыковых поверхностей крыла и центроплана широкофюзеляжных самолетов;
- гибкий производственный модуль СГПМ-320, включающий в себя токарный станок с ЧПУ АТ-320 с магазином на 13 инструментов и автоматический манипулятор установки и съема детали, управляемые от ЧПУ;
- гибкий производственный комплекс АЛК-250, предназначенный для изготовления прецизионных корпусных деталей гидроагрегатов.

Для обеспечения оптимальных условий резания и высокого качества поверхности деталей следует строго соблюдать геометрические параметры инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.

Точение кованых заготовок осуществляется резцами с пластинками из твердого сплава ВК8. При обработке по газонасыщенной корке рекомендуют следующие геометрические параметры резцов: передний угол γ=0°; задний угол α = 12°; главный угол в плане φ1 = 45°, вспомогательный угол в плане φ = 14°. Режимы резания: скорость резания v = 25 - 35 м/мин, подача s = 0,5 - 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм.

При чистовом и получистовом непрерывном точении применяют инструмент из твердых сплавов ВК4, ВК6, ВКбм, ВК8 и др. при подаче s = 0,1 - 1,0 мм/об, скорости резания v = 40 - 100 мм/мин и глубине резания t = 1 - 10 мм. Возможно также применение инструмента из быстрорежущей стали (Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8). Рекомендуемые геометрические параметры резцов из быстрорежущей стали: задний угол α = 10°, φ = 15°, радиус при вершине r = 1 мм. Режимы резания при точении титана v = 24 - 30 м/мин, s t = 0,5 - 3 мм.

Фрезерование титана и его сплавов затруднено из-за налипания титана на зубья фрезы и их выкрашивания. Для рабочих частей фрез применяют твердые сплавы ВК4, ВК6М, ВК8 и быстрорежущие стали Р8МЗК6С, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р9М4К8. При фрезеровании титана фрезами с пластинками из сплаваВК6М рекомендуют следующие режимы резания: s = 0,08 - 0,12 мм/зуб, v = 80 - 100 м/мин, t = 2 - 4 мм.

Сверление титана и его сплавов также осуществляется с трудом из-за налипания стружки титана на рабочие поверхности инструмента и ее скопления в отводящих канавках сверла, что приводит к сильному повышению сопротивления резания и быстрому износу сверл. Поэтому при сверлении глубоких отверстий необходимо периодически выводить инструмент для очистки его от стружки. Для сверления применяют инструмент из быстрорежущих сталей Р9К5, Р9К10, Р18Ф2, Р9Ф5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ и твердого сплава ВК8. Рекомендуемые геометрические параметры сверл: φ = 0 - 3°, α = 12 - 15°, 2φ = 120 - 130°, 2φ0 = 70 - 80°, угол наклона спиральной канавки 25-30°.

Для увеличения производительности механической обработки титановых сплавов резанием и повышения стойкости режущего инструмента применяют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости типа РЗ СОЖ-8. Охлаждение обрабатываемых деталей осуществляют методом обильного полива. Использование галлоидосодержащих жидкостей при механической обработке приводит к образованию на поверхности титановых деталей солевой корки, которая при повышенных температурах и одновременном действии напряжений вызывает солевую коррозию. Поэтому детали, обрабатываемые с применением РЗ СОЖ-8, после механической обработки подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005-0,010 мм. При сборочных и механосборочных операциях не допускают применения РЗ СОЖ-8.

Обрабатываемость титановых сплавов резанием существенно зависит от их химического и фазового состава, типа и параметров микроструктуры. Наиболее трудно обрабатываются резанием титановые полуфабрикаты и детали с грубой пластинчатой структурой. Такую структуру имеют, в частности, фасонные отливки. Кроме того, фасонное литье из титана и его сплавов имеет на поверхности газонасыщенную корку, которая сильно изнашивает инструмент.

Шлифование титановых деталей связано с определенными трудностями, что обусловлено высокой склонностью к контактному схватыванию при трении. Относительно тонкая оксидная пленка на титане легко разрушается при трении под воздействием высоких удельных нагрузок в точках контакта из-за более высокой пластичности титана по сравнению с оксидной пленкой. При трении в точках контакта двух поверхностей происходит активный перенос обрабатываемого материала на инструмент - "схватывание". Этому способствуют и другие свойства титана: повышенная упругая деформация из-за сравнительно низкого модуля упругости, более низкая теплопроводность. Благодаря выделению теплоты трущаяся поверхность обогащается газами из окружающей среды и происходит образование оксидных пленок, что повышает прочность поверхностного слоя.

При обработке титановых сплавов применяют шлифование абразивными кругами и ленточное шлифование. Для титановых сплавов наибольшее распространение в промышленности получили абразивные круги из зеленого карбида кремния, обладающего большими твердостью и хрупкостью, стабильностью физико-механических свойств и более высокой абразивной способностью, чем черный карбид кремния.

Основным способом окончательной обработки сложных криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов является ленточное шлифование. К преимуществам применения абразивных лент при формообразовании сложных фасонных поверхностей относится возможность обработки с линейным или поверхностным контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью, что значительно сокращает число формообразующих движений станка.

Обработку деталей с линейным контактом осуществляют методом обкатки. При обработке деталей методом обкатки форма инструмента сопряжена с формой обрабатываемой поверхности детали. Формообразование обрабатываемой поверхности происходит путем обкатки детали по заданной траектории вокруг.

Шлифование методом обкатки, например лопаток компрессора ГТД, производят абразивными кругами (сопряженное шлифование) или широкой абразивной лентой на станках ХШ-185, ХШ-186, MB-885, 381ЗД. При соответствующем подборе ширины ленты одновременно шлифуется вся обрабатываемая поверхность с одной стороны. Этот метод отличается высокой производительностью, и его широко применяют в промышленности при шлифовании деталей небольших размеров. Для лопаток с длиной пера более 120 мм наиболее рациональным является строчечный метод обработки узкой абразивной лентой, позволяющий достигать большой точности. Строчечный метод шлифования применяется в станках 4ШСЛ-7, ЛШ-1, ЛШ1А, ЛШ2. Обработку на них производят продольными строчками, причем направление подачи детали перпендикулярно плоскости перемещения абразивной ленты.

Продольная подача детали s осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения стола станка. Дискретное вращение заготовки вокруг оси обеспечивает круговую подачу s . При обработке на станке ЛШ-1 устанавливается определенная сила контактного давления Р между обрабатываемой заготовкой и абразивной лентой, которая регулируется компенсирующими пружинами.
Сложной операцией является шлифование пересекающихся поверхностей деталей, сопряженных по радиусу (например, поверхностей прикомлевых участков лопаток компрессора), которое выполняют методами обкатки и копирования. При формообразовании поверхностей методом копирования рабочие поверхности контактного копира должны быть эквидистантны на толщину абразивной ленты обрабатываемым поверхностям. Ширина ленты может превышать ширину обрабатываемой поверхности или составлять часть ее. В последнем случае формообразование радиусных участков производится поперечным движением лент относительно детали. В промышленности по этому принципу работает много станков: ЗЛШ-5 (ЗЛШ-52), ЗЛШ-9 (ЗЛШ-91) и др. Обрабатываемая деталь подается по нормали к поверхности на врезание под действием силы 50-100 Н к контактному копиру, который огибает абразивная бесконечная лента. Сила натяжения ленты составляет 10-30 Н на 10 мм ширины ленты. При обработке поверхностей с малым радиусом сопряжений стойкость лент существенно уменьшается.

До последнего времени полагали, что шлифовать титановые сплавы алмазными кругами неэффективно из-за химического сродства титана и углерода, что приводит к сильному изнашиванию режущих кромок алмазных зерен и последующему засаливанию поверхности инструмента. К тому же при алмазном шлифовании в поверхностном слое формируются остаточные растягивающие напряжения. К настоящему времени удалось создать алмазные круги на специальных металлических связках, которые синхронизировали процесс сглаживания режущих кромок зерен с их выкрашиванием из связки и обновлением рабочей поверхности инструмента, т.е. обеспечили самозатачивание алмазного круга. Алмазное шлифование успешно применяется на ММПП "Салют" при шлифовании пера лопаток компрессора.

Разновидностью алмазного шлифования является обработка детали с наложением постоянного тока. Шлифование осуществляют в электролите, при этом алмазный круг служит анодом. Анодное растворение связки круга и титана на поверхности круга позволяет поддерживать постоянные режущие свойства круга. Электрохимическое алмазное шлифование, как правило, формирует в поверхностном слое обрабатываемой детали благоприятные сжимающие напряжения.

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.

Фрезерование титана требует определенных условий

По сравнению с большинством других металлов, механическая обработка титана предъявляет более высокие требования и накладывает больше ограничений. Титановые сплавы обладают свойствами, способными существенно влиять как на процесс резания, так и на режущий материал. Если инструмент и режимы резания выбраны правильно, а также при хорошей жесткости станка и надежности закрепления заготовки, процесс обработки титана будет высокоэффективным. Многих проблем, которые традиционно возникают при обработке титана, можно избежать. Нужно лишь преодолеть то влияние, которое свойства титана оказывают на процесс обработки.

Многие из тех свойств, которые делают титан таким привлекательным материалом для изготовления деталей, оказывают влияние на его обрабатываемость, а именно:

высокое отношение прочности к весу, причем его плотность составляет, как правило, всего 60 процентов плотности стали,
имеет более низкий модуль упругости и более податлив, чем сталь,
обладает более высокой стойкостью к коррозии, чем нержавеющая сталь,
низкая теплопроводность.

Эти свойства означают, что титан генерирует относительно высокие и концентрированные силы резания при обработке. Это вызывает вибрацию в процессе обработки, что ведет к быстрому износу режущей кромки. Кроме того, титан плохо проводит тепло. Поэтому обработка титана требует от материала инструмента высокой красностойкости.

Трудности обработки титана

Принято считать, что титан с трудом поддается эффективной механической обработке. Но это не типично для и методов обработки. Трудности отчасти возникают оттого, что механическая обработка титана - новая область, и в ней не накоплено достаточно опыта. Кроме того, проблемы нередко носят относительный характер - в сравнении с ожиданиями или иным опытом, особенно в тех случаях, когда этот опыт касается обработки таких материалов, как чугун или низколегированные стали, которые предъявляют более низкие требования и прощают больше ошибок. Титан также может представляться трудным в обработке по сравнению с некоторыми сортами нержавеющей стали.

Хотя обработку титана, как правило, приходится выполнять при других скоростях и подачах, а также с соблюдением ряда предосторожностей, по сравнению с иными материалами, он может быть довольно легким в обработке. Если жесткая деталь из титана надежно зажата на станке соответствующей мощности, в хорошем состоянии и оборудованном шпинделем с конусом ISO 50 с коротким вылетом инструмента, проблем не должно возникать - при условии, что правильно выбран режущий инструмент.

Но идеальные, стабильные условия не всегда присутствуют при фрезеровании. Кроме того, многие детали из титана имеют сложную форму с мелкими, узкими или большими и глубокими карманами, тонкими стенками и фасками. Для успешной обработки этих форм неизбежно требуется инструмент более длинного исполнения, что может вести к деформации инструмента. Потенциальные проблемы с вибрацией чаще возникают при обработке титана.

Боремся с вибрацией и теплом

Прочие факторы, присутствующие в менее чем идеальных условиях, включают в себя тот факт, что большинство станков оснащены шпинделями с конусом ISO 40. Из-за интенсивности эксплуатации этих станков они недолго остаются новыми. Кроме того, конструктивные особенности обрабатываемой детали нередко затрудняют ее эффективное крепление на станке. Проблему усугубляет и то, что обработка, как правило, включает в себя прорезание канавок, контурную обработку или обработку кромок, а эти операции способны - хотя и не должны - приводить к вибрации. Поэтому необходимо постоянно принимать меры для ее предотвращения, по возможности повышая жесткость закрепления детали. Одним из способов решения проблемы является многоступенчатое крепление заготовок, при котором заготовки располагаются ближе к шпинделю, что ослабляет вибрацию.

Поскольку титан сохраняет твердость и прочность при высоких температурах, на режущую кромку пластины воздействуют мощные силы и нагрузки. При этом в зоне резания вырабатывается значительное количество тепла, а это означает опасность деформационного упрочения детали. Поэтому ключевое значение для успешной обработки приобретает правильный выбор марки сплава и геометрии сменной пластины. Исторически, мелкозернистые марки твердых сплавов без покрытия отлично зарекомендовали себя при обработке титана, и сегодня пластины с покрытием PVD способны существенно повысить эффективность.

Необходимые условия для расчетов режимов резания

Точность радиального и торцевого биения инструментов также имеет большое значение. Например, если пластины неправильно установлены в корпусе фрезы, возможно быстрое повреждение всех режущих кромок. Низкие допуски при изготовлении корпусов фрез или державок, степень их изношенности, наличие дефектов или низкое качество державки или износ шпинделя станка сильнее влияют на стойкость инструмента при обработке титана. Из-за этих факторов наблюдалось снижение стойкости до 80 %.

Хотя в целом предпочтение отдается геометрии с положительным передним углом, инструмент с несколько более отрицательным передним углом способен вести обработку при существенно более высоких подачах, которые могут достигать 0,5 мм на зуб. В этом случае очень важна жесткость станка и надежность закрепления заготовки.

При фрезеровании глубоких карманов полезно использовать инструмент различной длины с помощью адаптеров вместо того, чтобы выполнять всю операцию одним инструментом большой длины.

Минимальная рекомендуемая подача при фрезеровании титана обычно составляет 0,1 мм на зуб. Частоту вращения шпинделя также можно уменьшить с тем, чтобы получить исходную скорость подачи. Неверно выбранная частота вращения шпинделя способна сократить стойкость на 95 % при минимальной подаче на зуб.

Как только стабильные условия обеспечены, частоту вращения шпинделя и подачу можно пропорционально увеличивать для достижения оптимальной эффективности. Еще одно решение - убрать несколько пластин из фрезы или выбрать фрезу с меньшим количеством пластин.