Обработка титановых сплавов резанием

Обработка титана на токарном станке и выбор инструмента

Технология профессиональной токарной обработки титана сопряжена с рядом трудностей. Они обусловлены изначальными свойствами материала, которые напрямую влияют на выбор режима работы и инструмента.

Трудности обработки титана

Титан — это легкий металл с серебристым оттенком. Помимо превосходной механической стойкости практически не подвержен ржавлению. Это связано с формированием пассивирующей оксидной пленки TiO2. Процесс разрушения происходит только в щелочных средах.

Перед обработкой титана следует ознакомиться с его свойствами. Главная проблема заключается в высоких прочностных характеристиках этого металла. До недавнего времени считалось, что невозможно выполнить эффективный процесс резания титана на обычном токарном станке. В большинстве случаев инструмент быстро изнашивался, а качество обработки оставляло желать лучшего.

Это напрямую связано со следующими факторами:

• высокий показатель вязкости. В процессе резания происходит значительное повышение температуры в узкой области. В результате этого происходит налипание частиц металла на фрезу или сверло;
• титановая пыль имеет свойство взрываться. Это же относится и к стружке. Поэтому во время обработки следует соблюдать все меры безопасности;
• минимальная мощность оборудования. Для оптимизации процессов рекомендовано применять комплексные обрабатывающие станки. Они выполняют одновременно несколько операций, тем самым уменьшая вероятность появления вышеописанных факторов. Однако это влечет за собой удорожание оборудования.

Кроме этого, следует учитывать низкую теплопроводность материала. Практически все марки металлов и абразивов растворяются в титане. Поэтому следует выбрать специальный режущий инструмент, а также предварительно рассчитать режим его применения.

После окончательного изготовления детали она должна пройти процесс высокотемпературного оксидирования. Заготовку нагревают, а затем она проходит процесс охлаждения на открытом воздухе, это повышает износоустойчивость.

Режимы токарной обработки титана

Токарная обработка изделий из титана выполняется с применением специальных режущих инструментов. Существуют три основных этапа работ: предварительный, промежуточный и окончательный.

Для выбора оптимального режима работы необходимо знать основные технические параметры обработки. Они зависят от угла расположения инструмента в плане (Kr), величины подачи (Fn) и скорости резания (Ve). Для контроля температурного нагрева можно изменять скорость вращения заготовки, толщину образовавшейся стружки и глубину резания.

Рекомендации по значениям основных параметров токарной обработки титана в зависимости от области применения:

• черновая – до 10 мм. Она применяется для удаления неравномерной корки на титане. С ее помощью происходит формирование кольца-свидетеля, которое отрезается для анализа состояния материала по всей глубине заготовки. Рекомендуемые параметры: Kr – 3-10 мм; Fn – 0,3-0,8 мм; Ve – 25 м/мин;
• промежуточная – от 0,5 до 4 мм. Этот этап необходим для подготовки детали к окончательному резанию. В процессе может изменяться глубина резания, материал не должен содержать корки. Обязательно необходимо оставить припуск 1 мм для окончательного этапа. Рекомендуемые параметры: Kr – 0,5-4 мм; Fn – 0,2-0,5 мм; Ve – 40-80 м/мин;
• окончательная – 0,2-0,5 мм. На этом этапе выполняется окончательное удаление припусков, происходит формирование детали. К нему предъявляются высокие требования. Во время его выполнения следует максимально точно рассчитать режимы: Kr – 0,25-0,5 мм; Fn – 0,1-0,4 мм; Ve – 80-120 м/мин.

Для всех вышеописанных режимов рекомендуется применять специальные охлаждающие жидкости. Это позволит уменьшить влияние температурного налипания стружки к поверхности резца.

При увеличении глубины резания необходимо снижать значение подачи. На криволинейных участках значение этого параметра может составить 50% от номинального.

Выбор инструмента для токарной обработки титановых сплавов

Важным моментом является правильный выбор токарного инструмента. Зачастую для этого применяют резцы со сменной режущей частью. Они могут иметь различную форму, которая определяет угол и степень обработки титана.

Выбор определенной модели резца зависит от текущего режима работы и характеристик оборудования. Но существуют общие рекомендации по форме и материалу изготовления режущего инструмента:

• предварительная. Применяются пластины квадратной или круглой формы (с большим диаметром). Рекомендуемый размер — iC19. В качестве материала изготовления лучше всего использовать сплав H13A без покрытия;
• промежуточная. Оптимальным вариантом являются круглые пластины. Для уменьшения теплового эффекта глубина вхождения резца не должна превышать 25% от диаметра инструмента. Используемые сплавы для изготовления — H13A (без покрытия) и GC1115 с PDV покрытием. Последний вариант позволит добиться оптимального соотношения точности и износоустойчивости инструмента;
• окончательная. Применяются пластины с шлифованными режущими кромками. Применяемые сплавы: H13A (без покрытия); GC1105 (PVD, с острыми кромками); CD10 (PCD).

Для выполнения последнего этапа необходим точный станок с функцией подачи охлажденной жидкости под высоким давлением. При формировании тонкостенных деталей снижается радиальная составляющая силы резания.

В видеоматериале даются практические советы по обработке титана:

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Главная страница » Токарная обработка титана

Токарная обработка титана

Ввиду малых скоростей при обработке титана наблюдается высокое трение инструмента, что вызывает большое выделение тепла. Так при выборе малых радиусов при вершине режущей пластины этот радиус просто «сгорает», поэтому выбираем радиусы побольше. Контролировать температуру в зоне резания можно скоростью, толщиной стружки и глубиной резания.

Обязательно применение СОЖ, и желательно под высоким давлением. Необходимо точно направить подачу СОЖ в зону резания. Используя СОЖ под давлением (80 бар) можно повысить скорость резания на 20%, стойкость инструмента на 50%, а также улучшить стружкодробление.

Для обработки титановых сплавов не используйте инструменты на основе керамики.

Выбор инструмента для наружной токарной обработки

Предварительная обработка:

— Квадратные пластины с большим радиусом вершины, возможно назначить большую глубину резания.

— Круглые пластины больших размеров.

— Использовать стружколомы для тяжелой обработки, стружколомы снижающие силу резания, стружколомы с улучшенным контролем стружкообразования.

— Используйте твердые сплавы без покрытия.

— Круглые пластины (имеется возможность назначить высокие скорости резания, высокую подачу, присутствует меньший износ, небольшая глубина резания.)

— Использовать сплавы без покрытия, или как вариант PVD-покрытие для обеспечения сочетания прочность-износостойкость.

— Снижать подачу при увеличении глубины.

— Выбирать радиус пластины меньше, чем радиус скругления на детали, так не придется занижать радиус.

— На криволинейных участках снижайте подачу на 50%.

— Трохоидальное точение – первый выбор.

— Если невозможно трохоидальное точение используйте врезание под углом.

— Выбирайте пластины с шлифованными режущими кромками, они повышают стойкость и снижают силы резания.

— Предпочтение имеет острая геометрия, но также учитывайте требование стабильности при выборе геометрии и формы пластины.

— Для тонкостенных деталей выбирайте главный угол в плане Kr=45 градусов и радиус при вершине не более 3хap, острую геометрию с небольшим радиусом округления режущей кромки. Используйте относительно низкую подачу 0,15 мм/об.

— Для жестких деталей выбирайте большой радиус при вершине и большой радиус округления режущей кромки.

— Выбирайте сплав без покрытия, или с PVD-покрытием и острой кромкой для снижения сил резания и повышения скорости резания, или поликристаллический алмаз (PCD) для обеспечения высокой стойкости и скорости резания. По сравнению с твердым сплавом без покрытия PCD может увеличить скорость в 2 раза

Рекомендации при использовании круглых пластин

1. Используйте рекомендацию назначения ap, как на рисунке ниже.

Режимы токарной обработки титана

Для обработки титана характерны малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение.

Предварительная обработка (тяжелая черновая обработка, удаление корки и т.д.): ap=3-10 мм, fn=0.3-0.8 мм, Vc=25 м/мин.

Промежуточная обработка (черновая, получистовая обработка без корки, профильная обработка и т.д.): ap=0.5-4 мм, fn=0.2-0.5 мм, Vc=40-80 м/мин.

Окончательная обработка (получистовая, чистовая обработка, финишная обработка и т.д.): ap=0,25-0,5 мм, fn=0.1-0.4 мм, Vc=80-120 м/мин.

Выбор инструмента для внутреннего растачивания

Предварительная обработка:
— Главный угол в плане 90 град, но не менее 75 град. Это снизит отжатие оправки и вибрации.
— Используйте твердый сплав без покрытия.
— Используйте максимально возможный диаметр оправки и минимальный вылет.

Промежуточная обработка:
— Главный угол в плане 93 град, угол при вершине 55 град.
— Стружколом обеспечивающий низкие силы резания.
— Твердый сплав без покрытия.
— Максимально возможный диаметр оправки, минимальный вылет
— При необходимости антивибрационный инструмент.

Окончательная обработка:
— Позитивные пластины с задним углом и острая геометрия для снижения сил резания и меньшего отжатия инструмента.
— Шлифованная пластина, угол при вершине 55 град, главный угол в плане 93 град
— Твердый сплав без покрытия.
— Максимально возможный диаметр оправки, минимальный вылет
— При необходимости антивибрационный инструмент.

Далее мы рассмотрим фрезерование титана, выделим основные приемы для преодоления всех сложностей обработки титана уже на фрезерных станках.

Титан: особенности обработки

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 современных инструментов 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.

Другие статьи по сходной тематике

Основные понятия о токарной обработке и токарных станках.

Стали марок AISI 409, 430, 439 — аналоги отечественных марок 08×13, 12×17 и 08×17Т

Гидравлические гильотинные ножницы, гильотинные ножницы с ЧПУ для раскроя и обработки листовых материалов.

Правила нанесения обозначений шероховатости поверхностей на чертежах

Обработка резанием титановых сплавов

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Упруго-пластическое деформирование при резании метал­лов весьма сложно. Оно находится во взаимной связи с дру­гими факторами и явлениями, сопутствующими процессу реза­ния. Поэтому более полная характеристика физических основ резания титановых сплавов может быть получена лишь при комплексном исследовании тепловых явлений, деформаций по­верхностных слоев, сил резания, износа режущего инструмента и качества обработанной поверхности.

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

Тепло, возникающее в процессе резания, оказывает влияние на состояние, слоя под обработанной поверхностью, шерохо­ватость поверхности, точность обработки, а также на износ и стойкость режущего инструмента. Под влиянием тепла изме­няются условия трения на передней и задней поверхностях ин­струмента, деформация срезаемого слоя, наростообразование и другие явления.

Исследованию был под­вергнут высокопрочный титановый сплав отечественного произ­водства ВТЗ-1. Химический состав, механические и теплофизи-ческие свойства заготовки этого сплава взяты в пределах, ука­занных в табл. 1 и 2. Выбор сплава ВТЗ-1 обусловлен тем, что он имеет (α +β)-структуру, т. е. занимает среднее положение между а- и β-сплавами, поэтому полученные при исследовании результаты являются наиболее типичными. Кроме того, сплав ВТЗ-1 получил наибольшее распространение.

Для получения сравнительных данных были исследованы также сплавы -на основе железа (ЗОХГСА) и никеля (ХН70ВМТЮ). Заготовки этих сплавов находились в состоянии поставки. Химический состав и физико-механические свойства их удовлетворяли техническим условиям.

ВТЗ-1 почти в 2 раза превышает температуру, возникающую при обработке стали 30ХГСА. Она близка к температуре, раз­вивающейся при точении в тех же условиях жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ, процесс резания которого характеризуется весьма напряженным тепловым режимом. Сравнение получен­ных результатов с данными, приведенными в работе [56], пока­зывает, что температура при резании титанового сплава ВТЗ-1 в среднем в 2 раза выше температуры резания стали 40Х и в 3—4 раза выше температуры, возникающей при обработке алюминиевых сплавов. Это свидетельствует о том, что резание титановых сплавов характеризуется весьма высокими темпера­турами, физическая сущность возникновения которых изложена ниже.

При резании пластичных материалов, к которым относится технический титан и его сплавы, работы упругих деформаций и диспергирования незначительны, поэтому основными источниками тепловыделения следует считать пла­стическую деформацию и трение.

Титановые сплавы по сравнению со сплавами на основе никеля и железа, как было показано выше, характеризуются меньшей пластической деформацией. Подобное заключение следует также из сравнения коэффициен­тов усадки стружки титановых и никелевых сплавов (рис. 19). Следовательно, можно предполо­жить, что при резании титановых сплавов выделяется меньшее ко­личество тепла, чем при обработ­ке сталей и сплавов на основе никеля.

Согласно приведенным данным интенсивность выделения тепла в деталь при обработке титановых сплавов ниже, чем при. обработке сплавов на основе никеля со сталью 45 выделении тепла у тита­нового сплава ВТ2 при точении сви­детельствуют и кривые на рис. 20. Можно было ожидать, что при реза­нии температура в деформированной зоне титановых сплавов должна быть ниже, чем у сталей. Однако рассмот­ренные ранее результаты эксперимен­тального исследования температуры резания показывают обратное. Темпе­ратура резания титанового сплава (см. рис. 17, б) достигает 800° С уже при υ = 40 м/мин, s = 0,17 мм/об и t — = 1,5 мм; при резании же стали 45, по данным исследования [2], анало­гичная температура возникает при значительно более высоких параметрах режима резания, а именно: v= 100 м/мин, s = = 0,29 мм/об и t=2 мм.

Таким образом, высокой температуре резания титановых сплавов, значительно превосходящей температуру три анало­гичной обработке сталей, соответствует сравнительно неболь­шое количество выделившегося тепла, меньшее, чем при резании в тех же условиях сплавов на основе железа и никеля.

ИЗНОС РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПОЛУЧИСТОВОЙ И ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКЕ.

При чистовом и полулистовом непрерывном точении исследуемых титановых сплавов резцами, оснащенными пла­стинками из однокарбидного твердого сплава, процесс износа может быть представлен в следующем виде. В начальный пе­риод резания на задней поверхности резца, вдоль режущей кромки, наблюдается появление характерных штрихов износа, являющихся результатом трения между соответствующим кон­тактным участком резца и поверхностями обрабатываемой за­готовки. Износ по передней поверхности при этом представляет след сходящей стружки и имеет вид лунки, более или менее оформленной в зависимости от условий обработки (режима ре­зания и марки твердого сплава). При дальнейшем резании происходит развитие износа как по передней, так и особенно по задней поверхности (рис. 57, д—ж; 58, д). На передней поверх­ности развитие износа проявляется в окончательном оформлении лунки, увеличении ее размеров, сопровождающемся устранением перемычки между лункой и режущей кромкой (рис. 57,а), в возникновении местного прорыва кромки (рис. 57,6 и г) и, на­конец, в разрушении лунки, при котором по ее наружному кон­туру выкрашивается кромка (рис. 58,а), вследствие чего передний угол в зоне контакта оказывается отрицательным. Так как при выкрошенной режущей кромке требуемое качество об­работанной поверхности и. прилегающего к ней слоя не может быть гарантировано, то при чистовой обработке деталей из титановых сплавов износ передней поверхности, определяющий необходимость переточки резцов, следует характеризовать ста­дией исчезновения перемычки или началом образования местного прорыва кромки. Этим этапам износа по передней поверхно­сти, как показывают наблюдения и результаты исследования (рис. 57,6 и г), соответствует износ по задней поверхности, равный 0,3—0,4 мм. При получистовом точении, основываясь на результатах проведенных исследований остаточных напря­жений первого рода и наклепа, а также исходя из требований точности и чистоты обработки, оказывается возможным допу­щение большего износа по передней поверхности, определяе­мого прорывом перемычки и наличием выкрашиваний режущей кромки в зоне контактных поверхностей. Такому затуплению соответствует износ по задней поверхности, равный 0,4—0,5 мм (рис. 58, д).

Согласно приведенным данным (рис. 59—62) износ по зад­ней поверхности указанных резцов по мере увеличения продол­жительности резания характеризуется закономерным измене­нием, возрастанием от узкой, не всегда четко оформленной ленточки штрихов до явно выраженной фаски износа, величина которой не превосходит указанного значения, установленного в качестве критерия за­тупления. Дальнейшее резание сопровождается наиболее ин­тенсивным развитием износа. При этом происходит не только

истирание, но и выкрашивание кромки по наружному контуру разрушенной лунки (см. рис. 58, а) —наиболее характерное для резцов, оснащенных пластинками из твер­дых сплавов ВКЗМ, ВК4 и ВК6М (см. рис. 58,б и в), и приводящее их к катастрофическому износу по задней поверх­ности в виде отслаиваний и сколов (см. рис. 58, г).

Износ резцов, оснащенных пластинками из двух- и трехкарбидных твердых сплавов, по внешнему виду (см. рис. 57, а; 58, е и ж) аналогичен износу, наблюдаемому у резцов с пластинками из сплавов ВК2, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8Та, ВК12Та. Однако процесс износа у этих резцов протекает значительно интенсивнее. Это заключение следует из сравнения фотографий резцов (см. рис. 57, α, в; 58, д, е, ж) и кривых износа (см. рис. 60, а, б).

Резцы из быстрорежущей стали раз­личных марок (Р18, Р9Ф5 и др.), по­добно рассмотренным, характеризуются износом, происходящим на передней и задней поверхностях, причем преобла­дание износа на задней поверхности выражено более харак­терно (рис. 63). При средних скоростях резания для резцов с пластинками из сплавов ВК2 и ,ВК4 быстрорежущие резцы подвергаются настолько значительному износу, что не могут быть сравнимы с указанными резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов. Поэтому быст­рорежущий инструмент находит применение лишь при работе на небольших скоростях резания, в среднем не превышающих 10—15 м/мин (см. рис. 61,6), причем в тех случаях, когда не представляется возможным изготовить режущий инструмент, оснащенный твердым сплавом. Проведенное исследование износа ин­струмента, применяемого при выполнении этих видов обработки, показало, что общей особенностью затупления сверл и раз­верток, оснащенных пластинками, из твердого сплава ВК8, а также быстрорежущих сверл, разверток, метчиков и протяжек является преобладание износа по задней поверхности (рис. 64). Однако у быстрорежущих инструментов наряду со значительным износом по задней поверхности происходит быстрое притупление режущих кромок, в то время как у сверл, разверток и протяжек, оснащенных пластинками из твердого сплава ВК8, режущие кромки практически остаются острыми и при наличии износа по задней поверхности. Притупление кромок приводит не только к увеличению износа по задней поверхности, но и к потере (уменьшению) размера развернутого отверстия или протяну­того паза. Указанное явление связано с низким модулем упру­гости титановых сплавов и, следовательно, значительной склон­ностью их к упругому деформированию. Вследствие этого воз­росшие при обработке затупленным инструментом силы резания вызывают существенные упругие деформации обрабатываемой детали.

Особенности обработки 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.

Обработка титана на токарном станке

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 TiO₂. 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:

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:

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.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.