Режимы резания при токарной обработке титана

Узнайте, как обрабатывать титан, это проще, чем вы думаете, особенно с нашим бесплатным контрольным списком.

Выхлоп из титана для спорткара McLaren…

Титан и его сплавы используются в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и многих других областях. Преимущество металла — это следующие свойства:

• Устойчив к ржавчине и химическим веществам
• Он пригоден для вторичной переработки
• Возможно, его самая большая привлекательность в том, что он чрезвычайно прочен для своего веса. Это один из самых легких металлических элементов в периодической таблице Менделеева — лишь немногим более половины веса нержавеющей стали.

Эти свойства очень желательны для ряда конкретных целей:

• Авто, военная промышленность и авиакосмическая промышленность.   Любая авиакосмическая промышленность ценит высокую прочность и малый вес, но титан также обладает устойчивостью к коррозии и химическим воздействиям, что может сделать его ценным в силовых установках. Интересно, что из него также получается хорошая броня. Это экономит 15-35% веса по сравнению со стальной или алюминиевой броней с такой же баллистической стойкостью. Поскольку автопроизводители усерднее работают над уменьшением веса автомобилей, будь то из соображений производительности или экономии топлива, они рассматривают возможность увеличения количества титана. Некоторые свойства титана идеально подходят для таких вещей, как клапаны двигателя внутреннего сгорания.
• Корабли : коррозионная стойкость титана полезна в океанских применениях.
• Медицина и стоматология . Имплантаты, такие как тазобедренные и коленные суставы, костные пластины и кардиостимуляторы, являются одними из многих областей применения, которые приносят пользу. Титан является идеальным биосовместимым материалом, поскольку он имеет низкую электропроводность, высокую коррозионную стойкость и термодинамическое состояние при физиологических значениях pH. Он также способствует интеграции с костью.
• Спорт, ювелирные изделия и многое другое: давайте посмотрим правде в глаза: титан — один из тех «волшебных» материалов, за которые общественность будет платить независимо от того, действительно ли он нужен.

Но есть препятствия для работы с титаном, его довольно сложно обрабатывать. К счастью, есть решения для каждого препятствия. В этой статье вы узнаете, как выбрать подходящие инструменты, а также как использовать эти инструменты с правильными параметрами подачи и скорости, осевым и радиальным зацеплением и всеми остальными параметрами, необходимыми для успешной работы с титаном.

Почему титан так сложно обрабатывать?

Когда вы услышите полный список того, что делает Titanium настолько сложным для обработки, вы можете задаться вопросом, как мы вообще это делаем. Но наберитесь духа, у нас будет стратегия, чтобы справиться с каждым препятствием.

Препятствия титана

• Титановые сплавы имеют низкий модуль Юнга . Модуль Юнга — это, по сути, жесткость материала. На практике это означает, что титан будет больше страдать от упругого возврата и вибрации, чем другие материалы. Это может привести к ухудшению качества поверхности и другим проблемам с готовой работой.
• Титан липкий (так же, как алюминий липкий и хочет привариться к резцу). Такое сочетание механического упрочнения и липкости создает длинные стружки, которые хотят обернуть вокруг всего. Эти путаницы делают практически невозможной полную автоматизацию обработки титана. Непостоянная стружка, приставшая к режущей кромке, может быть причиной выкрашивания инструмента, особенно при входе или выходе из пропила.
• Титан плохо проводит тепло. Из-за прочности титана выделяется больше тепла, и от него сложнее избавиться. По сравнению с другими материалами, мы гораздо больше полагаемся на охлаждающую жидкость, а не на стружку, чтобы отвести это тепло до того, как оно повредит наши режущие инструменты.
• Титан, скорее всего, затвердеет. Деформационное упрочнение вызывается недостаточным контролем нагрева в резке.
• Давление резания титана очень высокое. Это означает, что резак получает сильный толчок при входе в разрез или выходе из него. Неспособность контролировать это приведет к чрезмерному выкрашиванию ваших инструментов при входе или выходе.

Как и большинство металлов, существует множество титановых сплавов (около 40 марок ASTM, а также несколько дополнительных сплавов).

Сорта с 1 по 4 в основном представляют собой технически чистый титан, градуированный по пределу прочности на разрыв. Марка 5 (Ti6Al4V или Ti 6-4) — наиболее распространенный титановый сплав. Он содержит 6% алюминия и 4% ванадия.

Титан обычно делится на 4 класса:

• Необработанный, технически чистый титан
• Альфа-сплавы: добавьте Al, O и / или N.
• Бета-сплавы: добавить Mb, Fe, V, Cr и / или Mn
• Смешанная альфа + бета позволяет: Присутствует смесь аддов для каждого.

Инструмент для обработки титана

Первое, что нужно сделать — это правильно выбрать инструмент для титана. Не берите первую обычную концевую фрезу, которую найдете, и надейтесь на хорошие результаты. Следуйте этим 6 правилам, чтобы выбрать инструменты, которые лучше подходят для Titanium.

1. Используйте больше канавок при обработке титана

Свойства титана позволяют снизить частоту вращения и нагрузку на микросхему. Концевая фреза с 10 зубьями слишком тугая для тех нагрузок, с которыми может справиться большинство материалов, но она может отлично работать с титаном, особенно с учетом того, что вам нужно уменьшить радиальные зацепления. Увеличение количества канавок — единственный способ сократить время цикла до уровня производительности.

Возможность удерживать большее количество зубьев в резке также снижает вибрацию. Недостаточная жесткость титана делает его более восприимчивым к вибрации.

2. Сохраняйте резкость и избегайте прерывистых резов при обработке титана

Титан одновременно жесткий и эластичный (вспомните низкие модули Юнга). Это означает, что нам нужен острый инструмент, чтобы эффективно и без трения проникнуть под поверхность и разрезать стружку.

К сожалению, этот острый край тонкий. Старайтесь избегать прерывистых резов, которые могут забить стружку в ваши инструменты с острыми краями.

3. Покрытия имеют значение при обработке титана

Покрытия могут значительно повысить способность вашего инструмента выдерживать условия, в которых обрабатываются изделия из титана. Хорошим покрытием является TiAlN. Он особенно хорошо подходит для температур, характерных для обработки титана, и добавляет смазывающие свойства, помогая бороться с заеданием и сваркой стружки.

Если у вас возникли проблемы с TiAlN, вы также можете попробовать карбонитрид титана (TiCN). Алмазное PVD-покрытие тоже хорошо работает.

Избегайте керамики и CBN. Керамика не работает с охлаждающей жидкостью, а связка CBN слишком быстро разлагается при обработке титана.

4. Формы пластин для обработки титана

Круглые пластины (тороидальные или ножницы для пуговиц) отлично подходят для титана, но такая форма подходит не для всех приложений. Попробуйте использовать фрезу, которая устанавливает пластину с некоторым углом в плане.  Торцевая фреза под 45 градусов предпочтительно под углом 90 градусов. Угол в плане способствует утонению стружки, как и круглые пластины.

5. Попробуйте фрезы с высокой подачей при обработке титана

Призыв сохранять низкое зацепление с титаном как в осевом, так и в радиальном направлениях — это музыка для ушей энтузиастов High-Feed. Именно для этого предназначены эти инструменты.

6. Вторичное облегчение делает ваши инструменты жестче

Вам понадобится острая кромка для титана. Вторичный рельеф просто означает наличие немного говядины прямо за краем, чтобы поддержать его.

Советы по обработке титана

1. Уменьшите радиальное зацепление, чтобы контролировать тепло

Титан не проводит тепло, почти наоборот. Очень важно поддерживать низкое радиальное зацепление. Вы должны оставить время, на которое режущая кромка подвергнется воздействию тепла, и оставить время и зазор для работы охлаждающей жидкости.

Чистовая обработка титана требует, чтобы очень маленький процент радиуса инструмента находился в контакте (то есть небольшое радиальное зацепление), отточенная режущая кромка, которая очень острая, высокая скорость обработки (попадание в верхний предел диапазона) и очень минимальная подача на зуб .

Если вам необходимо вырезать паз, попробуйте использовать трохоидальную траекторию, а не захват на всю ширину. Для полных слотов вам придется набрать скорость вращения ПУТЬ обратно. Это будет зависеть от вашего инструмента и покрытия, но может снизиться до десятков SFM.

2. Предотвратить вырывание инструмента

Высокоточные гидравлические патроны Sandvik действительно надежно удерживают инструмент и предотвращают вырывание …

При обработке титана обычно возникают огромные силы резания, удары и вибрация. Они также отлично подходят для вытаскивания хвостовика инструмента из держателя. Даже небольшое скольжение радикально увеличивает глубину резания, что увеличивает силы резания, что приводит к большему скольжению. Это порочный круг, и вы должны его избегать.

Используйте соответствующие процедуры с цангами, чтобы убедиться, что они держатся как можно плотнее. Держите все в чистоте и затяните цанги до оптимальных характеристик.

Держатели хвостовиков Weldon еще более надежны при выдергивании, как и патроны для гидравлических фрез.

3. Сделайте стружку более толстой: фрезерование с подъемом

Эта начальная толстая часть чипа будет уносить больше тепла. Избавление от тепла в стружке очень важно, потому что чем больше в стружке, тем меньше остается в заготовке инструмента. Тонкий конец стружки также с меньшей вероятностью приваривается к фрезу, поэтому Climb Milling дает двойной бонус при обработке титана.

4. Дуга в разрезе

Это хорошая стратегия для многих труднообрабатываемых материалов, таких как нержавеющая сталь или жаропрочные никелевые сплавы. Дуга снижает удар, поскольку инструмент входит в материал впервые. Если вы будете подавать прямо, ваш инструмент будет часто откалываться от ударов, и долго после этого он не прослужит.

5. Предварительное фрезерование фаски в конце резания

Вы можете сделать дугу из пропила, как надрез на поверхности материала. Но сложнее сделать дугу из чего-то вроде щели, где резак выходит из стены. Создание фаски под углом 45 градусов в конце прохода — хороший способ минимизировать шок при выходе. Оставление этой фаски может означать планирование заранее и оставить материал для фаски, который будет обработан позже.

6. Выберите инструмент гораздо меньшего диаметра, чем минимальный радиус кармана

В случае алюминия мы привыкли использовать инструмент, имеющий лишь немного меньший радиус (диаметр / 2), чем минимальный внутренний радиус кармана.

 Это может привести к тому, что инструмент будет сильно защищен от охлаждающей жидкости, что недопустимо при обработке титана.

 Вместо этого выберите инструмент, радиус которого (диаметр / 2) составляет не более 70% этого минимального внутреннего радиуса. Это гарантирует, что останется место для большого количества охлаждающей жидкости.

7. Изменяйте осевую глубину при каждом проходе

Титан опасен, и место, где инструмент особенно сильно изнашивается, находится прямо в верхней части зоны резания. Тот интерфейс, где выпускаются чипы. Этот износ настолько серьезен, что вы значительно выиграете от изменения величины осевого зацепления на каждом проходе при обработке титана.

Правильно, не делайте 3 прохода одинаковой глубины, чтобы добраться до дна вашего кармана. Сделайте 3 прохода, каждый проход имеет разную глубину.

8. Ограничьте осевую глубину с помощью тонких стенок и изящных элементов

Гибкость титана означает, что он хочет вибрировать и болтать. Тонкие стены и стройные детали только усугубляют ситуацию. Каждый раз, когда толщина стены более чем в 8 раз превышает ее толщину (или такая же проблема возникает у тонкой детали), вам нужно проявлять особую осторожность.

Лучший способ позаботиться о том, чтобы оставить достаточно большой припуск для чистовой обработки, чтобы учесть изгиб, а затем выполнить чистовой проход с малой осевой глубиной резания, но большой радиальной глубиной резания.

9. Используйте охлаждающую жидкость под высоким давлением

Помните, что титан очень плохо проводит тепло. Возможно, ваша духовка лучше проводит тепло, LOL!

Трудно вывести тепло из рабочей зоны. Оставленный там, он приведет к разрушению наших режущих инструментов, а тепловые эффекты затруднят соблюдение допусков. Поэтому нам нужна наилучшая настройка охлаждающей жидкости, которую мы можем получить при обработке титана.

Система охлаждающей жидкости под высоким давлением действительно помогает . В зависимости от области применения, сквозной шпиндель также может иметь решающее значение.

Вы также можете обнаружить, что увеличение концентрации охлаждающей жидкости полезно для титана. Ему нужен дополнительный «сок» для смазывания и предотвращения приваривания стружки.

10. Используйте правильную подачу и скорость

Я часто говорю о балансе скорости подачи и числа оборотов шпинделя в «зоне наилучшего восприятия»:

Сладкое пятно не показано в масштабе, потому что оно меняется от одного материала к другому. Сложные материалы имеют очень маленькую золотую середину. Диапазон значений, которые работают, невелик. Соответственно, вам нужны хорошие подачи и скорости, желательно сгенерированные с помощью высококачественного калькулятора подачи и скорости, такого как наш G-Wizard.

Эй, если вы не верите, что хорошая подача и скорость имеют значение, обратите внимание на этого клиента G-Wizard, который сделал нижний приемник Titanium AR-15 на крошечной фрезерной машине с ЧПУ.

11. Жесткая машина и жесткая оснастка

А вот и гибкость Titanium снова. Поскольку он относительно гибкий, вы обнаружите, что ваши настройки должны быть как можно более жесткими, чтобы уменьшить вибрацию и дребезжание. Чем жестче ваш станок и чем жестче обрабатываемая деталь, тем лучше для обработки титана.

12. Попробуйте врезное фрезерование и HSM

Плунжерное фрезерование — одна из моих любимых траекторий черновой обработки для ситуаций касания, потому что оно передает максимально возможное усилие резания через ось инструмента, которая является наиболее жесткой частью инструмента и (обычно) станка с ЧПУ.

Единственным реальным недостатком является то, что все гребешки означают, что врезное фрезерование является строго черновой стратегией. Вам нужно будет выполнить чистовой проход, чтобы сделать стенки гладкими для обработки титана.

Заключение: планируйте заранее и будьте систематичными, и вы это поняли

Ого! Об этом нужно помнить!

Ждать. У тебя есть это. Вы знаете, что вам нужно делать, как выбрать правильный инструмент и как его использовать. Вы знаете, почему, какие препятствия необходимо преодолеть при обработке титана.

Тот факт, что есть много этапов, означает, что вам нужно заранее планировать и систематизировать обработку титана. Составьте контрольный список для титановых работ и убедитесь, что вы применяете все стратегии. Вскоре этот контрольный список станет вашей второй натурой.

Но до тех пор, пока это не произойдет, это поможет вам преодолеть проблемы и подводные камни.

Резание титановых сплавов

Основные особенности обработки резанием титановых сплавов следующие.

Малая пластичность, приближающая их по свойствам к высокопрочным материалам. Это видно из значений, характеризующих пластичность материалов.

По этому параметру (способности к упрочнению) титановые сплавы резко отличаются от жаропрочных, имея примерно в два раза большие значения и значительно более низкие б и ф.

Поэтому при обработке титановых сплавов вследствие их пониженной пластичности величина составляющей силы резания на 20% ниже, чем для сплавов на основе железа.

Малая пластичность титановых сплавов приводит к тому, что при их обработке образуется специфическая стружка, по внешнему виду похожая на сливную, имеющая трещины, которые разделяют ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связанные между собой тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой формы стружки объясняется тем, что с ростом скорости резания пластическая деформация не успевает стружки у менее пластичных титановых сплавов или при обработке с большими подачами происходит при меньших скоростях резания. Так, при обработке титанового сплава ВТ2 элементная стружка образуется при меньших скоростях резания, чем при обработке сплава ВТ1.

Высокая химическая активность, выражающаяся при обработке резанием способностью титановых сплавов к активному взаимодействию с окружающей средой.

Благодаря этому по мере увеличения температуры в зоне резания происходит сильное поглощение кислорода и азота воздуха, что способствует повышенному окислению.

Это вызывает интенсивное окалино-образование и охрупчивание материала вследствие диффузии кислорода в обрабатываемый материал и его наводороживания. Поэтому при обработке резанием титановых сплавов выделяется относительно меньшее количество тепла, чем при обработке резанием жаропрочных сплавов.

Вместе с тем титановые сплавы имеют еще более худшую теплопроводность, чем жаропрочные стали и сплавы; следствие этого при резании титана возникает в среднем в 2,2 раза большая температура, чем при обработке стали 45. Поэтому температура в зоне резания вследствие плохой теплопроводности титана продолжает оставаться высокой, вызывая тем самым структурные превращения и сильное взаимодействие с воздухом.

В результате пониженных пластических свойств титановых сплавов образование в процессе деформации опережающих макро протекать в основном объеме, концентрируясь в контактном слое, где возникают высокие давления и температуры.

В связи с этим в отличие от обычных сталей у титановых сплавов меняется вид стружки с ростом скорости резания в обратном направлении: сливная стружка переходит в элементную. Это изменение формы и микротрещин занимает значительное место.

Это объясняет также образование при резании титановых сплавов больших углов сдвига с малой усадкой стружки; как правило, коэффициент усадки ее по длине близок к единице.

Это видно из значений коэффициента усадки различных марок титановых и твердых сплавов, а также зависимости продольной деформации стружки от скорости резания (б) и подачи. В ряде случаев в результате поглощения кислорода и азота воздуха при обработке титановых сплавов получается так называемая отрицательная усадка, т. е.

длина образующейся стружки 1С больше пути резания. При обработке на тех же режимах резания, но в струе аргона, отрицательной усадки не наблюдается. Уменьшение усадки .стружки с ростом скорости резания объясняется также резким снижением сил трения стружки о переднюю поверхность режущей части резца.

Титановые сплавы характеризуются высокими коэффициентами трения, что ограничивает их применение для подвижных соединений. Несмотря на это, в процессе резания на контактных поверхностях коэффициент трения снижается до 0,2-0,4. Это примерно в 1,5 раза меньше, чем для жаропрочной стали ЭИ787. Малая усадка стружки приводит к повышенной скорости скольжения ее по передней поверхности инструмента при тех же скоростях резания.

Рассмотренные выше особенности резания титановых сплавов и прежде всего высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха резко снижает площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента; по сравнению с обработкой конструкционной стали той же твердости эта площадь снижается в 2—3 раза. Окисление контактного слоя стружки приводит к повышению ее твердости. Малая площадь контакта стружки, сочетаясь с достаточно высокой прочностью титановых сплавов, приводит к большим нормальным давлениям и при повышенной твердости стружки — к повышенному износу, а при малой теплопроводности титана — к высоким температурам, вызывающим явления схватывания и задиры. С другой стороны, активное воздействие внешней среды при обработке титана резанием вызывает интенсивное наростообразование.

Так же как и при обработке нержавеющих и жаропрочных материалов, титановые сплавы оказывают высокое абразивное воздействие на инструмент вследствие содержания в них высокотвердых включений в виде окислов нитридов и карбидов; титановые сплавы характеризуются и пониженной виброустойчивостью движения резания. При обработке титановых сплавов происходит увеличение составляющих силы резания при относительно небольшой. В отличие от жаропрочных титановые сплавы сильно снижают свою прочность при повышении температуры. Интенсивность уменьшения прочности превышает даже эти значения для сплавов на основе железа.

Обработка резанием по корке многих кованых, прессованных или литых заготовок из титановых или других видов труднообрабатываемых материалов вызывает дополнительное ухудшение обрабатываемости.

Это обусловлено усиленным абразивным и ударным воздействием на рабочие поверхности инструмента неметаллических включений, окислов сульфидов-силикатов, а также многочисленных пор, образующихся в поверхностном слое при отливке или прессовании.

Последнее еще более усиливается значительными поверхностными неровностями корки.

При определении оптимальных режимов резания титановых сплавов особое внимание следует уделять вопросам техники безопасности. Образование тонкой стружки, тем более пыли, в процессе стружкообразования приводит к ее легкому воспламенению с интенсивным горением. Титановая стружка, покрытая маслом, склонна к самовозгоранию.

Пылеобразная стружка взрывоопасна и вредна для здоровья обслуживающего персонала. Учитывая изложенное, не следует допускать скоплений титановой стружки; при обработке резанием титановых сплавов не следует назначать подачи менее 6,08 мм/об, работать инструментом с износом более 0,8—1,0 мм, со скоростями резания более 100 мм/мин.

При точении титанового сплава ВТ1 допускается большая скорость резания— до 150 м/мин.

Следует учитывать, что электрохимическая обрабатываемость .титановых сплавов сильно зависит от величины пульсации выпрямленного тока.

Так, их обработка почти прекращается (за исключением использования электролита № 4) при использовании генераторов типа АТН 5000/2500, дающих сглаженную пульсацию.

Наоборот, хорошие результаты дает пульсирующая форма тока, получаемая от трехфазного выпрямителя типа ВКГЮОА.

Механическая обработка титана

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 механической обработке титана — 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

плазменная резка металла 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 резка металла плазмой, самый эффективный способ металлообработки

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

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 8500С — 9500С 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 8500С 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.

Перейти к списку статей >>

Механическая обработка титана

В резании на тяжелых режимах существуют особые требования к станку, инструменту и техпроцессу.

А если речь идет о таком сложном в обработке материале, как титан, необходимо обладать особым know-how, чтобы их удовлетворить. WFL Millturn Technologies GmbH & Co.

KG имеет собственное решение задачи изготовления деталей самолетных шасси из титана, которое подчеркивает компетентность фирмы в данной области.

Австрийская станкостроительная фир­ма WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG является ведущей в мире в области ком­плексной механообработки.

Это уникальное предприятие концентрируется исключи­тельно на производстве мультифункцио- нальных токарно-сверлильно-фрезерных центров, а также предлагает своим заказ­чикам технологии комплексной обработки.

Вместе со станками поставляется необхо­димое программное обеспечение, вклю­чая адаптированные стратегии обработки, а также разрабатывается техпроцесс и про­изводится обучение.

Одним из важных сегментов рынка WFL является авиастроение. «В этой отрасли промышленности все чаще используются материалы, сложные в обработке», — говорит Райнхард Колль, главный инженер WFL. — Обработка титана является той областью, где мы можем показать лучший результат, используя собственные know-how», — про­должает он, указывая на профессионализм сотрудников WFL.

Титан при обработке всегда предъ­являл особые требования к инструменту. Будучи очень легким, но при этом очень прочным материалом благодаря своим прекрасным свойствам, он стал широко востребован, и прежде всего в авиа- и ра­кетостроении, а также при производстве медицинских изделий.

Титан Ti6Al4V— один из часто используемых сплавов — содержит 6% алюминия и 4% ванадия. Он характери­зуется низкой теплопроводностью, корро­зионной стойкостью и высокой удельной прочностью.

Несмотря на то, что для этого материала имеется хорошая база экспери­ментальных данных, его обработка до сих пор считается королевской дисциплиной.

Для специального назначения, зачастую по требованию заказчика, разрабатываются все новые титановые сплавы.

Так, например, титан 5553 (Ti5Al5V5Mo3Cr) ВСМПО (россий­ское предприятие, являющееся крупнейшим в мире производителем титановых материа­лов) рекомендуется для производства само­летных шасси. Сплав отличается повышенной прочностью и вязкостью.

Он более устойчив к изменению структуры при нагреве. Этот материал в металлообработке оправдывает свое название, которое получил в честь мо­гучих титанов из древнегреческой мифоло­гии, поскольку выдерживает повышенные нагрузки.

Ti 5553 относится к самым сложным в обработке материалам, представленным на рынке. Дело в том, что скорость его об­работки не должна превышать 45 м/мин, так как уже при 60 м/мин происходит его упроч­нение и повышается допускаемое напряже­ние при срезе до 2780 Н/мм2.

Перегрев вследствие плохой теплопро­водности и связанное с этим изменение фи­зических свойств: повышенная хрупкость, а также образование наростов на режущей кромке инструмента, при обработке этого материала возникают чаще, чем у других титановых сплавов.

Поэтому при резании Ti 5553 следует обращать особенное внимание на то, чтобы скорость и подача инструмента точно соответствовали друг другу. Кроме того, важную роль здесь играет использо­вание соответствующей СОЖ и стратегии охлаждения. Также должно обеспечиваться быстрое отделение стружки, так как отвод тепла происходит в основном через ин­струмент.

Еще одной сложностью в работе с данным материалом является устранение оксидной пленки, называемой экспертами «слоновьей кожей», т. к. она имеет очень вы­сокую твердость.

Титан склонен к налипанию на резец. Поэтому, как указывалось выше, обработка должна проходить при низкой скорости ре­зания, но при относительно быстрой и рав­номерной подаче. Следует обратить внима­ние на то, чтобы инструмент был острым, а вибрация минимизирована. Режущие пластины должны быть изготовлены из бы­строрежущей стали с высоким содержанием кобальта, твердого сплава или стеллита.

При черновой обточке передний угол резца твердосплавных инструментов дол­жен быть в пределах от -6° до +6°, а при чистовой обточке: 0°-15°. При этом задний угол всегда должен равняться приблизи­тельно 7°. Угол наклона должен составлять -4° у твердосплавного инструмента и 0°-5° у инструмента из быстрорежущих сталей.

Титан склонен привариваться к инстру­менту, поэтому попутное фрезерование предпочтительнее встречного. При этом стружка в форме запятой отделяется в са­мом тонком месте, что уменьшает повреж­дения фрезы. Передний угол резания для фрезы из быстрорежущих сталей должен составлять от 0° до 10°, а из твердого сплава и стеллита — 0°. При этом задний угол дол­жен составлять 12°.

Особые свойства титана проявляют­ся в первую очередь при шлифовании.

Так как он имеет довольно высокий коэффици­ент трения, при его шлифовании возникает высокая температура и происходит хими­ческое взаимодействие между металлом и абразивом, что приводит к обгоранию и засаливанию поверхности абразивно­го инструмента.

В результате перегрева абразивные зерна относительно быстро затупляются и проскальзывают. Даже если на отшлифованной поверхности обгорание не заметно, может возникать поверхностное напряжение, которое приводит к трещинам и снижению прочности при длительной на­грузке.

В качестве СОЖ обычно используются растворы на водной основе. В частности, применяются водные растворы нитрида на­трия или масляные эмульсии. При темпера­турах ниже 200 °С можно использовать суль­фированное масло (в таком случае после механообработки деталь нужно вымыть).

Из сказанного выше ясно, что при обра­ботке титана необходим опыт как в выборе и использовании инструмента, так и в стра­тегии обработки.

Для решения задачи обработки узлов шасси пассажирских самолетов заказчик, как правило, требует от поставщика станков предоставления концептуального проекта, содержащего основные этапы обработки. Заготовкой для таких деталей обычно бы­вает поковка больших размеров, нередко очень дорогостоящая.

Уже на этапе разработки концепции специалистам WFL необходимо доказать, что будут учтены все проблемные аспекты. Так, например, следует учесть, что заготовка различной конфигурации требует различ­ной стратегии обработки. Учтены должны быть как зоны термического влияния, так и возникающие усилия резания. А послед­ние в «слоновьей коже» на 70-80% выше чем у закаленной стали.

«Такие сложные в механообработке ма­териалы, как титан, оказали влияние на кон­струкцию станков WFL.

Именно для таких сложных случаев обработки мы поставляем индивидуальные решения, которые наря­ду с собственно станком охватывают также вопросы охлаждения и стратегию изготов­ления», — так характеризует Дитер Шатцл, директор по маркетингу WFL, одну из клю­чевых профессиональных возможностей станкостроительного завода из г. Линц.

«Мы можем адаптировать станки MILLTURN точ­но в соответствии с потребностями заказ­чика. Например, система аварийного отвода режущего инструмента от детали в случае отключения электроэнергии предотвраща­ет ее повреждение», — дополняет Колль.

На WFL особое внимание уделяется тому, чтобы реализация требований заказ­чиков становилась неотъемлемой частью общей концепции. Например, благодаря специальной конструкции направляющих и шпинделей существует возможность ре­агировать на специальные требования за­казчиков и адаптировать узлы станков под конкретные индивидуальные нагрузки.

При обработке титана важную роль играет ох­лаждение. Так как при температурах выше 880 °С титан горит, необходимо обеспечить соответствующую противопожарную защи­ту и взрывобезопасность. Преимущество собственной конструкции шпинделя стано­вится очевидным на примере системы под­вода СОЖ.

Под давлением до 200 бар она может подаваться через фрезерный шпин­дель непосредственно на резец.

Кроме того, на станках для комплексной обработки фирмы WFL возможно измерение детали в процессе ее обработки. «Заказчик хочет получить надежный в эксплуатации станок.

Сюда входит оказание помощи в вы­боре инструмента, но прежде всего оказа­ние помощи в выборе стратегии обработки, так как в случае таких крупногабаритных де­талей только одна ушедшая в брак — несет за собой значительные экономические по­тери», объясняет в заключение Дитер Шатцл высокие требования заказчиков.

Оборудование и инструмент для профессионалов | металлообработка 13/2014127

Особенности обработки титана

Многие из тех свойств, которые делают титан привлекательным материалом, оказывают влияние на его обрабатываемость.

• 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.

Такие качества титана и титановых сплавов широко востребованы и нашли свое применение в различных отраслях промышленности – судостроении, авиастроении, аэрокосмической, химической, газовой, нефтяной, пищевой, медицинской промышленности и многих других сферах. Из технически чистого титана, так и из титановых сплавов получают ответственные детали машин и приборов.

Титановые сплавы делятся на три класса в зависимости от структуры и состава легирующих элементов. Содержание легирующих элементов отражается в обозначении сплава. 

1. Альфа-сплавы – легируются Al, O и/или N, которые преимущественно являются α-стабилизаторами. 

2. Бета-сплавы – легируются Mb, Fe, V, Cr и/или Mn, которые являются β-стабилизаторами. 

3. Сплавы α+β – сплавы, имеющие двухфазную структуру. Большинство сплавов, которые применяются в настоящее время, являются сплавами α+β. 

Легирующие элементы оказывают прямое влияние на физические и химические свойства сплавов, а также температурные характеристики и обрабатываемость. Технический титан хорошо обрабатывается давлением, из него изготавливают листы, поковки, трубы, проволоку и т.д.

Он хорошо сваривается аргонодуговой сваркой и другими видами контактной сварки. Но что касается обработки резанием, то титан показывает плохие характеристики, одним словом — он плохо подвергается резанию.

Титан налипает на режущей кромке инструмента, что приводит к быстрому его износу.

Из-за особенностей материала, в обработку титана нужно производить специально предназначенным для этого инструментом. Многие производители инструмента в своей линейке имеют специальные решения для работы с титаном. Сам 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. Основными же механизмами износа при обработке титана являются лункообразование и пластическая деформация.

Под влиянием главного угла в плане характер износа не меняется, меняется только степень износа. Интенсивность износа и эффективность процесса резания в целом очень сильно зависят от количества выделяемого тепла. Контролировать температуру в зоне резания можно за счет изменения скорости, толщины стружки и глубины резания.

Таким образом, повлиять на износ инструмента можно, изменив форму пластины или угол в плане.

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.

Основные рекомендации при работе с титаном будут:

• Выбирайте пластины с шлифованными режущими кромками, это повышает стойкость инструмента и снижают силы резания
• При обработке учитывайте также, что металл очень вязкий и когда производится его токарная обработка с использованием токарного станка, сильно нагревается, что приводит к налипанию титановых отходов на режущий инструмент
• Титан обладает низкой теплопроводностью, что требует для резания специально подобранный режущий инструмент
• 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
• При фрезеровании титана сохраняйте небольшую площадь контакта. Одна из особенностей данного металла – плохая теплопроводность. Во время работы с данным металлом основной процент тепла передается на рабочий инструмент
• Используйте фрезы с большим количеством зубьев. Это позволит устранить необходимость снижения подачи на зуб, и увеличит производительность

При создании статьи использованы материалы производителей твердосплавных инструментов Sandvik, ISCAR и Kennametal.