Технология обработки отверстий в деталях из титана. Механическая обработка титана

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Упруго-пластическое деформирование при резании метал-лов весьма сложно. Оно находится во взаимной связи с дру-гими факторами и явлениями, сопутствующими процессу реза-ния. Поэтому более полная характеристика физических основ резания титановых сплавов может быть получена лишь при комплексном исследовании тепловых явлений, деформаций по-верхностных 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, шерохо-ватость поверхности, точность обработки, а также на износ и стойкость режущего инструмента. Под влиянием тепла изме-няются условия трения на передней и задней поверхностях ин-струмента, деформация срезаемого слоя, наростообразование и другие явления.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Исследованию был под-вергнут высокопрочный титановый сплав отечественного произ-водства ВТЗ-1. Химический состав, механические и теплофизи-ческие свойства заготовки этого сплава взяты в пределах, ука-занных 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, раз-вивающейся при точении в тех же условиях жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ, процесс резания которого характеризуется весьма напряженным тепловым режимом. Сравнение получен-ных результатов с данными, приведенными в работе , пока-зывает, 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 темпера-турами, физическая сущность возникновения которых изложена ниже.

АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРЫ.

При резании пластичных материалов, к которым относится технический титан и его сплавы, работы упругих деформаций и диспергирования незначительны, поэтому основными источниками тепловыделения следует считать пла-стическую 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 коэффициен-тов усадки стружки титановых и никелевых сплавов (рис. 19). Следовательно, можно предполо-жить, что при резании титановых сплавов выделяется меньшее ко-личество тепла, чем при обработ-ке 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 тита-нового сплава ВТ2 при точении сви-детельствуют и кривые на рис. 20. Можно было ожидать, что при реза-нии температура в деформированной зоне титановых сплавов должна быть ниже, чем у сталей. Однако рассмот-ренные ранее результаты эксперимен-тального исследования температуры резания показывают обратное. Темпе-ратура 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 , анало-гичная 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 анало-гичной обработке сталей, соответствует сравнительно неболь-шое 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 пла-стинками из однокарбидного твердого сплава, процесс износа может быть представлен в следующем виде. В начальный пе-риод резания на задней поверхности резца, вдоль режущей кромки, наблюдается появление характерных штрихов износа, являющихся результатом трения между соответствующим кон-тактным участком резца и поверхностями обрабатываемой за-готовки. Износ по передней поверхности при этом представляет след сходящей стружки и имеет вид лунки, более или менее оформленной в зависимости от условий обработки (режима ре-зания 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 поверх-ности 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, на-конец, в разрушении лунки, при котором по ее наружному кон-туру выкрашивается кромка (рис. 58,а), вследствие чего передний угол в зоне контакта оказывается отрицательным. Так как при выкрошенной режущей кромке требуемое качество об-работанной 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 ста-дией исчезновения перемычки или началом образования местного прорыва кромки. Этим этапам износа по передней поверхно-сти, 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 напря-жений первого рода и наклепа, а также исходя из требований точности и чистоты обработки, оказывается возможным допу-щение большего износа по передней поверхности, определяе-мого 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 зад-ней поверхности указанных резцов по мере увеличения продол-жительности резания характеризуется закономерным измене-нием, возрастанием от узкой, не всегда четко оформленной ленточки штрихов до явно выраженной фаски износа, величина которой не превосходит указанного значения, установленного в качестве критерия за-тупления. Дальнейшее резание сопровождается наиболее ин-тенсивным 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 твер-дых сплавов ВКЗМ, ВК4 и ВК6М (см. рис. 58,б и в), и приводящее их к катастрофическому износу по задней поверх-ности 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 раз-личных марок (Р18, Р9Ф5 и др.), по-добно рассмотренным, характеризуются износом, происходящим на передней и задней поверхностях, причем преобла-дание износа на задней поверхности выражено более харак-терно (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 быст-рорежущий 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 ин-струмента, применяемого при выполнении этих видов обработки, показало, что общей особенностью затупления сверл и раз-верток, 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 протяну-того паза. Указанное явление связано с низким модулем упру-гости титановых сплавов и, следовательно, значительной склон-ностью их к упругому деформированию. Вследствие этого воз-росшие при обработке затупленным инструментом силы резания вызывают существенные упругие деформации обрабатываемой детали.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.