Обработка титана: изначальные свойства материала, трудности и виды обработки, принцип работы, приемы и рекомендации специалистов. Особенности фрезерования различных материалов Притирка титановых сплавов
Принято считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы.
Основные проблемы при обработки титана - это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.
Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.
Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.
При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.
При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь.
При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами.
Основной метод - сварка. Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана - обычная промышленная технология.
Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие.
Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом.
Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно.
Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди.
В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность - окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.
Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически - клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.
Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, - очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана.
Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них - азотирование.
Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей.
Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию - оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана.
Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.
Актуальность
Для изготовления конструкций и деталей из титановых сплавов применяются всевозможные виды механической обработки: шлифование, точение, сверление, фрезерование, полирование.
Одной из важных особенностей при механической обработке деталей из титана и сплавов является то, что необходимо обеспечить ресурсные, в особенности усталостные характеристики, в значительной степени зависящие от качеств поверхностного слоя, который формируется при холодной обработке. Из-за низкой теплопроводности и др. специфических свойств титана, проведение шлифования как завершающей стадии обработки
затруднено. Во время шлифовки очень легко могут образовываться прижоги, в поверхностном слое могут возникать дефектные структуры и остаточные напряжения, растяжения, которые существенно влияют на снижение усталостной прочности изделий. Поэтому, шлифование деталей из титана обязательно проводится при пониженных скоростях и в случае необходимости может быть заменено на лезвийную либо абразивную обработку низкоскоростными методами. В случае же применения шлифования, оно должно проводиться с применением строго регламентированных режимов с проведением последующего контроля поверхности деталей на наличие прижогов и сопровождаться улучшением качеств детали за счет упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Сложности
Из-за высоких прочностных свойств титан плохо поддаются обработке резанием . Он имеет высокое соотношение предела текучести ко времени сопротивления разрыву примерно 0,85−0,95. Например, для стали этот показатель не превышает 0,75. Как результат, при механической обработке титановых сплавов необходимы большие усилия, что из-за низкой теплопроводности влечет за собой значительное повышение температуры в поверхностных слоях разреза и затрудняет охлаждение зоны резки. Из-за сильной адгезии титан накапливается на режущей кромке, что значительно повышает силу трения. Кроме того, приваривание и налипание титана в местах соприкосновения поверхностей приводит к изменению геометрии инструмента. Такие изменения, изменяющие оптимальную конфигурацию, влекут за собой дальнейшее повышение усилий для обработки, что, соответственно, приводит к еще большему повышению температуры в точке контакта и ускорению износа. Больше всего на повышение температуры в рабочей зоне влияет скорость резания, в меньшей степени это зависит от усилия подачи инструмента. Наименьшее влияние на повышение температуры оказывает глубина проведения резания.
Под действием высоких температур при резании происходит окисление титановой стружки и обрабатываемой детали. Это влечет в последующем для стружки проблему, связанную с ее утилизацией и переплавкой. Аналогичный процесс для обрабатываемой детали в последующем может привести к ухудшению ее эксплуатационных характеристик.
Сравнительный анализ
Процесс холодной обработки титановых сплавов по трудоемкости в 3−4 раза сложнее, чем обработка углеродистых сталей, и в 5−7 раз — чем обработка алюминия. По информации ММПП «Салют», сплавы титана ВТ5 и ВТ5−1 в сравнению с углеродистых сталью (с 0,45% С), имеют коэффициент относительной обрабатываемости 0,35−0,48, а для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22 этот показатель еще меньше и составляет 0,22−0,26. Рекомендуется при механической обработке использовать низкую скорость резки при небольшой подаче, используя для охлаждения большое количество охлаждающей жидкости. При обработке изделий из титана применяются режущие инструменты из наиболее износостойкой быстрорежущей стали, предпочтение отдается твердым сортам сплавов. Но даже при выполнении всех предписанных условий для резания, скорости должны быть уменьшены, по крайней мере, в 3−4 раза, по сравнению с обработкой стали, что должно обеспечить приемлемую стойкость инструмента, особенно это важно при работе на станках с ЧПУ.
Оптимизация
Температуру в зоне резки и усилие для резания можно существенно снизить, увеличив содержание водорода в сплаве, вакуумным отжигом и соответствующей механической обработкой. Проведение легирования сплавов из титана при помощи водорода дает в конечном итоге значительное снижение температуры в зоне резания, дает возможность снизить силу резания, повышает стойкость твердосплавного инструмента до 10 раз в зависимости от природы сплава и режима резания. Этот способ дает возможность увеличить скорость обработки в 2 раза без потери качества, а также увеличивать усилие и глубину при проведении резания без снижения скорости.
Для механической обработки деталей из сплавов титана широкое применение получили технологические процессы, которые позволяют совместить несколько операций в одну за счет использования многоинструментального оборудования. Наиболее целесообразно такого рода технологические операции проводить на многооперационных станках (обрабатывающих центрах). К примеру, для изготовления силовых деталей из штамповок применяются станки МА-655А, ФП-17СМН, ФП-27С; деталей типа «кронштейн», «колонка», «корпус» из фасонной отливки и штамповки — станки «Горизонт», Me-12−250, МА-655А, листовых панелей — станок ВФЗ-М8. На этих станках при обработке большинства деталей реализован принцип «максимальной» законченности обработки в одной операции, что достигается благодаря последовательной обработке детали с нескольких сторон на одном станке при помощи нескольких установленных на нем приспособлений.
Фрезерование
Из-за необходимости приложения больших усилий для механической обработки сплавов титана применяются, как правило, крупные станки (ФП-7, ФП-27, ФП-9, ВФЗ-М8 и т. п.). Фрезерование является самым трудоемким процессом во время изготовления деталей. Особенно большой объем таких работ приходится на изготовление силовых деталей каркасов самолета: нервюры, шпангоуты, балки, лонжероны, траверсы.
При фрезеровании деталей типа «траверса», «балки», «нервюра» используется несколько методов. 1) При помощи специальных гидравлических или механических копиров на универсально-фрезерных станках. 2) По копирам на копирно-фрезерных гидравлических станках. 3) На станках с ЧПУ типа МА-655С5, ФП-11, ФП-14. 4) При помощи трехкоординатных станков с ЧПУ. При этом используют: специальные сборные фрезы с изменяемым во время обработки углом; фасонные вогнутые и выпуклые фрезы радиационного профиля; концевые фрезы с подведением к цилиндрической поверхности детали плоскости стола под необходимым углом.
Для обработки авиационных материалов в нашей стране создано множество станков, которые не уступают мировым стандартам, а некоторые из них не имеют аналогов за границей. Например, станок ВФ-33 с ЧПУ (продольно-фрезерный трёхшпиндельный трёхкоординатный) назначение которого одновременная обработка тремя шпинделями панелей, монорельсов, нервюр, балок и других такого рода деталей для тяжелых и легких самолетов.
Станок 2ФП-242 В, имеющий два подвижных портала и ЧПУ (продольно-фрезерный трехшпиндельный четырехкоординатный) разработан для обработки габаритных лонжеронов и панелей при для тяжелых и широкофюзеляжных самолетов. Станок ФРС-1, оснащенный подвижной колонной, горизонтально-фрезерно-расточный, 15-ти координатный с ЧПУ — предназначен для обработки
стыковых поверхностей центроплана и крыла широкофюзеляжных самолетов. СГПМ-320, гибкий производственный модуль, в состав которого входят токарный станок, ЧПУ АТ-320, магазин на 13 инструментов, манипулятор автоматический для съема и установки деталей для ЧПУ. Гибкий производственный комплекс АЛК-250, созданный для производства прецизионных деталей для корпуса гидроагрегатов.
Инструменты
Чтобы обеспечить оптимальные условия резания и высокое качество поверхности деталей, необходимо строгое соблюдение геометрических параметров инструмента из твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Резцы с пластинками из твердого сплава ВК8 применяются для точения кованых заготовок. Рекомендуются следующие геометрические параметры резцов во время обработки по газонасыщенной корке: главный угол в плане φ1 =45°, вспомогательный угол в плане φ =14°, передний угол γ=0°; задний угол α = 12°.При следующих режимах резания: подача s = 0,5 — 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм, скорость резания v = 25 — 35 м/мин. Для проведения чистового и получистового непрерывного точения можно применить инструменты из твердых сплавов ВК8, ВК4, ВКбм, ВК6 и др. при глубине резания 1−10 мм, скорость резки составляет v = 40−100 мм/мин, а подача должна составлять s = 0,1−1 мм/об. Могут так же применяться инструменты из быстрорежущей стали (Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5). Для резцов, изготовленных из быстрорежущей стали, разработана следующая геометрическая конфигурация: радиус при вершине r = 1 мм, задний угол α = 10°, φ = 15°. Допустимые режимы резки при точении титана достигаются при глубине резки t = 0,5−3 мм, v = 24−30 м/мин, s <0,2 мм.
Твердые сплавы
Проведение фрезерных работ с титаном затрудняет налипание титана на зубья фрезы и их выкашивание. Для изготовления рабочих поверхностей фрез используются твердые сплавы ВК8, ВК6М, ВК4 и быстрорежущие стали Р6М5К5, Р9К5, Р8МЗК6С, Р9М4К8, Р9К10. Для проведения фрезеровки титана при помощи фрез с пластинами из сплава ВК6М рекомендуется использовать следующий режим резания: t = 2 — 4 мм, v = 80 — 100 м/мин, s =0,08−0,12 мм/зуб.
Сверление
Проведение сверления титана затрудняет налипание стружки на рабочую поверхность инструмента и ее набивание в отводящие канавки сверла, что ведёт к повышению сопротивления резанию и быстрому износу режущей кромки. Для предупреждения этого рекомендуется при проведении глубокого сверления периодически проводить очистку инструмента от стружки. Для сверления применяют инструменты из быстрорежущих сталей Р12Р9К5, Р18Ф2, Р9М4К8, Р9К10, Р9Ф5, Ф2К8МЗ, Р6М5К5 и твердого сплава ВК8. При этом рекомендуются следующие параметры геометрии сверл: для угла наклона спиральной канавки 25−30, 2φ0 = 70−80°, 2φ = 120−130°, α = 12−15°, φ = 0−3°.
Для повышения производительности при обработке титановых сплавов резанием и увеличения стойкости применяемого инструмента используют жидкости типа РЗ СОЖ-8. Они относятся к галлоидосодержащим смазывающе-охлаждающим. Охлаждение обрабатываемых деталей проводится методом обильного орошения. Применение галлоидосодержащих жидкостей при обработке влечет за собой образование солевой корки на поверхности титановых деталей, которая с учетом нагрева и одновременного действия напряжения может вызвать солевую коррозию. Для предотвращения этого после обработки с применением РЗ СОЖ-8 детали подвергаются облагораживающему травлению, во время которого снимается поверхностный слой толщиной до 0,01 мм. Во время проведения сборочных операций применение РЗ СОЖ-8 не допускается.
Шлифовка
На обрабатываемость титановых сплавов существенно влияет их химический и фазовый состав, тип и параметры микроструктуры. Наиболее затруднена обработка титановых полуфабрикатов и деталей, имеющих грубую пластинчатую структуру. Такого рода структура имеется у фасонных отливок. Кроме того, фасонные отливки из титана имеют газонасыщенную корку на поверхности, которая сильно влияет на износ инструмента.
Проведение шлифовки титановых деталей затруднено из-за высокой склонности контактного схватывания во время трения. Оксидная поверхностная пленка легко разрушается во время трения под действием удельных нагрузок. В процессе трения в местах соприкосновения поверхностей происходит активное перенесение материала из обрабатываемой детали на инструмент («схватывание»). Способствуют этому так же и другие свойства сплавов титана: более низкая теплопроводность, повышение упругой деформации при сравнительно низком модуле упругости. Из-за выделения тепла на трущейся поверхности утолщается оксидная пленка, что в свою очередь повышает прочность поверхностного слоя.
При обработке деталей из титана применяются ленточное шлифование и шлифование абразивными кругами. Для промышленных сплавов наиболее распространено применение абразивных кругов из зеленого карбида кремния, который обладает большой твердостью и хрупкостью при стабильности физико-механических свойств с более высокими абразивными способностями, чем у черного карбида кремния.
Купить, цена
Компания ООО «Электровек-сталь» реализует металлопрокат по оптимальной цене. Она формируется с учетом ставок на LME (London metal exchange) и зависит от технологических особенностей производства без включения дополнительных затрат. Поставляем полуфабрикаты из титана и его сплавов в широком ассортименте. Все партии изделий имеют сертификат качества на соответствие требованиям стандартов. У нас вы можете купить оптом самую различную продукцию для масштабных производств. Широкий выбор, исчерпывающие консультации наших менеджеров, доступные цены и своевременность поставки определяют лицо нашей компании. При оптовых покупках действует система скидок
Механическая резка, обработка титана и титаносодержащих сплавов предъявляет очень высокие требования к оборудованию и накладывает определенные ограничения на использование стандартных технологий. Для титана характерен значительный коэффициент отношения прочности к весу в сочетании с небольшим модулем упругости. По этой причине материал при механическом воздействии генерирует концентрированные силы резания, в свою очередь, вырабатывающие сильные вибрации. Неудовлетворительная теплопроводность провоцирует образование избыточной тепловой энергии в зоне реза, что может привести к деформационному упрочению готовых изделий. При механической резке, обработке титановых сплавов важную роль играют ресурсные (в особенности усталостные) характеристики, напрямую зависящие от свойств поверхностного слоя. На степень обрабатываемости материала влияет не только его химическая составляющая, но и особенности микроструктуры. Наибольшую сложность представляет резка и сверление грубых пластинчатых сплавов с газонасыщенным верхним слоем. Трудоемкость процесса в 3-4 раза превосходит аналогичные показатели сплавов из углеродистых сталей, в 5-7 раз – показатели алюминия. Для снижения энергозатрат необходимо соблюдение следующих условий:
- применение качественного режущего инструмента, изготовленного из твердых сплавов либо прочной стали;
- использование минимальных оборотов станка;
- непрерывная подача охлаждающих жидких составов.
Виды механической обработки титана
Среди способов механической обработки титана выделяют резку, фрезеровку, шлифовку и сверление.Резка титана
Уровень прочностных показателей титаносодержащих сплавов крайне осложняет их резку. Из-за высокого коэффициента соотношения предела текучести к длительности сопротивления разрыву (примерно 0,85-0,95) механическая резка титана требует значительных энергозатрат. Недостаточная теплопроводность провоцирует стремительное и неравномерное повышение температуры в зоне реза, что усложняет процесс охлаждения. Адгезия способствует накоплению стружки на режущей кромке, что увеличивает силу трения. Прилипание отработанных частиц материала в местах прямого контакта меняет заданную геометрию режущих приспособлений. Любые отклонения от заданной конфигурации провоцируют дальнейшее увеличение прилагаемых усилий и повышение уровня нагрева. Под влиянием высоких температур запускается процесс окисления - образовавшая пленка значительно ухудшает эксплуатационные свойства изделий. Уровень нагрева заготовки зависит от трех факторов (по убыванию значимости):- скорость резания,
- сила подачи,
- глубина реза.
Фрезерование титана
Фрезерование считают самой трудоемкой операцией при изготовлении деталей из титановых сплавов. Механическая обработка титана предполагает использование тяжелых фрезеровочных станков высокой мощности. Различают несколько видов усиленных фрез:- Вогнутые или выпуклые фасонные.
- Сборные (с регулируемым углом).
- Концевые (с возможностью подводки под определенным углом).
Сверление титана
Процесс сверления титана сопровождается активным налипанием мельчайшей стружки на рабочую поверхность инструмента, что провоцирует засорение отводящих каналов сверла. В итоге сопротивление материала усиливается, режущая кромка быстро выходит из строя. Во избежание поломок требуется проводить периодическое очищение инструментария и использовать оборудование из твердых металлов.Шлифовка титана
Специфические свойства титановых сплавов затрудняют финишную обработку. Под влиянием силы трения связи в оксидной пленке быстро разрушаются; в точках соприкосновения с оборудованием происходит активное налипание образовавшейся стружки на режущую кромку. Титановые сплавы склонны к появлению прижогов, образованию значимых дефектов на поверхности, высокому уровню остаточного напряжения и излишнему внутреннему растяжению. Эти факторы негативно влияют на усталостные характеристики готового изделия. Ухудшению качества деталей способствуют и другие свойства сплава, к примеру значительное повышение упругой деформации при сравнительно невысоком модуле упругости. По вышеперечисленным причинам шлифование титановых заготовок проводят исключительно на пониженных оборотах станка, задействуя специальные режимы. Для повышения качества детали упрочняют пластическим деформированием. На заключительном этапе осуществляют строгую проверку на наличие прижогов и других дефектов. Альтернативой шлифования служит лезвийная или абразивная обработка. Для окончательной шлифовки поверхности титана используют непрерывную абразивную ленту либо высокопрочные кремниевые круги.Оптимизация механической резки, обработки титана
Титан - один из самых прочных металлов, поэтому его обработка подразумевает применение мощной техники и высокорезультативных технологий. Для решения сложных задач чаще всего используют мультизадачное оборудование - современные станки, способные объединить несколько операций. Обрабатывающие центры работают по принципам максимальной цикличности производства. Последовательную обработку каждой детали проводят при помощи разнопрофильных насадок, установленных на одном станке. Таким образом достигается оптимальная скорость проведения работы. Для механической резки, обработки титана подходят станки, адаптированные под манипуляции с вязкими и твердыми металлами. Они нацелены на снижение уровня возможных вибраций. Для уменьшения нежелательных эффектов проводят мероприятия по усилению жесткости крепления заготовки (как вариант - деталь крепят на небольшом расстоянии от шпинделя). Немаловажную роль играет качество выбранного инструментария и точное соблюдение его геометрических параметров. В промышленных масштабах используют фрезы и резцы из быстрорежущих сталей или твердых сплавов. Большое значение имеет точность торцевого и радиального биения инструмента: неправильная установка пластин, низкие допуски или высокая степень износа могут оказать негативное влияние на качество обработки. В процессе обработки титана обязательно используют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ). Активное орошение обрабатываемых деталей понижает степень нагрева в месте реза, повышает производительность и увеличивает срок службы применяемых сверл и фрез. СОЖ образует на поверхности титановых деталей солевую корку, при нагревании вызывающую коррозию. Чтобы избежать разрушения сплава, применяют облагораживающее травление. Во время этой процедуры снимают поверхностный слой толщиной в сотые доли миллиметра. В процессе финишных операций применение охлаждающих растворов не требуется.Резка и мех.обработка
Титан и его сплавы плохо обрабатываются резанием, что обусловлено рядом физико-механических свойств титана. Титановые сплавы отличаются высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыва. Это соотношение составляет для титановых сплавов 0,85-0,95, в то время как для сталей оно равно 0,65-0,75. В итоге при механической обработке титановых сплавов возникают большие удельные усилия, что приводит к высоким температурам в зоне резания, обусловленным низкой тепло- и температуропроводностью титана и его сплавов, затрудняющей отвод тепла из зоны резания. Из-за сильной адгезии и высоких температур титан налипает на режущий инструмент, что вызывает значительные силы трения. Налипание и приваривание титана на контактируемые поверхности режущего инструмента приводят также к изменению его геометрических параметров. Отклонение геометрических параметров режущего инструмента от оптимальных их значений приводит к дальнейшему повышению усилий обработки и температуры в зоне резания и износа инструмента. Температура в зоне резания наиболее сильно повышается с увеличением скорости резания, в меньшей степени - с увеличением подачи. Глубина резания по сравнению со скоростью и подачей оказывает еще меньшее влияние.
Трудоемкость механической обработки титановых сплавов в 3-4 раза больше, чем для углеродистых сталей, и в 5-7 раз выше, чем для алюминиевых сплавов.
По данным ММПП "Салют", коэффициент относительной обрабатываемости по отношению к стали 45 составляет 0,35-0,48 для титана и сплавов ВТ5 и ВТ5-1 и 0,22-0,26 для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22. При механической обработке титановых сплавов рекомендуются малые скорости резания при небольших подачах с обильной подачей охлаждающей жидкости. Для обработки титановых сплавов резанием применяют режущий инструмент из более износостойких быстрорежущих сталей, чем для обработки сталей, отдавая предпочтение твердым сплавам. Однако даже при соблюдении всех описанных мероприятий режимы резания, особенно скорости, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3-4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.
Усилия резания и температуры в зоне резания могут быть существенно снижены механоводородной обработкой, включающей в себя наводороживание, механическую обработку и вакуумный отжиг. Легирование титановых сплавов водородом приводит к значительному снижению температур в зоне резания, уменьшению сил резания, повышению стойкости твердосплавного инструмента в 2-10 раз в зависимости от режимов резания и природы сплава. Этот позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза при сохранении других параметров резания или применять более высокие подачи и глубины резания, не меняя скорости резания.
При высоких температурах, которые развиваются в зоне резания, титановая стружка и обрабатываемая деталь окисляются. Окисление стружки создает проблемы, связанные с её очисткой при вовлечении отходов в плавку и других способах её утилизации. Окисление поверхности обрабатываемых деталей в недопустимой степени может привести к снижению эксплуатационных характеристик.
При изготовлении деталей и конструкций из титановых сплавов применяют все виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, шлифование, полирование.
Важной особенностью механической обработки деталей из титановых сплавов является необходимость обеспечения ресурсных, в особенности усталостных, характеристик, которые в решающей степени обусловлены качеством поверхностного слоя, образующегося после обработки резанием. Вследствие низкой теплопроводности и высокой химической активности обрабатываемого материала применение шлифования как процесса финишной обработки для титановых сплавов ограничено. При шлифовании титановых сплавов легко образуются прижоги, которые существенно снижают усталостную прочность. Кроме того, при шлифовании в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения и дефектные структуры, также снижающие усталостную прочность. Поэтому шлифование, если оно используется при обработке деталей из титановых сплавов, должно проводиться при пониженных скоростях и по возможности заменяться лезвийной обработкой либо низкоскоростными методами абразивной обработки, такими, например, как хонингование. Если же применяется шлифование, оно должно выполняться при строго регламентированных режимах с последующим контролем на отсутствие прижогов и сопровождаться упрочнением поверхностным пластическим деформированием (ППД).
Из-за больших усилий резания для механической обработки титана и его сплавов применяют, в основном, станки крупных моделей (ФП-7, ФП-9, ФП-27, ВФЗ-М8 и др.). Наиболее трудоемким процессом при изготовлении деталей является фрезерование. Особенно большие объемы фрезерных работ приходятся на изготовление силовых деталей каркаса самолета: шпангоуты, траверсы, лонжероны, нервюры, балки.
При разработке и внедрении технологии механической обработки деталей из титановых сплавов достаточно широко используются малооперационные технологические процессы за счет совмещения нескольких операций в одну при выполнении её на одно- и многоинструментальном оборудовании. Эти технологические операции наиболее целесообразно выполнять на многооперационных станках (обрабатывающих центрах). Так, например, силовые детали из штамповок изготавливают на станках ФП-27С, ФП-17СМН, МА-655А; детали типа "корпус", "колонка", "кронштейн" из штамповки и фасонной отливки - на станках МА-655А, Me-12-250, "Горизон", панели из листа - на станке ВФЗ-М8. На этих станках при обработке многих деталей реализуется принцип "максимальной" законченности обработки в одной операции, что достигается установкой на стол станка одновременно нескольких различных приспособлений с последовательной обработкой детали с двух и более сторон по одной программе.
Фрезерование переменных малок при изготовлении деталей типа "нервюра", "балка", "траверса" осуществляется несколькими методами:
1) на универсально-фрезерных станках с помощью специальных механических или гидравлических копиров;
2) на гидравлических копирно-фрезерных станках по копирам;
3) на трехкоординатных станках с ЧПУ:
- специальными сборными фрезами с изменяемым в процессе обработки углом;
- фасонными выпуклыми и вогнутыми радиационного профиля фрезами;
- концевыми фрезами с приведением к цилиндрической поверхности путем наклона детали к плоскости стола под определенным углом;
4) на многокоординатных станках с ЧПУ типа ФП-14, ФП-11, МА-655С5.
Для механической обработки авиационных материалов в нашей стране разработан ряд станков, соответствующих лучшим мировым образцам, а иногда и не имеющих аналогов в мировой практике:
- продольно-фрезерный трехкоординатный трехшпиндельный станок ВФ-33 с ЧПУ, предназначенный для одновременной обработки тремя шпинделями монорельсов, панелей, балок, нервюр и других деталей легких и тяжелых самолетов;
- продольно-фрезерный четырехкоординатный трехшпиндельный станок 2ФП-242В с двумя подвижными порталами и ЧПУ, предназначенный для обработки крупногабаритных панелей и лонжеронов переменной малкой для широкофюзеляжных и тяжелых самолетов;
- горизонтально-фрезерно-расточный пятнадцати координатный с ЧПУ станок ФРС-1 с подвижной колонной; он предназначен для обработки стыковых поверхностей крыла и центроплана широкофюзеляжных самолетов;
- гибкий производственный модуль СГПМ-320, включающий в себя токарный станок с ЧПУ АТ-320 с магазином на 13 инструментов и автоматический манипулятор установки и съема детали, управляемые от ЧПУ;
- гибкий производственный комплекс АЛК-250, предназначенный для изготовления прецизионных корпусных деталей гидроагрегатов.
Для обеспечения оптимальных условий резания и высокого качества поверхности деталей следует строго соблюдать геометрические параметры инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.
Точение кованых заготовок осуществляется резцами с пластинками из твердого сплава ВК8. При обработке по газонасыщенной корке рекомендуют следующие геометрические параметры резцов: передний угол γ=0°; задний угол α = 12°; главный угол в плане φ1 = 45°, вспомогательный угол в плане φ = 14°. Режимы резания: скорость резания v = 25 - 35 м/мин, подача s = 0,5 - 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм.
При чистовом и получистовом непрерывном точении применяют инструмент из твердых сплавов ВК4, ВК6, ВКбм, ВК8 и др. при подаче s = 0,1 - 1,0 мм/об, скорости резания v = 40 - 100 мм/мин и глубине резания t = 1 - 10 мм. Возможно также применение инструмента из быстрорежущей стали (Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8). Рекомендуемые геометрические параметры резцов из быстрорежущей стали: задний угол α = 10°, φ = 15°, радиус при вершине r = 1 мм. Режимы резания при точении титана v = 24 - 30 м/мин, s t = 0,5 - 3 мм.
Фрезерование титана и его сплавов затруднено из-за налипания титана на зубья фрезы и их выкрашивания. Для рабочих частей фрез применяют твердые сплавы ВК4, ВК6М, ВК8 и быстрорежущие стали Р8МЗК6С, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р9М4К8. При фрезеровании титана фрезами с пластинками из сплаваВК6М рекомендуют следующие режимы резания: s = 0,08 - 0,12 мм/зуб, v = 80 - 100 м/мин, t = 2 - 4 мм.
Сверление титана и его сплавов также осуществляется с трудом из-за налипания стружки титана на рабочие поверхности инструмента и ее скопления в отводящих канавках сверла, что приводит к сильному повышению сопротивления резания и быстрому износу сверл. Поэтому при сверлении глубоких отверстий необходимо периодически выводить инструмент для очистки его от стружки. Для сверления применяют инструмент из быстрорежущих сталей Р9К5, Р9К10, Р18Ф2, Р9Ф5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ и твердого сплава ВК8. Рекомендуемые геометрические параметры сверл: φ = 0 - 3°, α = 12 - 15°, 2φ = 120 - 130°, 2φ0 = 70 - 80°, угол наклона спиральной канавки 25-30°.
Для увеличения производительности механической обработки титановых сплавов резанием и повышения стойкости режущего инструмента применяют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости типа РЗ СОЖ-8. Охлаждение обрабатываемых деталей осуществляют методом обильного полива. Использование галлоидосодержащих жидкостей при механической обработке приводит к образованию на поверхности титановых деталей солевой корки, которая при повышенных температурах и одновременном действии напряжений вызывает солевую коррозию. Поэтому детали, обрабатываемые с применением РЗ СОЖ-8, после механической обработки подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005-0,010 мм. При сборочных и механосборочных операциях не допускают применения РЗ СОЖ-8.
Обрабатываемость титановых сплавов резанием существенно зависит от их химического и фазового состава, типа и параметров микроструктуры. Наиболее трудно обрабатываются резанием титановые полуфабрикаты и детали с грубой пластинчатой структурой. Такую структуру имеют, в частности, фасонные отливки. Кроме того, фасонное литье из титана и его сплавов имеет на поверхности газонасыщенную корку, которая сильно изнашивает инструмент.
Шлифование титановых деталей связано с определенными трудностями, что обусловлено высокой склонностью к контактному схватыванию при трении. Относительно тонкая оксидная пленка на титане легко разрушается при трении под воздействием высоких удельных нагрузок в точках контакта из-за более высокой пластичности титана по сравнению с оксидной пленкой. При трении в точках контакта двух поверхностей происходит активный перенос обрабатываемого материала на инструмент - "схватывание". Этому способствуют и другие свойства титана: повышенная упругая деформация из-за сравнительно низкого модуля упругости, более низкая теплопроводность. Благодаря выделению теплоты трущаяся поверхность обогащается газами из окружающей среды и происходит образование оксидных пленок, что повышает прочность поверхностного слоя.
При обработке титановых сплавов применяют шлифование абразивными кругами и ленточное шлифование. Для титановых сплавов наибольшее распространение в промышленности получили абразивные круги из зеленого карбида кремния, обладающего большими твердостью и хрупкостью, стабильностью физико-механических свойств и более высокой абразивной способностью, чем черный карбид кремния.
Основным способом окончательной обработки сложных криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов является ленточное шлифование. К преимуществам применения абразивных лент при формообразовании сложных фасонных поверхностей относится возможность обработки с линейным или поверхностным контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью, что значительно сокращает число формообразующих движений станка.
Обработку деталей с линейным контактом осуществляют методом обкатки. При обработке деталей методом обкатки форма инструмента сопряжена с формой обрабатываемой поверхности детали. Формообразование обрабатываемой поверхности происходит путем обкатки детали по заданной траектории вокруг.
Шлифование методом обкатки, например лопаток компрессора ГТД, производят абразивными кругами (сопряженное шлифование) или широкой абразивной лентой на станках ХШ-185, ХШ-186, MB-885, 381ЗД. При соответствующем подборе ширины ленты одновременно шлифуется вся обрабатываемая поверхность с одной стороны. Этот метод отличается высокой производительностью, и его широко применяют в промышленности при шлифовании деталей небольших размеров. Для лопаток с длиной пера более 120 мм наиболее рациональным является строчечный метод обработки узкой абразивной лентой, позволяющий достигать большой точности. Строчечный метод шлифования применяется в станках 4ШСЛ-7, ЛШ-1, ЛШ1А, ЛШ2. Обработку на них производят продольными строчками, причем направление подачи детали перпендикулярно плоскости перемещения абразивной ленты.
Продольная подача детали s осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения стола станка. Дискретное вращение заготовки вокруг оси обеспечивает круговую подачу s
. При обработке на станке ЛШ-1 устанавливается определенная сила контактного давления Р между обрабатываемой заготовкой и абразивной лентой, которая регулируется компенсирующими пружинами.
Сложной операцией является шлифование пересекающихся поверхностей деталей, сопряженных по радиусу (например, поверхностей прикомлевых участков лопаток компрессора), которое выполняют методами обкатки и копирования. При формообразовании поверхностей методом копирования рабочие поверхности контактного копира должны быть эквидистантны на толщину абразивной ленты обрабатываемым поверхностям. Ширина ленты может превышать ширину обрабатываемой поверхности или составлять часть ее. В последнем случае формообразование радиусных участков производится поперечным движением лент относительно детали. В промышленности по этому принципу работает много станков: ЗЛШ-5 (ЗЛШ-52), ЗЛШ-9 (ЗЛШ-91) и др. Обрабатываемая деталь подается по нормали к поверхности на врезание под действием силы 50-100 Н к контактному копиру, который огибает абразивная бесконечная лента. Сила натяжения ленты составляет 10-30 Н на 10 мм ширины ленты. При обработке поверхностей с малым радиусом сопряжений стойкость лент существенно уменьшается.
До последнего времени полагали, что шлифовать титановые сплавы алмазными кругами неэффективно из-за химического сродства титана и углерода, что приводит к сильному изнашиванию режущих кромок алмазных зерен и последующему засаливанию поверхности инструмента. К тому же при алмазном шлифовании в поверхностном слое формируются остаточные растягивающие напряжения. К настоящему времени удалось создать алмазные круги на специальных металлических связках, которые синхронизировали процесс сглаживания режущих кромок зерен с их выкрашиванием из связки и обновлением рабочей поверхности инструмента, т.е. обеспечили самозатачивание алмазного круга. Алмазное шлифование успешно применяется на ММПП "Салют" при шлифовании пера лопаток компрессора.
Разновидностью алмазного шлифования является обработка детали с наложением постоянного тока. Шлифование осуществляют в электролите, при этом алмазный круг служит анодом. Анодное растворение связки круга и титана на поверхности круга позволяет поддерживать постоянные режущие свойства круга. Электрохимическое алмазное шлифование, как правило, формирует в поверхностном слое обрабатываемой детали благоприятные сжимающие напряжения.
ООО “Токарная обработка” осуществит (от Вт1-0 и далее) на станках ЧПУ, партии от 1 шт, большой опыт работы.
Одной из основных специализаций нашей фирмы является токарная обработка титана всех возможных марок (основные вт1-0, вт3-1, от4-1, пт3в, вт16) и видов (пруток, плита, лист, труба, поковки). Так же осуществляем сварку и старение титана и деталей на его основе. Ниже на фото представлено весьма сложное изделие, изготовленное нашей фирмой из титана вт1-0 со сваркой и старением!
Для расчета стоимости токарной обработки титана пошлите запрос с чертежами на электронную почту . Звоните 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.
Токарная обработка титана сопровождается многочисленными трудностями, что отличает его от прочих металлов. Объясняется это тем, что титан имеет:
– высокую прочность и значительную массу;
– низкую теплопроводность и прекрасную антикоррозийную устойчивость.
Благодаря этим свойствам, титан обладает большой популярностью в среде производителей, которые занимаются токарной обработкой деталей. Одновременно с этим, данные характеристики делают этот металл очень неудобным для резки и обработки. Так, например, появляется вибрация. Режущий элемент быстро изнашивается.
В случае, если эти явления удается компенсировать, то процесс обработки становится чрезвычайно эффективным. Использование наиболее совершенных токарных и фрезеровочных станков, компрессорных установок и другого необходимого оборудования позволило намного облегчить процесс обработки.
Для обработки титана на токарном станке деталь надежно фиксируется на мощном станке. Правильно отбирается режущий блок. Однако, создание идеальных условий иногда невозможно осуществить, ибо детали могут обладать сложной формой и слишком тонкими стенками.
При таких сложностях агрегаты, на которых происходит токарная обработка титана, быстро приходят в негодность. Детали, имеющие сложную форму, порой, не удается закрепить должным образом.
Титан не теряет свои технические характеристики и в процессе обработки. При этом, выделяется немало тепла. Посему, велик риск возникновения дефектов на поверхности детали, а значит, правильно и грамотно подобрать режущий элемент ─ этап крайне ответственный. Практика показывает: отличным вариантом является использование в качестве сырья для создания резака мелкозернистых металлических сплавов. Таким образом, резка и сверление становятся эффективными.
Помимо этого, при обработке титана на токарном станке стружка задирается и налипает на режущие элементы. Данный недостаток устраняется оксидированием: титановая заготовка нагревается до 900 градусов Цельсия и выставляется в таком виде на открытый воздух. После этого, болванку нужно быстро охладить в воде и продолжить токарную обработку деталей из титана.
Свойства титана: именно вязкость и теплопроводность служит причиной того, что резец сильно нагревается. В результате, даже чрезвычайно прочные и качественные токарно-фрезерные инструменты быстро разрушаются. Из-за значительной вибрации, которая возникает в процессе работы с титаном, требуются мощные станки, рама коих надежно фиксируется на станине.
Изготовление титановых деталей
Чтобы изготовление титановых деталей на токарном станке ЧПУ проходила легко, необходимо, чтобы:
– использовались станки с большой мощностью, где есть возможность регулировать скорость вращения заготовок;
– инструменты и заготовки подавались с небольшим вылетом;
– движущиеся детали были надежно и идеально пригнаны.
Помимо этого, режущие инструменты и фиксирующие узлы должны обладать высокой термической стойкостью, ибо титан, оставаясь холодным, нагревает донельзя металл резца, вкупе с окружающим местом реза.
Большое внимание следует обратить на вибрацию деталей из титана, которая имеет место при обработке титана на токарном станке ЧПУ. Она возникает вследствие:
– небольших габаритов деталей;
– применение длинного режущего инструмента при токарной обработке деталей из титана;
– вязкости металла. Сильный нагрев и большие обороты приводят к тому, что стандартный конус шпинделя очень быстро становится негодным.
Сделаем оперативный расчет по вашим чертежам, пошлите их на электронную почту . Можно позвонить 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.
Решить эту проблему можно,:
– уменьшив расстояние, которое разделяет деталь и шпиндель;
– точно подогнав движущиеся узлы станка;
– жестко закрепив и раму агрегата, на котором происходит токарная обработка титана, и его неподвижные узлы.
Соответственно, компенсация (устранение) вибрации возможна, если:
– аккуратно и точно настроить абсолютно все блоки станка;
– тщательно подобать небольших габаритов жаропрочный режущий инструмент;
– максимально приблизить друг к другу место крепления резца и саму деталь.
Благодаря этим мерам, станок сможет работать достаточно долго, если не увеличивать габаритные допуски на заготовке.
Существует ряд дополнительных способов, обеспечивающих стабильность процесса токарной обработки титана. Целесообразно уменьшить количество оборотов, точно отрегулировать положение резца, надежно закрепив его, ибо биение инструмента разрушает узел режущего инструмента полностью.
