Обработка титана. Сложности и нюансы при фрезеровании и точении.

Spread the love

Титан и его сплавы находят все более широкое применение в аэрокосмической и биомедицинской сферах, в которых используются его уникальные свойства. Однако обработка титана также представляет собой уникальные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, привыкшие обрабатывать другие металлы. Здесь мы рассмотрим, почему обработка титана настолько сложна, и рассмотрим различные методы, которые можно использовать для получения наилучших результатов при обработке титана.

ПОЧЕМУ ТИТАН ТАКОЙ ПОПУЛЯРНЫЙ

В то время как алюминий и алюминиевые сплавы ранее были предпочтительными материалами в аэрокосмической промышленности, в новых конструкциях самолетов все чаще используются титан и титановые сплавы. Эти материалы также используются в биомедицинской промышленности. Причины их популярности включают легкий вес, высокую прочность, отличные усталостные характеристики и высокую устойчивость к агрессивным средам, отсутствие ржавчины и разрушения. Детали из титана служат дольше, обеспечивают лучшие характеристики и результаты, чем детали из других металлов и материалов.

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 >>

ПОЧЕМУ ТИТАН ТАК ТРУДНО ОБРАБОТАТЬ

Сами свойства, которые делают титан таким полезным и высокоэффективным металлом, также являются свойствами, которые могут затруднить обработку. Так же, как при использовании алюминия и алюминиевых сплавов, до 90% материала может потребоваться фрезеровать и точить для изготовления конечной детали.

Титановые сплавы имеют низкий модуль продольной упругости, что вызывает вибрацию во время обработки. Это может привести к ухудшению качества поверхности готового продукта.

Из-за высокой склонности титана к деформационному упрочнению и липкости сплава во время токарной обработки и сверления образуется длинная непрерывная стружка, которая может запутать инструмент и затруднить его работу. Это практически исключает возможность автоматизации обработки титана.

Несмотря на эти неудачи, существуют методы, упрощающие обработку титана.

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.

КАК ОБРАБОТАТЬ ТИТАН

Для обработки титана требуются твердосплавные инструменты с покрытием, которые будут сопротивляться липкости сплава и разрушать длинную стружку. Покрытие инструмента также помогает отводить тепло, выделяемое при механической обработке.

Сохранение низкого радиального зацепления важно для противодействия эффектам тепловыделения и тенденции к деформационному упрочнению. Увеличение количества канавок в концевых фрезах может помочь противодействовать более низкой подаче на зуб, чтобы повысить производительность.

Применение СОЖ под высоким давлением помогает уменьшить нагрев и повреждение инструмента.

Техника, используемая при обработке титана, также может помочь улучшить результаты. Используя подъемное фрезерование, дугу, заканчивающуюся фаской под 45 градусов, используя конструкцию вспомогательного разгрузочного инструмента, изменяя осевую глубину и используя инструмент, по крайней мере, на 70% меньший, чем гнездо для инструмента, вы можете уменьшить повреждение инструмента и получить лучшие результаты при обработке титана.

Тщательно изучив уникальные свойства титана и соответствующим образом отрегулировав обработку, вы сможете добиться наилучших результатов для вашего инструмента и готовой детали.

Титановые сплавы и алюминиевые сплавы похожи в следующих отношениях: оба типа металлов используются для изготовления конструктивных элементов самолета, и в обоих случаях компонент может потребовать фрезерования 90 процентов материала до того, как деталь будет готова. Многие цеха, вероятно, хотели бы, чтобы у металлов было больше общего, чем это.

Режимы токарной обработки титана

Правильный выбор режима резания при токарной обработке титановых сплавов является гарантией высокого качества результата. Применяют три основных режима токарки:

• Черновой – используется для устранения неравномерности и неоднородности поверхностного слоя титановой заготовки. Этот вид обработки позволяет формировать кольцо, отрезаемое с целью проведения анализа качества и состояния материала по всей толщине детали.
• Промежуточный – режим, осуществляемый с целью подготовки изделия к окончательной обработке. Промежуточный этап предусматривает возможность изменения глубины резки и удаления кромок. При этом режиме резания обязательно оставляют припуск не менее 1 мм для возможности проведения окончательных работ.
• Чистовой – необходим для полного устранения припусков и точного формирования детали в соответствии с требованиями к ее конструкции. После проведения этого этапа, процесс изготовления изделия считается завершенным.

Для того чтобы оптимизировать производственный процесс на всех этапах работы, необходимо соблюдать основные параметры, характерные для каждого этапа:

Так как температура в участке обработки может достигать 1100°С, то независимо от используемого режима, следует применять охлаждающие жидкости, которые дополнительно уберегают от налипания стружки на поверхности резца. Желательно, чтобы СОЖ подавалась к зоне обработки металла под высоким давлением. Это позволяет повысить стойкость инструментам на 45%, улучшить эффективность процесса стружкодробления и повысить скорость резки на 25%.

Для того чтобы во время проведения токарной обработки титана в режиме резания дополнительно контролировать степень нагрева материала, необходимо изменять глубину стачивания, скорость вращения детали и толщину образуемой стружки. Если конфигурация заготовки требует увеличения глубины прорезания, то следует уменьшить значение подачи.

Сохраняйте низкое радиальное зацепление

Одна из важнейших задач при обработке титана — отвод тепла. В этом металле относительно небольшое количество тепла, выделяемого во время обработки, отводится вместе со стружкой. По сравнению с обработкой других металлов, при обработке титана больший процент тепла уходит в инструмент. Из-за этого эффекта выбор радиального зацепления диктует выбор поверхностной скорости в этом металле.

Обработка титана. Низкое радиальное зацепление

График на показывает, что для полного прорезания пазов, то есть зацепления на 180 градусов, требуется относительно низкая поверхностная скорость. Но уменьшение радиального зацепления сокращает время, в течение которого режущая кромка выделяет тепло, и дает режущей кромке больше времени для охлаждения перед входом в материал при следующем обороте. Таким образом, при уменьшении радиального зацепления скорость резания может быть увеличена при поддержании температуры в точке разреза. Для чистовой обработки процесс фрезерования, состоящий из очень небольшой дуги контакта с острой, отточенной режущей кромкой, высокой скорости резания и минимальной подачи на зуб, может обеспечить исключительные результаты.

Сложности обработки титановых изделий

На самом же деле все обстоит несколько сложнее, чем представляется на первый взгляд. Металл этот отличается сниженной теплопроводностью, способен задираться и налипать. Кроме того, сложность заключается и в том, что титан необычайно прочен и способен при термических работах спаиваться с режущим инструментом (ведь резец также состоит из металла и практически всегда оказывается более мягким, чем обрабатываемая деталь). В результате инструмент особенно быстро изнашивается и требует постоянной замены.

Говоря об обработке металла, профессионалы подразумевают несколько разных видов работ с титановыми деталями. У них существуют свои секреты, позволяющие нейтрализовать отрицательные свойства этого металла или свести их к минимуму. Например, специальные охлаждающие составы помогут уменьшить задирание либо налипание металла, а также снизить тот объем тепла, который выделяется при резке титана.

Титановые листы разрезают с помощью гильотинных ножниц. Прокатный сортовой металл крупного диаметра обычно подвергают резке специальными пилами механического типа. Этот инструмент отличается тем, что зуб полотна у него достаточно крупный. Если пруток имеет меньший диаметр, в ход можно пустить токарный станок. Кстати, токарная обработка данного металла осуществляется резцами, изготовленными из особо прочных сплавов. Но даже при этом обстоятельстве скорость работы должна быть снижена и обычно уступает той скорости, которая наблюдается при обработке стали-нержавейки.

Фрезеровка титановых деталей также вызывает сложности: на фрезерные зубцы металл начинает налипать. Чтобы избежать этого, необходимо использовать фрезу, изготовленную из сплавов высокой твердости. В качестве охладителей применяют жидкости, уровень вязкости которых повышен.

Отдельное внимание следует уделить сверлению титановых элементов. В канавках может скапливаться стружка, вследствие чего сверло начинает деформироваться. Сверлить титан можно с помощью стальных быстрорежущих инструментов.

Титан можно использовать также и в качестве материала для составляющих каких-либо конструкций. Детали из этого металла требуется соединять, и здесь применяют несколько методов. Стоит рассмотреть этот вопрос подробнее.

Особенности сварочных работ по титану

Сварка является наиболее часто используемым вариантом соединения титановых деталей. Поначалу любая попытка титановой сварки заканчивалась неудачей. Причины этого назывались разные. Считалось, что в микроструктуре металла происходят изменения, что титан вступает в реакцию в азотом, кислородом и водородом, которые содержатся в воздухе. Среди других факторов называлось возрастание зернистости при разогреве металла. В любом случае, швы оказывались предельно хрупкими. Однако все эти проблемы удалось достаточно быстро решить с помощью новых технологий. Поэтому в настоящее время сварка титановых элементов не вызывает особых сложностей и считается обыденной.

Вместе с тем, определенные нюансы при проведении сварочных работ все же наблюдаются. Чаще всего, это выражается в том, что сварочный шов требуется постоянно оберегать от примесей, которые его загрязняют. Чтобы избежать этого, сварщики применяют флюсы, действующие без кислорода, а также чистый инертный газ. Используются также специализированные прокладки и козырьки для защиты – они позволяют прикрывать остывающие швы и препятствуют загрязнению.

Подобные услуги по металлообработке предполагают повышенную скорость сварки. Это позволяет снизить возрастание зернистости и задержать любые деформации микроструктуры материала. Сварка осуществляется в стандартных условиях. Для того чтобы защитить горячий металл от вступления в реакцию с воздухом, используются отдельные предупреждающие меры.

Читать также: Класс точности формула расчета

Сварка может осуществляться и в атмосфере полной контролируемости. Соблюдать ее необходимо, когда требуется избежать даже возможности загрязнения шва. Такие требования выдвигаются для самых ответственных сварочных работ при гарантии чистоты в 100%.

В случае, если нужно соединить небольшие по объему детали, работа проводится в особой камере, которая полностью заполняется инертным газом. Чтобы сварщику был виден весь фронт работ, камеру оснащают специальным окошком.

Если же необходимо соединить крупные элементы конструкции, работа проводится в помещении, герметично закрытом. Любая сварка должна осуществляться подготовленными людьми, а в данной ситуации к работе допускаются лишь профессиональнее сварщики с внушительным опытом. Для них в помещении предусматриваются системы жизнеобеспечения.

Другие способы соединения титановых деталей

Иногда сварка титана выглядит нецелесообразной. В этом случае зачастую используют пайку. Такой вид обработки титанового материала является довольно сложным. Причина в том, что при температурном воздействии оксидная пленка на поверхности детали приводит к весьма непрочному соединению вне зависимости от того, с каким металлом спаивается титан. Поэтому из всех металлов, идеально взаимодействующих с титаном при пайке, подходят лишь алюминий и серебро повышенной чистоты.

Еще один способ соединения титановых изделий между собой или с деталями из иных металлов – это клепка. Этот метод, как и применение болтов, является механическим. Если ставится заклепка из титана, работа существенно удлиняется. При использовании болтов необходимо покрывать их тефлоном либо серебром, в противном случае не избежать налипания титана, а само соединение окажется достаточно хрупким.

Способы нейтрализации минусов титана

Недостатком этого уникального металла является задирание, налипание, которое возникает при трении. В результате происходит ускоренное изнашивание титанового сплава. Если применяется фрезеровка металла, это обстоятельство нельзя не учитывать. Скользя по металлической поверхности, титан вступает в реакцию и начинает налипать, постепенно поглощая всю деталь.

Однако верхний слой титана можно сделать более прочной, устойчивой к истиранию и налипанию. В том числе, для этой цели используется азотирование. Метод состоит в выдерживании детали в азотном газе. Изделие должно быть разогрето в среднем до 900 градусов, а время выдержки составляет свыше суток. В результате азотирования поверхность элемента покрывается нитридной пленкой, придающей титану особую твердость. Как следствие – повышение износостойкости титановой детали.

Еще один метод, позволяющий повысить свойства металла, – это его оксидирование. Оно помогает устранить задирание. Титановую деталь необходимо нагреть, чтобы на ее поверхности возникла оксидная пленка. Она плотно покрывает верхний слой металла, не пропуская внутрь воздух.

Оксидирование может быть низко- и высокотемпературным. В последнем случае изделие выдерживают в течение нескольких часов в нагретом состоянии, а после чего опускают его в холодную воду. Это помогает ликвидировать окалину. Оксидированная таким образом деталь становится более устойчивой к изнашиванию сразу на несколько порядков.

Фрезерование титановых деталей

Титан применяется в самых разных промышленных сферах, в том числе, в самолетостроении и космонавтике. В этих отраслях чаще всего используются детали, выполненные из титана.

Нужно учитывать, что фрезерная обработка металла отличается сложностью. Поэтому для таких работ требуется применять острые фрезы с повышенной скоростью. Следует также максимально снизить контакт детали с резцом. Фрезерование начинается по дуге, а в конце работы фаска должна сниматься под определенным углом.

Квалификация фрезеровщика играет серьезную роль не только в выполнении самих работ, но и в определении их стоимости. Многое будет также зависеть и от того, насколько сложной выглядит геометрия создаваемого из титана элемента.

Первое — Титановые клапаны не притираются, по причине того что титан не обладает противоизносными характеристиками, он покрывается противоизносным покрытием. Пары трения Титан-Титан вообще недопустимы. Притирка разрушит покрытие и клапан очень быстро умрёт. Нанесение покрытия (их несколько типов) высокотехнологичный процесс и выполнить его дома вряд ли возможно. А ежели отдаёте на нанесение, надо быть уверенным что там в точности соблюдают технологию.

Читать также: Нагрузочное сопротивление для проверки батареек

Второе — Титан имеет коэффициент теплового расширения в два раза меньше чем клапанная сталь. И зазор между клапаном и направляющей должен быть меньше. Правильный зазор помогает отводить тепло, точно центрирует клапан относительно седла. Крайне желательно использовать бронзовые направляющие. Они обеспечивают лучшее скольжение, и наименьший износ. В деле зазоров я не очень специалист, но есть у кого проконсультироваться. Что я и сделаю, тогда напишу.

И Третье самое большое по объёму — Как и с чем его «едят» (обработка Титана). Титан замечательный материал — лёгкий, прочный, не ржавеет, но его обработка резанием требует в 3-4 раза больше трудозатрат чем обработка стали. Сварка Титана, и того больше. Некоторые шутят -» Титан так назвали из за титанических усилий по его добыче и обработке». Требования к оборудованию и материалам для обработки у Титана, свои Титановые… Вы можете не верить, но Титан предъявляет очень высокие требования к жесткости конструкции станка и его абсолютной исправности! Жесткости закрепления режущего инструмента и самой детали. По этому используются большие, массивные, мощные станки. При обработке Титана возникают высокие и концентрированные силы резания, что вызывает вибрации и ускоренно изнашивает режущие кромки. Из за низкой теплопроводности детали всё тепло уходит в режущий инструмент! А по сему — должен применяться острый инструмент, при непрерывном резании хорош карбид вольфрама, а при прерывистом резании рекомендуется быстрорежущий инструмент (с содержанием кобальта 7—8%). Для обработки высокопрочных титановых сплавов требуется инструмент из карбида хрома на кобальтовой основе. Заточка инструмента, так же своя, особая. Так же Титан ОЧЕНЬ любит «наволакиваться» на режущие кромки, избежать помогают низкие обороты, медленная подача и применение РЗ СОЖ 8, но и тут как обычно засада! После механической обработки с применением СОЖ деталь подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005—0,010 мм. Ибо при взаимодействии с эмульсией в процессе резки может происходить солевая коррозия. Скорости резания, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3—4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.

Просто резать Титан болгаркой и то по особенному. Я использую диски толщиной 0,8мм., больше не желательно, ибо греть Титан сильно, нельзя! Происходят необратимые изменения структуры. А стоят эти диски по 150р. штучка, а стачиваются они очень быстро (дешёвые, так вообще махом улетают!). К стати, кто хоть раз резал Титан болгаркой, никогда его уже ни с чем не спутает. А пыль Титановая — ВЗРЫВООПАСНА!

Шлифовка Титана тоже не подарок, перепробовал великую гору разных абразивов и только недавно нашел, то что меня наиболее устраивает. И составил линейку абразивов для полного цикла шлифования, полировки и сатинирования. Но всё равно времени и сил на это уходит очень много.

Я описал только верхушку айсберга. По технологиям обработки Титана есть много информации в сети. И главное что хочу отметить, особенно в случае с Титаном, отступление от правил даже «совсем чуть-чуть» недопустимо и обязательно приведёт к неприятностям. И конечно желательно иметь опыт, на одной теории сразу далеко не уехать. Замечательный материал Титан, но работать с ним…

Главная страница » Токарная обработка титана

Увеличьте количество зубьев фрезы.

Обычно используемые концевые фрезы имеют четыре или шесть канавок. В титане этого может быть слишком мало. Более эффективное количество канавок может быть десять или больше.

Большое количество кромок для обработки титана

Увеличение количества канавок компенсирует потребность в низкой подаче на зуб. Близкое расстояние между канавками инструмента с 10 зубьями слишком мало для зазора от стружки во многих областях применения. Однако продуктивное фрезерование титана уже способствует малой радиальной глубине (см. Совет №1). Небольшая стружка, образующаяся в результате этого, дает возможность использовать концевую фрезу с большим числом канавок для повышения производительности.

Фрезерование с натягом.

«Фрезерование с подъемом» — это знакомый всем термин. То есть не подавайте фрезу так, чтобы кромка двигалась через материал в том же направлении, что и инструмент. Этот подход к обработке, известный как «обычное фрезерование», приводит к тому, что стружка вначале становится тонкой, затем толще. Когда инструмент сталкивается с материалом, силы трения создают тепло перед тем, как материал начинает отрываться от основного металла. Тонкая стружка не может поглотить и отвести выделяемое тепло, которое вместо этого попадает в режущий инструмент. Затем на выходе из толстой стружки повышенное давление резания создает опасность прилипания стружки.

Фрезерование с натягом — или формирование стружки от толстой к тонкой — начинается с того, что режущая кромка входит в излишки материала и выходит на обработанную поверхность. При боковом фрезеровании инструмент пытается «перелезть» через материал, создавая толстую стружку на входе для максимального поглощения тепла и тонкую стружку на выходе для предотвращения прилипания стружки.

Обработка титана. Фрезерование с натягом

Фрезерование контурной поверхности требует тщательного изучения траектории движения инструмента, чтобы гарантировать, что инструмент продолжает входить в излишки материала и таким образом выходить на обработанную поверхность. Достичь этого во время сложных проходов не всегда так уж и просто.

Рекомендации по проведению пайки

Схема установки пайки волной.

Пред тем как произвести пайку титана дома, нужно правильно подобрать припой, метод и особенности проведения работ. Следует учесть, что титан способствует возникновению хрупких интерметаллидов в паяном шве практически со всеми элементами, которые находятся в припое. По этой причине в роли основы припоя, как правило, предпочитают серебро, образующее с титаном не столь хрупкие интерметаллиды по сравнению с остальными металлами.

Произвести качественную пайку чугуна самостоятельно весьма проблематично, что касается и пайки титана в вакууме посредством бездобавочного алюминия. Это объясняется тем, что в шве возникают интерметаллидные фазы, а сопряжение не обладает никакой прочностью.

Толщину прослойки можно минимизировать, если в роли припоя использовать алюминий, легированный Ni. Этот и некоторые иные элементы по 1% сказываются на вытеснении интерметаллидной прослойки.

Пайку сплавов описываемого металла посредством оловянно-свинцовых или иных низкотемпературных припоев используют нечасто. В данном случае перед началом работ титан нужно покрыть никелем, применив химический или гальванический метод. А вот если необходимо использовать чугун в процессе пайки, то предпочтительнее доверить дело профессионалам.

Плавный вход в заготовку

В титане и других металлах стойкость инструмента теряется в моменты резкого изменения силы. Худший из этих моментов часто случается, когда инструмент входит в материал. Прямая подача в заготовку (как это делает почти любая стандартная траектория инструмента) производит эффект, подобный удару молотка по режущей кромке.

Обработка титана. Плавный вход в заготовку

Вместо этого скользите мягко. Для этого создайте траекторию инструмента, которая изгибает инструмент по дуге в материал, а не вводит его по прямой. При фрезеровании толстых и тонких инструментов дуга входа траектории инструмента должна следовать в том же направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки), что и вращение инструмента. Путь входа дуги позволяет постепенно увеличивать силу резания, предотвращая рывки или нестабильность инструмента. Тепловыделение и образование стружки также постепенно увеличиваются, пока инструмент полностью не войдет в режим резанья.

Обработка титана в домашних условиях — Металлы, оборудование, инструкции

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 Stellram, 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:

Зависимость скорости резания от дуги контакта

Совет № 4. Используйте врезание по дуге

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.

Снятие фаски в конце прохода

Совет № 5. Снимайте фаску в конце прохода

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.

Фрезы с большим вспомогательным задним углом

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.

Совет № 7. Изменяйте осевую глубину

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.

Измерение осевой глубины

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.

Использование фасок

Резкие изменения силы также могут возникать на выходе инструмента. Как бы ни была полезна резка от толстого к тонкому (совет № 3), проблема этого метода заключается в том, что формирование от толстого к тонкому внезапно прекращается, когда инструмент достигает конца прохода и начинает очищать металл. Резкое изменение вызывает такое же резкое изменение силы, что приводит к сотрясению инструмента и, возможно, к повреждению поверхности детали. Чтобы предотвратить такой резкий переход, примите меры предосторожности: сначала фрезеруйте фаску под 45 градусов в конце прохода, чтобы инструмент видел постепенное уменьшение радиальной глубины резания.

Обработка титана. Использование фасок

Пайка титана: что нужно знать об этой процедуре?

Если пайка титана нецелесообразна или по какой-либо причине невозможна, можно обратить внимание на соединения данного материала твердыми и мягкими припоями (тинолями). Несмотря на то, что температура плавления твердых тинолей выше 430 ° С, она ниже температуры, при которой плавятся соединяемые материалы.

Относительно мягких тинолей, то они плавятся при температурах ниже 430° С. Мягкие припои применяются, по большей части, для соединения материалов малых толщин (например, проволоки).

Олово и цинк в недостаточной степени смачивают металл. Вместо обыкновенных флюсов, которые не способны защитить метал от окисления, появилась необходимость создания специальных флюсов, обеспечивающих образование защитной металлической пленки на поверхности металла (электрохимическим путем).

Интерметаллиды

При выборе тиноля, способа и режима соединения титана, необходимо помнить, что данный материал может образовывать в шве хрупкие интерметаллиды со всеми элементами, входящими в состав тинолей. В качестве основы применяется серебро. Серебро с рассматриваемым материалом образует интерметаллиды, которые имеют наименьшую хрупкость.

Пайка посредством применения оловянно-свинцовых, а также других низкотемпературных тинолей применяется достаточно редко. В конкретном случае, прежде чем приступить к процедуре, металл покрывается никелем при помощи химического или гальванического способа.

Для того чтобы увеличить сцепление титана с никелем, детали нагревают до температуры 250 °С на протяжении одного часа. После этой процедуры материал паяют подобными припоями и флюсами, как и для чистого никеля. Паять материал, а также его сплавы при помощи низкотемпературных припоев можно по окончании покрытия серебром, оловом и медью.

Чтобы покрыть изделие оловом, необходимо опустить его в нагретое до 700 °С олово на время (10-20 минут). Посредством флюса, в состав которого входит хлористое олово, можно покрыть металл оловом.

Методы пайки титана

Существует несколько основных метолов пайки титана:

• Газовая пайка;
• Пайка в печи;
• Пайка методом сопротивления;
• Воздействие мягким припоем.

Газовая пайка

Среди многочисленных методик газовой сварки в рассматриваемой обработке деталей из титана наиболее результативным оказалось кислородно-ацетиленовое пламя, поскольку данный метод не делает сплавляемый металл хрупким. Таким образом, применяя чистое серебро и любой другой флюс, пайка титана показывает достаточно прочный и пластичный результат соединения.

Оптимальная прочность достигается путем применения газовой горелки с двумя наконечниками, минимальной температуры, а также минимальной продолжительности процедуры плавления.

Чистый алюминий в соединении титана показывает соединения материала низкого качества, но в то же время достаточно пластичные. Во время газового соединения алюминия к рассматриваемому металлу деталь полностью погружается в алюминий, после чего агитированная деталь присоединяется к алюминию простыми методами.

Пайка в печи

Во время соединения титана в печи с защитной атмосферой трудоемкая процедура газовой процедуры значительно упрощается. Таким образом, достойной альтернативой специальных флюсов оказывается простая смесь хлоридов марганца и калия, хлоридов серебра и калия. Вполне возможна многократная обработка титана с равномерным подводом тепла к металлической поверхности деталей небольших габаритов, ограниченных размерами печи.

Пайка посредством печи подразумевает более длительные временные затраты по причине отсутствия местного нагрева. Вследствие этого можно наблюдать утолщение расплавляемых слоев, что приводит к определенному снижению прочности и пластичности материала, особенно при соединении алюминием.

Сварка и пайка могут выполняться методом сопротивления. Отличие полагается в том, что во втором случае между поверхностями помещается низкоплавкий металл. Медные электроды, охлаждаемые водой, оказались лучше графитовых электродов, а также других материалов, которые обладают высоким электрическим сопротивлением, но вместе с тем содержащих загрязняющие примеси.

По своей природе рассматриваемы материал обладает достаточным сопротивлением, которое необходимо для нагрева металлических поверхностей. Непродолжительная пайка серебром при большом электрическом токе и низком давлении позволяет достигнуть более прочного соединения, чем газовая пайка. Применение давления дает возможность отказаться от флюсов.

На сегодняшний день установлено, что титан позволяется паять мягким припоем. Применение мягких тинолей в процессе обработки титана имеет никоторые преимущества, отображаемые в стоимости и быстроте, перед иными методиками соединения. Пайка титана мягкими припоями используется в большинстве случаев в тех случаях, когда не требуется высокопрочное соединение, в домашних условиях.

Соединяемые детали покрываются в процессе тонким слоем серебра, олова или меди, что достигается посредством нагрева титана, покрытого слоем хлорида одного из перечисленных ранее металлов, в печи атмосферой гелия.

Образовавшаяся металлическая пленка должна быть «смочена» припоем (60% Sn 40% Pb или 50 % Sn 50 % Pb) не без участия промышленным флюсов. Так как металлические пленки могут растворяться в припое, тем самым обнажая поверхность титана, сцепление производится достаточно быстро, причем при минимальной температуре.

Вторичный рельеф инструмента

Острая режущая кромка сводит к минимуму силы резания в титане, но режущая кромка также должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление резания. Конструкция инструмента для вторичной разгрузки, в которой первая положительная зона режущей кромки сопротивляется силам, после чего вторая зона отпадает для увеличения зазора, выполняет обе эти цели. Вторичный рельеф является обычным явлением в инструментах, но, в частности, в титане эксперименты с инструментами, имеющими разные конструкции вторичного рельефа, могут выявить неожиданные изменения в производительности резания или стойкости инструмента.

Вторичный рельеф инструмента

Измените осевую глубину

На глубине резания на инструмент могут повлиять окисление и химическая реакция. Раннее повреждение может произойти в этом месте, если инструмент многократно используется на одной и той же глубине. При выполнении последовательных осевых разрезов эта поврежденная область инструмента может вызвать деформационное упрочнение, а также появление линий на детали, которые неприемлемы для компонентов аэрокосмической отрасли, а это означает, что это влияние на поверхность может потребовать ранней смены инструмента. Чтобы предотвратить это, защитите инструмент, изменяя осевую глубину резания для каждого прохода, распределяя проблемную зону по разным точкам вдоль канавки. При токарной обработке аналогичный результат может быть достигнут за счет точения конуса в первом проходе и параллельного точения в последующем, что предотвращает образование выемок по глубине резания.

Обработка титана. Разная осевая глубина для фрез

Ограничение осевой глубины

Соотношение 8: 1 полезно помнить при фрезеровании тонких стенок и деталей без опоры из титана. Чтобы избежать прогиба стенок кармана, фрезеруйте эти стенки на последовательных осевых этапах вместо фрезерования на всю глубину стенки за один проход концевой фрезы. В частности, осевая глубина резания на каждом шаге вниз не должна превышать 8-кратную толщину стенки, которая останется после выполнения этих фрезерных проходов. Например, если толщина стенки 0,1 дюйма, осевая глубина резания для прохода фрезерования, прилегающего к ней, должна быть не более 0,8 дюйма.

Обработка титана. Ограничение осевой глубины

Несмотря на ограничение глубины, это правило можно использовать, чтобы производительное фрезерование оставалось возможным. Для этого обработайте тонкие стенки так, чтобы вокруг стены оставалась оболочка из грубого материала, в результате чего элемент в 3 или 4 раза толще окончательного элемента. Если толщина стены составляет, например, 0,3 дюйма, то правило 8: 1 допускает осевую глубину 2,4 дюйма. После этих проходов уменьшите осевую глубину, чтобы довести толстые стенки до их окончательного размера.

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 (Kr);
• размерность подачи (Fn);
• скорость резания (Ve).

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 (Kr -3 -10 мм, Fn – 0,3 — 0,8 мм, Ve — 25 м/мин);
• промежуточного – 0,5 – 4 мм, удаляется верхний слой с образованием ровной поверхности с припуском 1 мм (Kr – 0,5 – 4 мм, Fn – 0,2 – 0,5 мм, Ve — 40 — 80 м/мин).
• основного – 0,2 – 0,5 мм, чистовая обработка с удалением припуска (Kr – 0,25 – 0,5 мм, Fn – 0,1 – 0,4 мм, Ve — 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.

Выберите инструмент, намного меньший, чем карман.

Из-за того, что инструмент поглощает тепло в титане, ему необходим зазор для охлаждения. При фрезеровании небольшого кармана диаметр инструмента не должен превышать 70 процентов диаметра (или сопоставимого размера) кармана. Меньший зазор, чем этот, рискует по существу изолировать инструмент от охлаждающей жидкости, а также улавливать стружку, которая в противном случае могла бы унести хотя бы часть тепла.

Обработка титана. Диаметр инструмента относительно кармана

Правило 70 процентов также может применяться к фрезерованию инструмента по верхней части поверхности. В этом случае ширина элемента должна составлять 70 процентов диаметра инструмента. Инструмент смещен на 10 процентов, чтобы стимулировать образование стружки от толстой к тонкой.

Фрезы с высокой подачей

Фрезы с высокой подачей — концепция инструмента, разработанная для обработки инструментальной стали в производстве штампов и пресс-форм — в последние годы была адаптирована для обработки титана. Фрезы с высокой подачей требуют небольшой осевой глубины резания, но при работе на этой небольшой глубине инструмент обеспечивает более высокие скорости подачи, чем фрезы более традиционной конструкции.

Фрезы с высокой подачей

Причина — истончение стружки. Ключом к фрезерному станку с высокой подачей является пластина с изгибом большого радиуса на ее режущей кромке. Благодаря этому радиусу образование стружки распространяется на большую площадь контакта на кромке. Из-за полученного утонения при осевой глубине резания 0,040 дюйма толщина стружки может составлять всего около 0,008 дюйма. В титане эта тонкая стружка преодолевает низкую подачу на зуб, обычно требуемую для этого металла. Утончение стружки открывает путь к более высокой запрограммированной скорости подачи, чем это было бы возможно в противном случае.