Обработка деталей из авиакосмических титановых сплавов на станке с ЧПУ: параметры и практика

Компоненты из титановых сплавов в аэрокосмической отрасли — это не просто более легкие алюминиевые детали. Это детали, в которых одновременно должны соблюдаться жесткость-к-весу, усталостная выносливость и температурная устойчивость: опоры двигателя, детали планера, крепления шасси, гидравлические коллекторы, компрессорное оборудование и крепежные элементы. Операция механической обработки, в ходе которой поковка или пруток превращается в эти детали, составляет большую часть затрат и большую часть лома.

Титановые сплавы в аэрокосмической отрасли: бюджет обработки

Преобладающим сплавом остается Ti-6Al-4V (класс 5, UNS R56400), поставляемый в виде прутка по ASTM B348, в виде листа по AMS 4911 и в виде поковок по AMS 4928. Его альфа-бета-структура обеспечивает полезную комбинацию прочности, ударной вязкости и устойчивости к повышенным температурам примерно до 400 градусов Цельсия. Ti-6Al-4V ELI (марка 23) с пониженным содержанием железа и кислорода выбирается там, где определяют вязкость разрушения и устойчивость к повреждениям, а марки, близкие к бета, используются для очень высокопрочных крепежных изделий и пружин.

Поведение при механической обработке: почему титан не является еще одним алюминием

Три свойства затрудняют резку титана. Его теплопроводность составляет примерно одну седьмую от теплопроводности стали, поэтому тепло, выделяемое на режущей кромке, не может уйти в стружку, а вместо этого концентрируется в инструменте. Его модуль примерно вдвое меньше, чем у стали, поэтому тонкие стенки и тонкие инструменты отклоняются, что приводит к вибрации и смещению размеров. Его химическая активность высока при температуре резания, поэтому металл имеет тенденцию привариваться к кромке инструмента и образовывать нарост-слой, который отрывается и уносит с собой инструментальный материал.

Практический результат заключается в том, что скорость резания должна оставаться низкой, подачи должны оставаться достаточно высокими, чтобы держать кромку под заготовкой, а не тереть ее, а охлаждающая жидкость должна достигать зоны резания, а не разбрызгиваться вокруг нее. Трение является основной причиной преждевременного выхода из строя: инструмент, работающий слишком медленно,-затвердевает поверхность, а затем выходит из строя из-за сколов или надрезов.

Базовые параметры резки Ti-6Al-4V

Эти цифры являются отправной точкой, а не пределом. Жесткие конструкции с высоким-давлением-хладагента инструмента могут течь в верхнем конце; длинные свесы, тонкие полы и глубокие карманы приближают к нижнему концу. Чем нельзя жертвовать, так это загрузкой чипа. Уменьшение подачи для контроля вибрации – совершенно неправильный ответ при обработке титана.

Практика оснастки, охлаждения и обработки деталей

Инструментальная подложка.Мелкозернистый-карбид вольфрама с содержанием кобальта от 6 до 10 процентов обеспечивает необходимый баланс твердости в горячем состоянии и прочности кромки. Поликристаллический алмазный инструмент не рекомендуется использовать для обработки титана из-за химического взаимодействия с заготовкой при температуре резания.

Покрытие.Покрытия PVD AlTiN или AlCrN уменьшают трение и наросты на кромках.- Острые, заточенные-в-умеренно краях режут холоднее, чем кромки с толстым покрытием.

Охлаждающая жидкость.Подача-инструмента под давлением 70 бар и более — это наиболее эффективный показатель производительности, поскольку при этом жидкость попадает в зону контакта и разрушает стружку. Сам по себе проливной теплоноситель заметно уступает.

Рабочее удержание.Поддерживайте тонкие перекрытия и ребра правильно подогнанным расходным материалом, избегайте точечного зажима и используйте чистовые проходы с низким-давлением. Отклонение инструмента, а не ошибка станка, является обычной причиной выхода за пределы-границы-допусков.

Чип-контроль.Титановая стружка сегментирована и абразивна. Никогда не обрезайте их повторно; используйте продувку воздухом, подачу СОЖ под высоким-давлением и прерывистые циклы прокалывания глубоких отверстий.

Целостность поверхности, термообработка и контроль

Готовая поверхность — это элемент дизайна, а не побочный-продукт. Обработка титана оставляет остаточное сжимающее напряжение при правильных параметрах резки и растягивающее напряжение в противном случае, а растягивающая обшивка значительно сокращает усталостную долговечность фитинга планера с циклическими нагрузками. Необходимо контролировать два конкретных вопроса.

Дело Альфа.Воздействие воздуха при температуре выше 600 градусов Цельсия (при горячей штамповке, сварке или термообработке) приводит к образованию твердого, -богатого кислородом поверхностного слоя, который становится хрупким и трескается под нагрузкой. Его удаляют химическим измельчением в ванне с плавиковой-азотной кислотой или механическим удалением материала.

Загрязнение и ожог.Изменение цвета синего или соломенного цвета после механической обработки или шлифования указывает на местный перегрев. Пораженный слой необходимо удалить перед приемкой детали.

Проверка обычно сочетает в себе контроль размеров с допусками чертежей, ультразвуковой контроль деформируемого изделия в соответствии с AMS 2631 на наличие внутренних несплошностей, проверку твердости и микроструктуры, а для деталей, критически важных для разрушения, испытания на усталость в соответствии с ASTM E466 и испытания на растяжение в соответствии с ASTM E8/E8M. Утверждение аэрокосмического процесса, такое как аккредитация NADCAP и полная отслеживаемость партии материала, являются обычными договорными требованиями.

Распространенные заблуждения

Титан можно обрабатывать быстрее с помощью более качественного инструмента.Развитие инструментов расширило возможности, но титан никогда не будет резать со скоростью алюминия; охлаждение и жесткость заданы потолком.

Низкая скорость подачи защищает инструмент.Верно обратное. Низкая подача трется, работа-затвердевает и разрушает кромку.

Подойдет любая охлаждающая жидкость.Заливной теплоноситель без давления не доходит до кромки. Высокое давление с помощью-инструмента — это другой процесс, а не усовершенствование.

Термическая обработка решает проблемы механической обработки.Снятие напряжений может перераспределить остаточное напряжение, но не может восстановить поверхность, поврежденную обжигом или альфа-кейсом.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему Ti-6Al-4V является стандартным титановым сплавом для аэрокосмической отрасли?
Поскольку его альфа-бета-микроструктура сочетает в себе высокую удельную прочность, хорошую усталостную прочность и стабильность примерно до 400 градусов по Цельсию, он доступен в зрелой цепочке поставок прутков, листов, труб и поковок в соответствии с ASTM B348, AMS 4911 и AMS 4928.

Вопрос: Какую скорость резания следует использовать для фрезерования твердого сплава Ti-6Al-4V?
Черновое фрезерование обычно выполняется со скоростью от 40 до 60 м/мин, а чистовое — со скоростью от 60 до 90 м/мин с подачей от 0,05 до 0,15 мм на зуб. Жесткость, давление охлаждающей жидкости и геометрия инструмента влияют на эти значения больше, чем марка инструмента.

Вопрос: Почему так важна подача-подачи СОЖ под высоким-инструментом?
Титан плохо проводит тепло, поэтому режущая кромка быстро нагревается до высокой температуры. СОЖ, подаваемая под давлением 70 бар и более, достигает поверхности раздела, охлаждает кромку и разрушает сегментированную стружку, что одновременно увеличивает срок службы инструмента и качество детали.

Вопрос: Что такое альфа-регистр и почему его необходимо удалить?
Это обогащенный кислородом-твёрдый и хрупкий поверхностный слой, образующийся при нагревании титана на воздухе при температуре выше 600 градусов Цельсия. Если оставить его на месте, он приведет к образованию трещин, поэтому его удаляют химическим фрезерованием или механическим удалением заготовки.

Вопрос: Можно ли использовать алмазный инструмент для обработки титана?
Нет, не на титановых сплавах при обычном производстве. При температуре резания происходит сильный химический износ, поэтому стандартным выбором остаются мелкозернистые твердые сплавы с PVD-покрытием и острые твердые сплавы без покрытия.

Вопрос: Как проверяется качество обработанных деталей из аэрокосмического титана?
Путем проверки размеров, ультразвукового контроля деформируемого материала в соответствии с AMS 2631, проверки твердости и микроструктуры, химического анализа партии, а также механических или усталостных испытаний в соответствии с ASTM E8/E8M и ASTM E466, если этого требует конструкция.