Обработка титановых сплавов на станках с ЧПУ: инструменты, скорости и практика подачи СОЖ

Сначала поправим: титан — нелегкий материал для обработки.

Титановые сплавы ценятся за высокую удельную прочность, коррозионную стойкость и термостойкость, широко используются в конструкциях самолетов, двигателях, медицинских приборах и химическом оборудовании. Однако их поведение при обработке часто искажается. Иногда пишут, что титан имеет умеренную твердость и легко режется, или что он химически стабилен и поэтому не реагирует с кислородом при резке. Ни одно из утверждений не выдерживает контакта с механическим цехом. Титан реактивен: он мгновенно образует стабильный оксид, а при температурах, достигаемых на режущей кромке, поглощает кислород, азот и водород, что делает поверхность хрупкой и образует твердую абразивную альфа-корпус. Обработка титана сложна по-множеству хорошо понятных физических причин, и рабочие параметры диктуются ими.

Низкая теплопроводность, около 7 Вт/м·К, что примерно вчетверо меньше, чем у стали при сопоставимой температуре, поэтому 70-80% тепла при резании остается в инструменте и заготовке, а не уходит со стружкой.

Низкий модуль упругости, около 110 ГПа, поэтому заготовка отклоняется от инструмента, вызывая вибрацию, плохой контроль размеров и ускоренное скалывание кромки.

Высокое химическое сродство к инструментальным материалам., вызывая сварку под давлением и истирание передней поверхности, что приводит-налипанию кромки и катастрофическому разрушению кромки, а не плавному износу задней поверхности.

Тонкие, сильно сегментированные чипсыс небольшой площадью контакта, что приводит к очень высокому контактному напряжению и локальной температуре края выше 1000 градусов.

Закалка и формирование альфа-корпусакогда поверхность перегрета или загрязнена, поэтому последующие проходы срезают абразивный слой с низкой-пластичностью.

Ориентировочные параметры резки

В таблице приведены отправные точки для изготовления Ti-6Al-4V с использованием современной оснастки. Значения необходимо корректировать для конкретного станка, жесткости и класса инструмента; они являются отправной точкой, а не спецификацией.

Инструменты и инструментальные материалы

Мелкозернистый-твердый сплав без покрытия с острой положительной-передней геометрией остается эталоном для чистовой обработки титана. PVD-покрытия на основе нитрида алюминия-титана или нитрида алюминия-хрома продлевают срок службы при прерывистом резании, тогда как титан-содержащих покрытий, таких как нитрид титана, обычно избегают, поскольку химический состав покрытия аналогичен обрабатываемому материалу и способствует адгезии. Края инструмента должны быть острыми; геометрия заточенной или скошенной кромки, предназначенной для стали, будет вибрировать и-затвердевать титан. Быстрорежущая сталь с-содержащим-подшипником-по-прежнему используется для метчиков, разверток и низкоскоростного сверления,-где ее ударная вязкость перевешивает более низкую твердость в горячем состоянии. Поликристаллический алмаз используется при массовом-производстве титановых компонентов, но в некоторых условиях он химически непригоден для чистого титана и вступает в реакцию с заготовкой при высокой температуре, поэтому необходимо соблюдать данные поставщика.

СОЖ, стружкодробление и пожарная безопасность

Используйте обильное количество СОЖ под высоким-давлением, подаваемое как можно ближе к режущей кромке. Сквозная-подача инструмента при давлении 3–7 МПа является стандартным решением для сверления и обработки глубоких карманов.

Эмульсия на водной-основе — лучший выбор для отвода тепла; чистые масла улучшают качество поверхности и срок службы инструмента при нарезании резьбы и зубчатых колес; минимальное-количество смазки подходит только для легкой чистовой обработки, где выделение тепла невелико.

Никогда не допускайте прерывания подачи СОЖ в середине резания. Прерывистое охлаждение приводит к термоциклированию и быстрому разрушению кромок.

Титановая мелочь пирофорна. Следите за чистотой стружки, избегайте сухой обработки мелкой стружки, где она может скапливаться вблизи источников возгорания, храните ее отдельно и используйте подходящее сухое-порошковое средство пожаротушения. Не используйте струю воды на горящей куче титановой стружки.

Поддерживать концентрацию теплоносителя и режим фильтрации; загрязнение стальной мелочью ускоряет истирание и снижает целостность поверхности.

Удержание заготовки, искажение и целостность поверхности

Поскольку титан прогибается примерно в два раза больше, чем сталь при той же силе резания, жесткое и-хорошо поддерживаемое крепление имеет большее значение, чем грубая мощность машины. Поддерживайте тонкие секции специальными приспособлениями или расходным материалом, держите заготовку как можно ближе к шпинделю, используйте попутное фрезерование для тонких стенок и делайте сбалансированные разрезы с обеих сторон полотна. Дайте детали достичь теплового равновесия перед чистовым проходом и избегайте повторного -зажатия между черновой и чистовой обработкой, где допуски на размеры жесткие. После любой термической операции - сварки, термической обработки или механической обработки, достаточно горячей, чтобы обесцветить поверхность -, альфа-корпус необходимо удалить травлением или механической правкой, прежде чем деталь перейдет в критический режим эксплуатации,-так как она хрупкая и может вызвать растрескивание.

Распространенные заблуждения

«Титан имеет умеренную твердость, поэтому его легко обрабатывать».Твердость отпечатка не является контролирующим свойством; теплопроводность, модуль и химическое сродство.

«Титан химически инертен во время резки».Он легко реагирует с кислородом и азотом при повышенной температуре, образуя твердый, охрупчивающийся поверхностный слой.

«Более высокие скорости заканчиваются быстрее».Выше рекомендованного окна срок службы инструмента снижается, а целостность поверхности ухудшается, поэтому общая стоимость возрастает.

«Более тяжелая подача всегда повреждает деталь».В определенных пределах более тяжелая подача на зуб отводит тепло от стружки и уменьшает трение; слишком легкий корм натирает, и работа-вместо этого затвердевает.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему титан так сильно нагревает режущий инструмент?
Его теплопроводность составляет всего около 7 Вт/м·К, поэтому тепло, выделяемое на кромке, не может быстро уйти в стружку или заготовку и концентрируется в инструменте.

Вопрос: Какие покрытия рекомендуются для обработки титана?
PVD-покрытие из нитрида алюминия-титана или нитрида алюминия-хрома на мелкозернистом карбиде с острым положительным передним углом; твердый сплав без покрытия остается превосходным для чистовой обработки.

Вопрос: Действительно ли необходима охлаждающая жидкость под высоким-давлением?
Для сверления, глубоких карманов и высокопроизводительной токарной обработки он имеет решающее значение как для охлаждения, так и для удаления стружки; легкая отделочная обработка часто может работать с проточной охлаждающей жидкостью или смазкой в ​​минимальном-объеме.

Вопрос: Что вызывает вибрацию при фрезеровании тонких титановых стенок?
Низкий модуль упругости титана позволяет стенке прогибаться под режущей нагрузкой; Попутное фрезерование, уменьшенное радиальное зацепление и лучшая поддержка стенки решают эту проблему.

Вопрос: Представляет ли титановая стружка опасность возгорания?
Ладно, сухая щепа может воспламениться. Держите их в чистоте и храните отдельно, избегайте источников возгорания и используйте сухие-порошковые средства пожаротушения, а не воду.

Вопрос: Изменяет ли механическая обработка свойства материала поверхности?
Да. Перегрев и загрязнение могут создать-обогащенную кислородом альфа-зону и остаточное напряжение, поэтому параметры резки влияют на целостность поверхности и почему слой удаляется на усталостно-критических деталях.