Обработка деталей из тонкостенных-полостей из титанового сплава TC4

Почему титан TC4 трудно обрабатывать

Титановый сплав TC4, также обозначаемый Ti-6Al-4V и UNS R56400, является наиболее широко используемым титановым сплавом в аэрокосмической, медицинской и высокотехнологичной-спортивной технике. Его плотность составляет всего около 4,43 г/см3, а предел прочности достигает примерно 895-950 МПа, что обеспечивает соотношение прочности к весу, с которым сталь не может сравниться. Те же свойства, которые делают сплав привлекательным, также затрудняют его резку: теплопроводность составляет всего около 7 Вт/(м·К), что примерно вчетверо меньше, чем у углеродистой стали, поэтому тепло при резке концентрируется на кромке, а не уносится стружкой. Модуль упругости составляет около 110 ГПа, поэтому заготовка прогибается и пружинит под нагрузкой, а материал вступает в химическую реакцию с покрытиями инструмента при повышенной температуре.

Тонкостенные-детали полости усугубляют каждый из этих эффектов. Когда толщина стенки падает примерно до 2 мм, деталь становится жесткой в ​​направлении резания, но гибкой во всех остальных местах, поэтому большая часть силы резания изгибает заготовку, а не образует стружку. Результатом является вибрация, неравномерная толщина стенок и негерметичная монтажная поверхность. В этой статье в качестве эталонного примера используется репрезентативная деталь крышки TC4 с дугообразной -формой стенки толщиной 2 мм и буртиками 6 мм, а также описываются технологический маршрут, параметры оснастки и резки, обеспечивающие плоскость монтажной поверхности с точностью до 0,1 мм.

Геометрия справочной детали и целевые допуски

Эталонная крышка представляет собой одну большую дугообразную-полость, ограниченную тонкой стенкой, с двумя более тяжелыми соединительными буртиками и крепежным фланцем, прикрепленным болтами. Заготовочный материал представляет собой пластину TC4, поставляемую по стандарту ASTM B265, а для крепежных элементов используется пруток по стандарту ASTM B348. Припуски на обработку должны оставлять достаточный запас для чистовых проходов, сохраняя при этом нагрузку на черновую обработку достаточно низкой, чтобы избежать необратимой деформации стенки толщиной 2 мм.

Маршрут процесса: от чернового фрезерования до притирки

Стабильный маршрут отделяет удаление металла от обеспечения точности. При черновой обработке удаляется большая часть заготовки, при этом деталь находится в наиболее жестком состоянии; полу-чистовая и чистовая обработка затем выполняются с уменьшенным радиальным зацеплением, чтобы сила резания оставалась низкой. Последовательность ниже используется для справочной обложки.

Оп 10 – Подготовка заготовки:распилите и обработайте пластину TC4, снимите напряжение с заготовки перед окончательной обработкой, чтобы снять остаточное напряжение от прокатки.

Оп 20 – Черновое и чистовое фрезерование выпуклой полости:Сначала установите внешний профиль и крепежные отверстия, чтобы последующие операции имели надежную базу и правильную обработку поверхности на выпуклой стороне.

Оп 30 – Черновое фрезерование вогнутой полости:вырежьте полость дуги с помощью концевой фрезы из-кобальта или твердого сплава, оставив 0,5 мм на стене и 0,3 мм на полу.

Оп 40 – Релаксация стресса:оставьте деталь осесть, затем снова-зажмите только плечи. На этом этапе снимается внутреннее напряжение, пока еще остается запас для чистовых проходов.

Операция 50 – Чистовое фрезерование вогнутой полости:очертите стену с помощью сферической-фрезы с постоянным-шагом и -переместите оснастку заготовки два или три раза так, чтобы зажимное усилие никогда не оказывалось через тонкую стенку.

Оп 60 – Монтажная отделка торцевой поверхности:чистовую фрезу, затем отшлифовать поверхность и вручную притереть монтажную поверхность до достижения общей плоскостности 0,1 мм и Ra 0,8 мкм или выше.

Оп 70 – Осмотр:измерьте толщину стены с помощью ультразвука или стенового-толщиномера на фиксированной сетке и проверьте плоскостность на поверхности перед окончательной сборкой.

Проектирование оснастки и выбор инструмента

Инструмент требует большей точности, чем станок при обработке тонкостенного титана. Приспособление должно поддерживать деталь близко к зоне резания и прикладывать зажимное усилие только к толстым выступам, но не к стенке толщиной 2 мм. Вакуумный зажим с помощью профилированной опорной вставки или легкоплавкого удерживающего состава подходит для вогнутой полости, поскольку позволяет производить рез практически без механического зажимного усилия.

Два правила имеют большее значение, чем цифры. Во-первых, ни в коем случае нельзя оставлять инструмент в разрезе - неподвижная титановая кромка- затвердевает за несколько секунд. Во-вторых, попутное фрезерование с умеренно положительной передней геометрией вызывает меньшее трение, чем обычное фрезерование, и удерживает силу резания, направленную на поддерживаемую толстую секцию.

Контроль вибрации и деформации

Уменьшите радиальное зацепление, а не подачу:Радиальная ширина резания 10–15 % при полной глубине распределяет нагрузку вдоль кромки и отодвигает частоту возбуждения от стеночного резонанса.

Поддержите стену сзади:заполните полость профилированной опорой, воском или легкоплавким-сплавом так, чтобы стенка не могла отойти от фрезы.

Изменение зажимной поверхности между проходами:вращение зажимного контакта между плечами удерживает любое остаточное напряжение вокруг детали, а не вытягивает ее из плоского состояния.

Держите охлаждающую жидкость на краю:Охлаждение потоком под высоким-давлением продлевает срок службы инструмента и стабилизирует температуру резания, что ограничивает термическую деформацию стенки толщиной 2 мм.

Возьмите весенний пропуск:последний световой проход с той же настройкой удаляет упругое восстановление, оставшееся от предыдущего разреза, и часто разница в погрешности плоскостности составляет от 0,15 до 0,05 мм.

Проверка и приемка

Толщина стенок проверяется на фиксированной сетке, чтобы любое утонение обнаруживалось в той точке, где оно происходит, а не усреднялось. Плоскостность проверяется на гранитной поверхности с помощью циферблатного индикатора, и измерение повторяется после того, как деталь была снята с приспособления и ей дали достичь комнатной температуры, поскольку измеренная в горячем виде крышка TC4 будет лучше, чем она есть на самом деле. Детали, прошедшие обе проверки, затем собираются с проверкой на сухое уплотнение перед выпуском.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Почему на одном и том же станке титановый сплав TC4 вибрирует сильнее, чем сталь?
Поскольку TC4 имеет примерно четверть меньшей теплопроводности, чем сталь, и имеет более низкий модуль упругости, тепло при резке остается на кромке, и деталь прогибается под нагрузкой. Уменьшение радиального взаимодействия и поддержка стены сзади устраняют большую часть вибрации.

Вопрос: Какую скорость резания следует использовать для чернового фрезерования TC4?
Твердосплавные инструменты обычно работают со скоростью 40-60 м/мин при черновой обработке и 60-80 м/мин при получистовой обработке с охлаждением потоком. Скорость чистовой обработки сферической фрезой из CBN можно увеличить до 100–150 м/мин, поскольку при чистовой резке удаляется очень мало материала.

Вопрос: Как предотвратить деформацию стенки толщиной 2 мм?
Зажимайте только толстые уступы, подкрепляйте полость профилированной вставкой или легкоплавким компаундом, снимайте напряжение после черновой обработки и чистите стену множеством легких проходов вместо одного тяжелого прохода.

Вопрос: Необходимо ли снятие напряжения после черновой обработки?
Да. Черновая обработка удаляет большой объем материала и нарушает баланс внутренних напряжений пластины. Если дать детали отстояться перед чистовыми операциями, стена не сможет сдвинуться после окончательного разреза.

Вопрос: Как достигается плоскостность 0,1 мм на монтажной поверхности?
За чистовым фрезерованием следует шлифовка поверхности и ручная притирка. Требуется постоянный-контроль процесса, а измерение детали производится при комнатной температуре после снятия с приспособления.

Вопрос: Какие стандарты применяются к материалу TC4?
TC4, или Ti-6Al-4V, соответствует стандарту ASTM B265 для листов и пластин, ASTM B348 для прутков и заготовок и AMS 4911 для листов. В спецификациях закупки должны быть указаны форма продукта и требуемые условия термообработки.