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.

Для поддержания оптимальной температуры в зоне реза используют водородное легирование. Увеличенное содержание водорода в сплаве позволяет понизить силу реза и в несколько раз увеличить износоустойчивость твердосплавной фрезы (показатель зависит от природы сплава и выбранной технологии резки). Добавление водорода дает возможность сократить сроки обработки в два раза, не потеряв при этом в качестве. Азотирование или оксидирование деталей создает на поверхности сплава тончайшую пленку, способную препятствовать задиранию слоев и образованию избыточной стружки.

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:

1. Вогнутые или выпуклые фасонные.
2. Сборные (с регулируемым углом).
3. 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.

Обрабатываемость стали зависит от состава легирующих элементов, методов термообработки и способа получения заготовки (отливка, поковка и т. д.).

При обработке низкоуглеродистых сталей основной проблемой является образование наростов и заусенцев. При обработке сталей высокой твёрдости важное значение приобретает взаимное расположение заготовки и фрезы для предотвращения выкрашивания режущей кромки.

При фрезеровании стали всегда строго соблюдайте наши рекомендации по расположению фрезы во избежание излишнего увеличения толщины стружки на выходе, а также по возможности не применяйте СОЖ, в особенности при выполнении черновой обработки.

Фрезерование нержавеющей стали

Нержавеющую сталь можно разделить на ферритную/мартенситную, аустенитную и дуплексную (аустенитную/ферритную). При этом для каждого вида предлагаются свои рекомендации по фрезерованию.

Фрезерование ферритной/мартенситной нержавеющей стали

Классификация материала: P5.x

Ферритные нержавеющие стали имеют обрабатываемость, схожую с низколегированными сталями, поэтому при их обработке можно руководствоваться общими рекомендациями по фрезерованию стали.

Мартенситные нержавеющие стали более склонны к упрочнению в процессе резания и вызывают очень высокие силы резания при врезании в заготовку. Для получения оптимальных результатов выбирайте правильную траекторию инструмента и метод вход в резание по дуге, а также более высокую скорость резания v c , чтобы преодолеть эффект упрочнения. Более высокая скорость резания и более прочный сплав в сочетании с усиленной режущей кромкой способствуют повышению стабильности.

Фрезерование аустенитной и дуплексной нержавеющей стали

Классификация материала: M1.x, M2.x и M3.x

Основными видами износа при фрезеровании аустенитых и дуплексных нержавеющих сталей являются выкрашивание режущих кромок, возникающее в результате возникновения термических трещин, образование проточин и наростов и налипание материала. Среди характерных дефектов деталей можно назвать образование заусенцев и низкое качество обработанных поверхностей.

Термические трещины

Выкрашивание режущих кромок

Образование заусенцев и низкое качество обработанных поверхностей

• Во избежание образования наростов на режущих кромках выбирайте высокую скорость резания (v c = 150 – 250 м/мин).
• Работайте без применения СОЖ для минимизации риска возникновения термических трещин

• Иногда необходимо применять СОЖ, предпочтительно в виде масляного тумана или тончайшей плёнки для улучшения качества поверхности. При чистовом фрезеровании риск возникновения термических трещин снижается, так как в зоне резания выделяется меньшее количество тепла.
• Используйте сплавы типа кермет для обеспечения высокого качества поверхности при работе без СОЖ
• Слишком низкое значение подачи f z может вызвать чрезмерный износ пластины, так как в этом случае режущая кромка будет работать в поверхностно упрочнённой зоне.

Фрезерование чугуна

Существует пять основных типов чугуна:

• Серый чугун (GCI)
• Чугун с шаровидным графитом (NCI)
• Ковкий чугун (MCI)
• Отпущенный ковкий чугун (ADI)

Серый чугун (GCI)

Классификация материала: K2.x

Основными видами износа при фрезеровании серого чугуна являются абразивный износ по задней поверхности и термические трещины. Среди характерных дефектов деталей можно назвать выкрашивания в области выхода фрезы из резания и низкое качество обработанных поверхностей.

Типичный износ пластины​

Выкрашивание на детали​​

• Работайте без применения СОЖ для минимизации риска возникновения термических трещин Используйте твердосплавные пластины с покрытием большой толщины.
• В случае выкрашивания материала заготовки:
  • Проверьте износ по задней поверхности
  • Уменьшите подачу f z для уменьшения толщины стружки.
  • Выберите более острую геометрию
  • Предпочтительно используйте фрезы с углом в плане 65/60/45 градусов
• При необходимости применения СОЖ для осаждения частиц пыли выбирайте соответствующие марки сплавов.
• Первым выбором всегда должен быть твёрдый сплав с покрытием. Однако возможно также использование керамики. Помните, что скорость резания v c должна быть очень высокой: от 800 до 1000 м/мин. Образование заусенцев на заготовке ограничивает скорость резания. Не применяйте СОЖ.

• Используйте твердосплавные пластины с тонким покрытием или без покрытия.
• Для чистовой обработки с высокой скоростью резания можно использовать сплавы на основе CBN. Не применяйте СОЖ.

Чугун с шаровидным графитом

Классификация материала: K3.x

Обрабатываемость ферритного и ферритно-перлитного чугуна с шаровидным графитом очень близка к обрабатываемости низколегированных сталей. В связи с этим при выборе инструментов, сплавов и геометрий пластин можно руководствоваться общими рекомендациями для фрезерования сталей.

Перлитный чугун с шаровидным графитом является более абразивным материалом, поэтому для него рекомендуется использовать сплавы для обработки чугуна.

Для получения оптимальных результатов используйте сплавы с покрытием PVD и СОЖ.

Чугун с вермикулярным графитом (CGI)

Классификация материала: K4.x

Данный тип чугуна CGI нередко имеет на 80% перлитную структуру и чаще всего подвергается обработке фрезерованием. В качестве типичных деталей можно назвать блоки двигателей, головки блоков цилиндров и выпускные коллекторы.

Круговое фрезерование может стать отличной альтернативной традиционному растачиванию цилиндров из CGI.​

Отпущенный ковкий чугун (ADI)

Классификация материала: K5.x

Как правило, черновая обработка выполняется в незакалённом состоянии и может быть сравнима с фрезерованием высоколегированной стали.

Напротив, чистовая обработка выполняется по закалённому материалу, который отличается высокой абразивностью. Этот процесс можно сравнить с фрезерованием закалённых сталей группы ISO H. В связи с этим предпочтительно использовать сплавы с высокой стойкостью к абразивному износу.

По сравнению с фрезерованием чугуна с вермикулярным графитом стойкость инструмента при обработке отпущенного ковкого чугуна ниже примерно на 40%, а силы резания – выше примерно на 40%.

Фрезерование цветных металлов

Группа цветных металлов включает не только алюминиевые сплавы, но также сплавы на основе магния, меди и цинка. Обрабатываемость может быть различной, в первую очередь в зависимости от содержания кремния. Самым распространённым типом является доэвтектический алюминий с содержанием кремния ниже 13%.

Алюминий с содержанием кремния ниже 13%

Классификация материала: N1.1-3

Основными видами износа является наростообразование и налипание материала на режущие кромки, что ведёт к образованию заусенцев и ухудшению качества обработанных поверхностей. Для предотвращения появления царапин на поверхностях деталей важное значение имеет нормальное образование и эвакуация стружки.

Режущая пластина с вставками из PCD

• Используйте пластины с вставками из PCD и острой, полированной режущей кромкой для хорошего дробления стружки и предотвращения образования наростов.
• Выбирайте пластины с положительной геометрией и острыми режущими кромками.
• В отличие от фрезерования других материалов, обработка алюминиевых сплавов должна всегда осуществляться с применением СОЖ. Это позволяет предотвратить налипание материала на режущие кромки и улучшить качество обработанных поверхностей.
  • Содержание кремния < 8%: Используйте СОЖ с концентрацией 5%.
  • Содержание кремния 8–12%: Используйте СОЖ с концентрацией 10%.
  • Содержание кремния > 12%: Используйте СОЖ с концентрацией 15%.
• Более высокая скорость резания, как правило, способствует улучшению результатов и не оказывает негативного влияния на стойкость инструмента.
• Рекомендуется выбирать значение h ex в диапазоне от 0,10 до 0,20 мм. Слишком низкие значения могут приводить к образованию заусенцев.

Внимание: не допускайте превышения максимальной частоты вращения фрезы.

• В связи с высокой минутной подачей выполняйте обработку на станках с функцией расчёта траектории на основе упреждающего считывания и анализа кода программы во избежание нарушения размеров.
• Стойкость инструмента часто ограничивается образованием заусенцев и низким качеством обработанных поверхностей часто. Износ пластин не может являться критерием стойкости инструмента.

Фрезерование жаропрочных сплавов (HRSA)

Жаропрочные сплавы (HRSA) можно разделить на три группы: сплавы на основе никеля, железа и кобальта. Титан может быть технически чистым или входить в состав сплава. Как жаропрочные, так и титановые сплавы характеризуются плохой обрабатываемостью, в особенности после старения, что предъявляет особые требования к режущим инструментам.

Жаропрочные сплавы и титан

Фрезерование жаропрочных сплавов и титана нередко требует использования станков с высокой жёсткостью, а также с высокой мощностью и крутящим моментом при низкой частоте вращения. Образование проточин и выкрашивание кромки – это самые распространённые типы износа. Выделение большого количества тепла ограничивает скорость резания.

Используйте круглые пластины для минимизации образования проточин

• По возможности всегда используйте круглые пластины для усиления эффекта утончения стружки
• При глубине резания менее 5 мм главный угол в плане должен составлять менее 45°. Как показывает практика, лучше всего использовать круглые пластины с положительной геометрией
• Высокая точность фрезы в осевом и радиальном направлении имеет важное значение для поддержания постоянной нагрузки на зуб и стабильности процесса и позволяет избежать повреждения отдельных пластин фрезы
• Рекомендуется выбирать пластины с положительной геометрией и оптимизированным округлением режущих кромок во избежание налипания стружки на выходе кромки из резания
• Эффективное число зубьев, участвующих в процессе резания, должно быть максимально возможным Это обеспечит хорошую производительность при условии надлежащей стабильности. Используйте фрезы с мелким шагом

= стойкость инструмента
= снижение стойкости инструмента при увеличении режимов резания

Изменение режимов резания в разной степени влияет на стойкость инструмента. Самое большое влияние имеет скорость резания v c , затем a e и т. д.

СОЖ

В отличие от фрезерования большинства других материалов, обработка должна всегда осуществляться с применением СОЖ. Это позволяет облегчить снятие стружки, ограничить выделение тепла в зоне резания и предотвратить вторичное резание стружки. При этом предпочтительным является подвод СОЖ через шпиндель/инструмент под высоким давлением (70 бар) вместо наружного подвода при низком давлении.

Подвод СОЖ через инструмент
даёт определённые преимущества при
использовании твердосплавных пластин

Износ режущих пластин/инструмента

Самыми распространёнными причинами поломки инструмента и плохого качества обработанных поверхностей являются образование проточин, чрезмерный износ по задней поверхности и выкрашивание режущей кромки.

Лучший способ избежать этого – регулярная смена режущих кромок, гарантирующая надёжный и стабильный процесс. Износ по задней поверхности не должен превышать 0,2 мм для фрез с главным углом в плане 90 градусов, и максимум 0,3 мм для круглых пластин.

Типичный износ пластины​

Фреза с керамическими пластинами для черновой обработки жаропрочных сплавов

Скорость резания при использовании керамических пластин, как правило, в 20–30 раз выше скорости при использовании твёрдого сплава, при более низкой подаче (~0,1 мм/зуб), результатом чего становится более высокая производительность. Благодаря прерывистому характеру резания во время этой операции выделяется меньше тепла, чем при точении. Благодаря этому скорость резания может достигать 700–1000 м/мин при фрезеровании по сравнению с 200–300 м/мин при точении.

• Используйте преимущественно круглые пластины для обеспечения малого главного угла в плане и предотвращения образования проточин
• Не применяйте СОЖ.
• Не используйте керамику для обработки титана.
• Керамика оказывает негативное влияние на свойства поверхности и поэтому не должна использоваться на чистовых этапах обработки.
• Максимальный износ по задней поверхности при использовании керамических пластин для обработки жаропрочных сплавов составляет 0,6 мм.

Фрезерование закалённых сталей

Эта группа включает закалённые и отпущенные стали с твёрдостью > 45–65 HRC.

Типичные детали для обработки фрезерованием:

• Чеканочные штампы из инструментальной стали
• Пресс-формы
• Ковочные штампы
• Литейные штампы
• Топливные насосы

Основными проблемами являются абразивный износ по задней поверхности пластин и выкрашивание материала заготовки.

• Используйте пластины с положительной геометрией и острыми режущими кромками. Это позволит уменьшить силы резания и обеспечить более плавный процесс резания.
• Работайте без применения СОЖ.
• Подходящим методом является трохоидальное фрезерование, которое предполагает высокую минутную подачу в сочетании с низкими силами резания, что способствует уменьшению температуры на режущей кромке и заготовке и, как следствие, положительно влияет на производительность, стойкость инструмента и размерную точность деталей.
• При торцевом фрезеровании также рекомендуется использовать стратегию обработки, которую можно охарактеризовать как «лёгкая и быстрая», то есть с малой глубиной резания a e и a p . Используйте фрезы с мелким шагом и выбирайте относительно высокую скорость резания.

Механическая обработка титана – это технологический процесс, в рамках которого заготовке придают желаемую форму, размер, а также чистоту поверхности. Данный металл очень прочный, отлично противостоит коррозии, имеет небольшую массу. Эти характеристики являются его важными преимуществами и определяют широкую сферу применения титановых сплавов и самого металла в чистом виде. Чаще всего он используется в качестве конструкционного материала в:

• ракетостроении;
• изготовлении авиационной техники;
• морском судостроении.

Вместе с тем, взаимодействовать с титаном достаточно сложно, это требует не только дорогостоящего высокомощного оборудования, но и профессионального подхода. Поэтому доверить выполнение сложных работ лучше опытным специалистам компании Профлазермет.

В своей работе мы используем передовые технологии, новейшие лазерные, шлифовальные станки, резаки и прочее мощное, точное оборудование, что гарантирует качество конечного результата.

Существует несколько видов механической обработки титана:

• резка;
• фрезеровка;
• шлифовка;
• сверление.

Каждая из указанных мехобработок имеет свои особенности и сложности, которые нужно учитывать при выполнении поставленных задач. Это не только выбор правильного оборудования, но также его корректная настройка, скорость выполнения каждой задачи и прочие параметры.

Резка титана: разновидности и особенности процесса

Резка металла – это самый популярный вид мехобработки материала, так как он позволяет получить заготовку нужного размера, а иногда и формы. Существует несколько видов резки данного металла, самые популярные из которых:

• • гидроабразивная;
  • лазерная;

• механическим воздействием.

Последний способ используется крайне редко, в основном, если заготовки имеют незначительную толщину. При этом процесс требует большого количества операций по постобработке и имеет множество противопоказаний. Поэтому в большинстве случаев резку титановых заготовок осуществляют с помощью лазерного оборудования или абразивов.

Суть гидроабразивной резки заключается в том, что под воздействием очень мощной струи воды, в которую заранее поместили твердые абразивные частицы, происходит раскройка металла. У методики множество преимуществ:

• возможность получать заготовки любой сложности;
• высокая скорость обработки металла;
• рез получается чистый, качественный, при этом не требуется нагрев материала;
• минимум отходов;
• возможна работа с титановыми заготовками большой толщины.

Но гидроабразивная резка достаточно дорогостоящая процедура, в этом заключается ее единственный недостаток.

Лазерная резка титановых листов и заготовок предусматривает использование лазерного луча высокой мощности, который, благодаря очень высоким температурам, продвигает металл. При этом во время процесса температурное воздействие оказывается только на место разреза, но не на сам металл в целом, благодаря чему заготовка не деформируется. В итоге, разрез получается идеально ровным, с точностью реза до 0,05 мм, дополнительная обработка не требуется. Во время раскройки остается минимум отходов, и скорость процесса достаточно высокая. Метод отличается не только высоким качеством, но и надежностью – при лазерной резке не бывает брака, к тому же благодаря компьютерной программе можно рассчитать самый оптимальный вариант расклада.

Фрезерование титановых изделий: особенности обработки

Фрезеровка – это процесс воздействия на металл специальными инструментами – фрезами – с целью придать заготовке желаемую форму. При этом, используя профессиональное оборудование, можно добиться высокой точности исполнения, изготовить большое количество идеально точных одинаковых элементов.

Чтобы фрезеровка титановых изделий была качественной, рекомендуется придерживаться некоторых советов:

1. Сохраняйте небольшую площадь контакта. Одна из особенностей данного металла – плохая теплопроводность. Во время работы с данным металлом основной процент тепла передается на рабочий инструмент.
2. Используйте фрезы с большим количеством зубьев (в идеале – десять и более). Это позволит устранить необходимость снижения подачи на зуб, и увеличит производительность.
3. При фрезировке формируйте стружку по принципу «от толстой к тонкой», т.е. начинайте работу на максимальной толщине среза, постепенно доводя к минимальной. Таким образом толстая стружка на входе будет поглощать образовавшиеся тепло, а тонкая стружка на выходе не будет налипать.
4. Выполняйте резание по дуге. Это не только увеличит срок службы инструмента, но и предотвратит резку рывками, обеспечит постепенное увеличение силы резания.
5. На каждом выходе инструмента из материала снимайте 45-градусную фаску. Это позволит снизить резкость перехода и избежать повреждения поверхности заготовок.
6. Отдавайте предпочтение фрезам, у которых большой вспомогательный задний угол. Таким образом, первая область кромки будет принимать на себя нагрузку а следующая увеличит зазор. В результате увеличивается и производительность, и срок службы инструмента.
7. Пользуйтесь инструментом меньшего диаметра чем паз. При фрезеровке титановых изделий поглощается большое количество тепла. Для охлаждения фреза требуется пространство. В идеале, диаметр фрезы не должен превышать 70% диаметра будущего паза.

Сверление

Сверление – это разновидность мехобработки материала, при котором, используя специальный вращающийся режущий инструмент, получают отверстия разного диаметра. При сверлении титана мелкая стружка постоянно налипает на рабочую поверхность инструмента, что причиняет массу неудобств в работе. Для того, чтобы не допустить поломку инструмента, отводящие каналы сверла нужно постоянно и своевременно очищать. При этом рекомендуется использовать сверла из твердых, прочных материалов.

Шлифовка

Шлифовка относится к чистовому виду механической обработки титана. В ходе процесса с поверхности детали или заготовки снимается тонкий слой металла, для чего используются абразивные вещества. Для титановых изделий это особенно важно ввиду специфических свойств самого материала, а также титановых сплавов. На их поверхности часто образуются различные дефекты. Кроме того, на титановых сплавах часто появляются прижоги. Все это сказывается на усталостных характеристиках готовых изделий, снижает их качество.

Чтобы минимизировать риск отрицательного результата, шлифовку титановых изделий и заготовок осуществляют на низких оборотах станка, используя при этом специальные режимы. Как вариант, повысить прочность готового изделия можно с помощью пластического деформирования. После шлифования заготовку обязательно проверяют на наличие любых дефектов, включая прижоги.

На последнем этапе шлифования также можно использовать кремниевые круги или непрерывные абразивные ленты, которые сделают металлическую поверхность идеально ровной и гладкой.

Основные проблемы, которые могут возникнуть при механической обработке титана

Механическая обработка титана – сложный, технологический процесс. Основные проблемы, с которыми может столкнуться исполнитель – это низкая теплопроводность металла, а также его высокая склонность к налипанию и задиранию. Поэтому с целью минимизации неудобств во время мехобработки титановых заготовок рекомендуется использовать охлаждающие жидкости.

Еще одна проблема, с которой часто сталкиваются во время механообработки, это вибрации. Для того, чтобы ее предотвратить, рекомендуется повышать жесткость закрепления деталей. Например, хорошо зарекомендовало себя многоступенчатое крепление, при этом заготовки следует расположить максимально близко к шпинделю. Это также частично снизит вибрацию.

Существенная опасность деформационного упрочнения готовых деталей может возникнуть из-за большого выброса тепла в зоне резания. Титановые сплавы, как и сам металл в чистом виде, сохраняет прекрасные показатели прочности и твердости даже в условиях высокой температуры, в результате чего рабочий инструмент подвергается мощному воздействию и невероятной нагрузке. Для успешной работы и высокой эффективности рекомендуется использовать только качественное оборудование популярных производителей.

Немаловажен и выбор правильного режима работы, а также корректная настройка рабочих инструментов. К примеру, если в корпус фрезы неправильно установить пластины, все режущие кромки могут достаточно быстро выйти из строя.

Компания Профлазермет предлагает доступные цены на механическую обработку титана и прочих металлов современными способами. Каждому своему клиенту мы гарантируем:

• помощь при составлении технического задания, индивидуальную разработку чертежей;
• кратчайшие сроки выполнения заказов;
• профессиональный подход к каждому заказу;
• гарантию на все выполненные работы.

Технология профессиональной токарной обработки титана сопряжена с рядом трудностей. Они обусловлены изначальными свойствами материала, которые напрямую влияют на выбор режима работы и инструмента.

Трудности обработки титана

Титан — это легкий металл с серебристым оттенком. Помимо превосходной механической стойкости практически не подвержен ржавлению. Это связано с формированием пассивирующей оксидной пленки TiO2. Процесс разрушения происходит только в щелочных средах.

Перед обработкой титана следует ознакомиться с его свойствами. Главная проблема заключается в высоких прочностных характеристиках этого металла. До недавнего времени считалось, что невозможно выполнить эффективный процесс резания титана на обычном токарном станке. В большинстве случаев инструмент быстро изнашивался, а качество обработки оставляло желать лучшего.

Это напрямую связано со следующими факторами:

• высокий показатель вязкости. В процессе резания происходит значительное повышение температуры в узкой области. В результате этого происходит налипание частиц металла на фрезу или сверло;
• титановая пыль имеет свойство взрываться. Это же относится и к стружке. Поэтому во время обработки следует соблюдать все меры безопасности;
• минимальная мощность оборудования. Для оптимизации процессов рекомендовано применять комплексные обрабатывающие станки. Они выполняют одновременно несколько операций, тем самым уменьшая вероятность появления вышеописанных факторов. Однако это влечет за собой удорожание оборудования.

Кроме этого, следует учитывать низкую теплопроводность материала. Практически все марки металлов и абразивов растворяются в титане. Поэтому следует выбрать специальный режущий инструмент, а также предварительно рассчитать режим его применения.

После окончательного изготовления детали она должна пройти процесс высокотемпературного оксидирования. Заготовку нагревают, а затем она проходит процесс охлаждения на открытом воздухе, это повышает износоустойчивость.

Режимы токарной обработки титана

Токарная обработка изделий из титана выполняется с применением специальных режущих инструментов. Существуют три основных этапа работ: предварительный, промежуточный и окончательный.

Для выбора оптимального режима работы необходимо знать основные технические параметры обработки. Они зависят от угла расположения инструмента в плане (Kr), величины подачи (Fn) и скорости резания (Ve). Для контроля температурного нагрева можно изменять скорость вращения заготовки, толщину образовавшейся стружки и глубину резания.

• черновая – до 10 мм. Она применяется для удаления неравномерной корки на титане. С ее помощью происходит формирование кольца-свидетеля, которое отрезается для анализа состояния материала по всей глубине заготовки. Рекомендуемые параметры: Kr – 3-10 мм; Fn – 0,3-0,8 мм; Ve – 25 м/мин;
• промежуточная – от 0,5 до 4 мм. Этот этап необходим для подготовки детали к окончательному резанию. В процессе может изменяться глубина резания, материал не должен содержать корки. Обязательно необходимо оставить припуск 1 мм для окончательного этапа. Рекомендуемые параметры: Kr – 0,5-4 мм; Fn – 0,2-0,5 мм; Ve – 40-80 м/мин;
• окончательная – 0,2-0,5 мм. На этом этапе выполняется окончательное удаление припусков, происходит формирование детали. К нему предъявляются высокие требования. Во время его выполнения следует максимально точно рассчитать режимы: Kr – 0,25-0,5 мм; Fn – 0,1-0,4 мм; Ve – 80-120 м/мин.

При увеличении глубины резания необходимо снижать значение подачи. На криволинейных участках значение этого параметра может составить 50% от номинального.

Выбор инструмента для токарной обработки титановых сплавов

Важным моментом является правильный выбор токарного инструмента. Зачастую для этого применяют резцы со сменной режущей частью. Они могут иметь различную форму, которая определяет угол и степень обработки титана.

Выбор определенной модели резца зависит от текущего режима работы и характеристик оборудования. Но существуют общие рекомендации по форме и материалу изготовления режущего инструмента:

• предварительная. Применяются пластины квадратной или круглой формы (с большим диаметром). Рекомендуемый размер — iC19. В качестве материала изготовления лучше всего использовать сплав H13A без покрытия;
• промежуточная. Оптимальным вариантом являются круглые пластины. Для уменьшения теплового эффекта глубина вхождения резца не должна превышать 25% от диаметра инструмента. Используемые сплавы для изготовления — H13A (без покрытия) и GC1115 с PDV покрытием. Последний вариант позволит добиться оптимального соотношения точности и износоустойчивости инструмента;
• окончательная. Применяются пластины с шлифованными режущими кромками. Применяемые сплавы: H13A (без покрытия); GC1105 (PVD, с острыми кромками); CD10 (PCD).

Для выполнения последнего этапа необходим точный станок с функцией подачи охлажденной жидкости под высоким давлением. При формировании тонкостенных деталей снижается радиальная составляющая силы резания.

В видеоматериале даются практические советы по обработке титана:

Основные особенности обработки резанием титановых сплавов следующие.

Малая пластичность, приближающая их по свойствам к высокопрочным материалам. Это видно из значений, характеризующих пластичность материалов. По этому параметру (способности к упрочнению) титановые сплавы резко отличаются от жаропрочных, имея примерно в два раза большие значения и значительно более низкие б и ф. Поэтому при обработке титановых сплавов вследствие их пониженной пластичности величина составляющей силы резания на 20% ниже, чем для сплавов на основе железа.

Малая пластичность титановых сплавов приводит к тому, что при их обработке образуется специфическая стружка, по внешнему виду похожая на сливную, имеющая трещины, которые разделяют ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связанные между собой тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой формы стружки объясняется тем, что с ростом скорости резания пластическая деформация не успевает стружки у менее пластичных титановых сплавов или при обработке с большими подачами происходит при меньших скоростях резания. Так, при обработке титанового сплава ВТ2 элементная стружка образуется при меньших скоростях резания, чем при обработке сплава ВТ1.

Высокая химическая активность, выражающаяся при обработке резанием способностью титановых сплавов к активному взаимодействию с окружающей средой. Благодаря этому по мере увеличения температуры в зоне резания происходит сильное поглощение кислорода и азота воздуха, что способствует повышенному окислению. Это вызывает интенсивное окалино-образование и охрупчивание материала вследствие диффузии кислорода в обрабатываемый материал и его наводороживания. Поэтому при обработке резанием титановых сплавов выделяется относительно меньшее количество тепла, чем при обработке резанием жаропрочных сплавов.

Вместе с тем титановые сплавы имеют еще более худшую теплопроводность, чем жаропрочные стали и сплавы; следствие этого при резании титана возникает в среднем в 2,2 раза большая температура, чем при обработке стали 45. Поэтому температура в зоне резания вследствие плохой теплопроводности титана продолжает оставаться высокой, вызывая тем самым структурные превращения и сильное взаимодействие с воздухом.

В результате пониженных пластических свойств титановых сплавов образование в процессе деформации опережающих макро протекать в основном объеме, концентрируясь в контактном слое, где возникают высокие давления и температуры. В связи с этим в отличие от обычных сталей у титановых сплавов меняется вид стружки с ростом скорости резания в обратном направлении: сливная стружка переходит в элементную. Это изменение формы и микротрещин занимает значительное место. Это объясняет также образование при резании титановых сплавов больших углов сдвига с малой усадкой стружки; как правило, коэффициент усадки ее по длине близок к единице. Это видно из значений коэффициента усадки различных марок титановых и твердых сплавов, а также зависимости продольной деформации стружки от скорости резания (б) и подачи. В ряде случаев в результате поглощения кислорода и азота воздуха при обработке титановых сплавов получается так называемая отрицательная усадка, т. е. длина образующейся стружки 1С больше пути резания. При обработке на тех же режимах резания, но в струе аргона, отрицательной усадки не наблюдается. Уменьшение усадки.стружки с ростом скорости резания объясняется также резким снижением сил трения стружки о переднюю поверхность режущей части резца. Титановые сплавы характеризуются высокими коэффициентами трения, что ограничивает их применение для подвижных соединений. Несмотря на это, в процессе резания на контактных поверхностях коэффициент трения снижается до 0,2-0,4. Это примерно в 1,5 раза меньше, чем для жаропрочной стали ЭИ787. Малая усадка стружки приводит к повышенной скорости скольжения ее по передней поверхности инструмента при тех же скоростях резания.

Рассмотренные выше особенности резания титановых сплавов и прежде всего высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха резко снижает площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента; по сравнению с обработкой конструкционной стали той же твердости эта площадь снижается в 2-3 раза. Окисление контактного слоя стружки приводит к повышению ее твердости. Малая площадь контакта стружки, сочетаясь с достаточно высокой прочностью титановых сплавов, приводит к большим нормальным давлениям и при повышенной твердости стружки - к повышенному износу, а при малой теплопроводности титана - к высоким температурам, вызывающим явления схватывания и задиры. С другой стороны, активное воздействие внешней среды при обработке титана резанием вызывает интенсивное наростообразование.

Так же как и при обработке нержавеющих и жаропрочных материалов, титановые сплавы оказывают высокое абразивное воздействие на инструмент вследствие содержания в них высокотвердых включений в виде окислов нитридов и карбидов; титановые сплавы характеризуются и пониженной виброустойчивостью движения резания. При обработке титановых сплавов происходит увеличение составляющих силы резания при относительно небольшой. В отличие от жаропрочных титановые сплавы сильно снижают свою прочность при повышении температуры. Интенсивность уменьшения прочности превышает даже эти значения для сплавов на основе железа.

Обработка резанием по корке многих кованых, прессованных или литых заготовок из титановых или других видов труднообрабатываемых материалов вызывает дополнительное ухудшение обрабатываемости. Это обусловлено усиленным абразивным и ударным воздействием на рабочие поверхности инструмента неметаллических включений, окислов сульфидов-силикатов, а также многочисленных пор, образующихся в поверхностном слое при отливке или прессовании. Последнее еще более усиливается значительными поверхностными неровностями корки.

При определении оптимальных режимов резания титановых сплавов особое внимание следует уделять вопросам техники безопасности. Образование тонкой стружки, тем более пыли, в процессе стружкообразования приводит к ее легкому воспламенению с интенсивным горением. Титановая стружка, покрытая маслом, склонна к самовозгоранию. Пылеобразная стружка взрывоопасна и вредна для здоровья обслуживающего персонала. Учитывая изложенное, не следует допускать скоплений титановой стружки; при обработке резанием титановых сплавов не следует назначать подачи менее 6,08 мм/об, работать инструментом с износом более 0,8-1,0 мм, со скоростями резания более 100 мм/мин. При точении титанового сплава ВТ1 допускается большая скорость резания- до 150 м/мин.

Следует учитывать, что электрохимическая обрабатываемость.титановых сплавов сильно зависит от величины пульсации выпрямленного тока. Так, их обработка почти прекращается (за исключением использования электролита № 4) при использовании генераторов типа АТН 5000/2500, дающих сглаженную пульсацию. Наоборот, хорошие результаты дает пульсирующая форма тока, получаемая от трехфазного выпрямителя типа ВКГЮОА.