Різання та обробка титану

Актуальність

Для виготовлення конструкцій та деталей із титанових сплавів застосовуються всілякі види механічної обробки: шліфування, точення, свердління, фрезерування, полірування.
Однією з важливих особливостей при механічній обробці деталей з титану та сплавів є те, що необхідно забезпечити ресурсні, особливо втомні характеристики, що значною мірою залежать від якостей поверхневого шару, що формується при холодній обробці. Через низьку теплопровідність та ін специфічні властивості титану, проведення шліфування як завершальної стадії обробки утруднено. Під час шліфування дуже легко можуть утворюватися припали, у поверхневому шарі можуть виникати дефектні структури та залишкові напруження, розтягування, які суттєво впливають на зниження міцності втоми виробів. Тому шліфування деталей з титану обов'язково проводиться при знижених швидкостях і в разі потреби може бути замінено на лезову або абразивну обробку низькошвидкісними методами. У разі застосування шліфування, воно повинно проводитися із застосуванням строго регламентованих режимів з проведенням подальшого контролю поверхні деталей на наявність припалів і супроводжуватися поліпшенням якостей деталі за рахунок зміцнення поверхневим пластичним деформуванням (ППД).

Складнощі

Через високі властивості міцності титан погано піддаються обробці різанням . Він має високе співвідношення межі плинності на час опору розриву приблизно 0,85-0,95. Наприклад, для сталі цей показник не перевищує 0,75. Як результат, при механічній обробці титанових сплавів необхідні великі зусилля, що через низьку теплопровідність спричиняє значне підвищення температури в поверхневих шарах розрізу і ускладнює охолодження зони різання. Через сильну адгезію титан накопичується на ріжучій кромці, що значно підвищує силу тертя. Крім того, приварювання та налипання титану в місцях зіткнення поверхонь призводить до зміни геометрії інструменту. Такі зміни, що змінюють оптимальну конфігурацію, спричиняють подальше підвищення зусиль для обробки, що, відповідно, призводить до ще більшого підвищення температури в точці контакту та прискорення зносу. Найбільше на підвищення температури у робочій зоні впливає швидкість різання, меншою мірою це залежить від зусилля подачі інструменту. Найменший вплив на підвищення температури має глибина проведення різання.

Під дією високих температур при різанні відбувається окислення титанової стружки та оброблюваної деталі. Це тягне у подальшому для стружки проблему, пов'язану з її утилізацією та переплавленням. Аналогічний процес для оброблюваної деталі надалі може призвести до погіршення її експлуатаційних характеристик.

Порівняльний аналіз

Процес холодної обробки титанових сплавів за трудомісткістю в 3-4 рази складніший, ніж обробка вуглецевих сталей, і в 5-7 разів - ніж обробка алюмінію. За інформацією ММПП «Салют», сплави титану ВТ5 і ВТ5-1 порівняно з вуглецевою сталлю (з 0,45% С), мають коефіцієнт відносної оброблюваності 0,35-0,48, а для сплавів ВТ6, ВТ20 і ВТ22 цей показник ще менше і становить 0,22-. Рекомендується при механічній обробці використовувати низьку швидкість різання при невеликій подачі, використовуючи для охолодження велику кількість рідини, що охолоджує. При обробці виробів з титану застосовуються ріжучі інструменти з найбільш зносостійкої швидкорізальної сталі, перевага надається твердим сортам сплавів. Але навіть при виконанні всіх запропонованих умов для різання швидкості повинні бути зменшені принаймні в 3-4 рази, в порівнянні з обробкою сталі, що має забезпечити прийнятну стійкість інструменту, особливо це важливо при роботі на верстатах з ЧПУ.

Оптимізація

Температуру в зоні різання та зусилля для різання можна суттєво знизити, збільшивши вміст водню у сплаві, вакуумним відпалом та відповідною механічною обробкою. Проведення легування сплавів з титану за допомогою водню дає зрештою значне зниження температури в зоні різання, дає можливість знизити силу різання, підвищує стійкість твердосплавного інструменту до 10 разів залежно від природи сплаву та режиму різання. Цей спосіб дає можливість збільшити швидкість обробки у 2 рази без втрати якості, а також збільшувати зусилля та глибину під час проведення різання без зниження швидкості.

Для механічної обробки деталей зі сплавів титану широке застосування отримали технологічні процеси, які дозволяють поєднати кілька операцій на одну з допомогою багатоінструментального устаткування. Найбільш доцільно такі технологічні операції проводити на багатоопераційних верстатах (обробних центрах). Наприклад, виготовлення силових деталей зі штампувань застосовуються верстати МА-655А, ФП-17СМН, ФП-27С; деталей типу "кронштейн", "колонка", "корпус" з фасонного виливка та штампування - верстати "Горизонт", Me-12-250, МА-655А, листових панелей - верстат ВФЗ-М8. На цих верстатах при обробці більшості деталей реалізовано принцип «максимальної» закінченості обробки в одній операції, що досягається завдяки послідовній обробці деталі з кількох сторін на одному верстаті за допомогою декількох встановлених на ньому пристроїв.

Фрезерування

Через необхідність докладання великих зусиль для механічної обробки сплавів титану застосовуються, як правило, великі верстати (ФП-7, ФП-27, ФП-9, ВФЗ-М8 тощо ). Фрезерування є трудомістким процесом під час виготовлення деталей. Особливо великий обсяг таких робіт посідає виготовлення силових деталей каркасів літака: нервюри, шпангоути, балки, лонжерони, траверси.

При фрезеруванні деталей типу "траверса", "балки", "нервюра" використовується кілька методів. 1) За допомогою спеціальних гідравлічних чи механічних копірів на універсально-фрезерних верстатах. 2) По копірах на копірно-фрезерних гідравлічних верстатах. 3) На верстатах із ЧПУ типу МА-655С5, ФП-11, ФП-14. 4) За допомогою трикоординатних верстатів із ЧПУ. При цьому використовують: спеціальні збірні фрези із змінним під час обробки кутом; фасонні увігнуті та опуклі фрези радіаційного профілю; кінцеві фрези із підведенням до циліндричної поверхні деталі площини столу під необхідним кутом.

Верстати

Для обробки авіаційних матеріалів у нашій країні створено безліч верстатів, які не поступаються світовим стандартам, а деякі з них не мають аналогів за кордоном. Наприклад, верстат ВФ-33 з ЧПУ (поздовжньо-фрезерний тришпиндельний трикоординатний) призначення якого одночасна обробка трьома шпинделями панелей, монорейок, нервюр, балок та інших такого роду деталей для важких і легких літаків.
Верстат 2ФП-242 В, що має два рухомі портали і ЧПУ (подовжньо-фрезерний тришпиндельний чотирикоординатний) розроблений для обробки габаритних лонжеронів і панелей при важких і широкофюзеляжних літаків. Верстат ФРС-1, оснащений рухомою колоною, горизонтально-фрезерно-розточувальний, 15-ти координатний з ЧПУ - призначений для обробки стикових поверхонь центроплану та крила широкофюзеляжних літаків. СГПМ-320, гнучкий виробничий модуль, до складу якого входять токарний верстат, ЧПУ АТ-320, магазин на 13 інструментів, маніпулятор автоматичний для знімання та встановлення деталей для ЧПУ. Гнучкий виробничий комплекс АЛК-250 створений для виробництва прецизійних деталей для корпусу гідроагрегатів.

Інструменти

Щоб забезпечити оптимальні умови різання та високу якість поверхні деталей, необхідно суворе дотримання геометричних параметрів інструменту із твердих сплавів та швидкорізальних сталей. Різці з пластинками із твердого сплаву ВК8 застосовуються для точення кованих заготовок. Рекомендуються наступні геометричні параметри різців під час обробки газонасиченою кіркою: головний кут у плані φ1 =45°, допоміжний кут у плані φ =14°, передній кут γ=0°; задній кут α = 12 °. При наступних режимах різання: подача s = 0,5 - 0,8 мм / об, глибина різання t не менше 2 мм, швидкість різання v = 25 - 35 м / хв. Для проведення чистового та напівчистового безперервного точення можна застосувати інструменти з твердих сплавів ВК8, ВК4, ВКбм, ВК6 та ін. при глибині різання 1-10 мм швидкість різання становить v = 40-100 мм/хв, а подача повинна становити s = 0,1-1 мм/об. Можуть також застосовуватися інструменти зі швидкорізальної сталі (Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5). Для різців, виготовлених із швидкорізальної сталі, розроблено наступну геометричну конфігурацію: радіус при вершині r = 1 мм, задній кут α = 10°, φ = 15°. Допустимі режими різання при точенні титану досягаються при глибині різання t = 0,5-3 мм, v = 24-30 м/хв, s <0,2 мм.

Тверді сплави

Проведення фрезерних робіт з титаном ускладнює налипання титану на зуби фрези та їх викошування. Для виготовлення робочих поверхонь фрез використовуються тверді сплави ВК8, ВК6М, ВК4 та швидкорізальні сталі Р6М5К5, Р9К5, Р8МЗК6С, Р9М4К8, Р9К10. Для проведення фрезерування титану за допомогою фрез із пластинами зі сплаву ВК6М рекомендується використовувати наступний режим різання: t = 2 - 4 мм, v = 80 - 100 м/хв, s = 0,08-0,12 мм/зуб.

Свердління

Проведення свердління титану ускладнює налипання стружки на робочу поверхню інструменту і її набивання в канавки, що відводять, свердла, що веде до підвищення опору різання і швидкому зносу ріжучої кромки. Для запобігання цьому рекомендується під час проведення глибокого свердління періодично проводити очищення інструменту від стружки. Для свердління застосовують інструменти з швидкорізальних сталей Р12Р9К5, Р18Ф2, Р9М4К8, Р9К10, Р9Ф5, Ф2К8МЗ, Р6М5К5 та твердого сплаву ВК8. При цьому рекомендуються наступні параметри геометрії свердлів: для кута нахилу спіральної канавки 25-30, 2φ0 = 70-80 °, 2φ = 120-130 °, α = 12-15 °, φ = 0-3 °.

СОЖ

Для підвищення продуктивності при обробці титанових сплавів різанням і збільшення стійкості інструменту використовують рідини типу РЗ СОЖ-8. Вони відносяться до галоидосодержащим змащувально-охолоджуючим. Охолодження оброблюваних деталей проводиться шляхом рясного зрошення. Застосування галоїдовмісних рідин при обробці спричиняє утворення сольової кірки на поверхні титанових деталей, яка з урахуванням нагріву та одночасної дії напруги може викликати сольову корозію. Для запобігання цьому після обробки із застосуванням РЗ СОЖ-8 деталі зазнають облагороджуючого травлення, під час якого знімається поверхневий шар товщиною до 0,01 мм. Під час проведення складальних операцій застосування РЗ СОЖ-8 не допускається.

Шліфування

На оброблюваність титанових сплавів істотно впливає їх хімічний та фазовий склад, тип та параметри мікроструктури. Найбільш утруднена обробка титанових напівфабрикатів та деталей, що мають грубу пластинчасту структуру. Такі структура є у фасонних виливків. Крім того, фасонні виливки з титану мають газонасичену кірку на поверхні, яка сильно впливає на зношування інструменту.

Проведення шліфування титанових деталей утруднене через високу схильність контактного схоплювання під час тертя. Оксидна поверхнева плівка легко руйнується під час тертя під впливом питомих навантажень. У процесі тертя у місцях зіткнення поверхонь відбувається активне перенесення матеріалу з оброблюваної деталі інструмент («схоплювання»). Сприяють цьому також інші властивості сплавів титану: нижча теплопровідність, підвищення пружної деформації при порівняно низькому модулі пружності. Через виділення тепла на поверхні, що труться, потовщується оксидна плівка, що в свою чергу підвищує міцність поверхневого шару.

При обробці деталей з титану застосовуються стрічкове шліфування та шліфування абразивними колами. Для промислових сплавів найбільш поширене застосування абразивних кіл із зеленого карбіду кремнію, який має велику твердість і крихкість при стабільності фізико-механічних властивостей з більш високими абразивними здібностями, ніж у чорного карбіду кремнію.

Купити, ціна

Компанія ТОВ «" реалізує металопрокат за оптимальною ціною. Вона формується з урахуванням ставок на LME (London metal exchange) і залежить від технологічних особливостей виробництва без включення додаткових витрат. Поставляємо напівфабрикати з титану та його сплавів у широкому асортименті. Широкий вибір, вичерпні консультації наших менеджерів, доступні ціни та своєчасність поставки визначають обличчя нашої компанії.