Обработка титана на токарном станке и выбор инструмента

Титан: особенности обработки

Фрезерование титана требует определенных условий

По сравнению с большинством других металлов, механическая обработка титана предъявляет более высокие требования и накладывает больше ограничений. Титановые сплавы обладают свойствами, способными существенно влиять как на процесс резания, так и на режущий материал.

Если инструмент и режимы резания выбраны правильно, а также при хорошей жесткости станка и надежности закрепления заготовки, процесс обработки титана будет высокоэффективным. Многих проблем, которые традиционно возникают при обработке титана, можно избежать.

Нужно лишь преодолеть то влияние, которое свойства титана оказывают на процесс обработки.

Многие из тех свойств, которые делают титан таким привлекательным материалом для изготовления деталей, оказывают влияние на его обрабатываемость, а именно:

  • высокое отношение прочности к весу, причем его плотность составляет, как правило, всего 60 процентов плотности стали,
  • имеет более низкий модуль упругости и более податлив, чем сталь,
  • обладает более высокой стойкостью к коррозии, чем нержавеющая сталь,
  • низкая теплопроводность.

Эти свойства означают, что титан генерирует относительно высокие и концентрированные силы резания при обработке. Это вызывает вибрацию в процессе обработки, что ведет к быстрому износу режущей кромки. Кроме того, титан плохо проводит тепло. Поэтому обработка титана требует от материала инструмента высокой красностойкости.

Трудности обработки титана

Принято считать, что титан с трудом поддается эффективной механической обработке. Но это не типично для современных инструментов и методов обработки. Трудности отчасти возникают оттого, что механическая обработка титана — новая область, и в ней не накоплено достаточно опыта.

Кроме того, проблемы нередко носят относительный характер — в сравнении с ожиданиями или иным опытом, особенно в тех случаях, когда этот опыт касается обработки таких материалов, как чугун или низколегированные стали, которые предъявляют более низкие требования и прощают больше ошибок.

Титан также может представляться трудным в обработке по сравнению с некоторыми сортами нержавеющей стали.

Хотя обработку титана, как правило, приходится выполнять при других скоростях и подачах, а также с соблюдением ряда предосторожностей, по сравнению с иными материалами, он может быть довольно легким в обработке.

Если жесткая деталь из титана надежно зажата на станке соответствующей мощности, в хорошем состоянии и оборудованном шпинделем с конусом ISO 50 с коротким вылетом инструмента, проблем не должно возникать — при условии, что правильно выбран режущий инструмент.

Но идеальные, стабильные условия не всегда присутствуют при фрезеровании.

Кроме того, многие детали из титана имеют сложную форму с мелкими, узкими или большими и глубокими карманами, тонкими стенками и фасками.

Для успешной обработки этих форм неизбежно требуется инструмент более длинного исполнения, что может вести к деформации инструмента. Потенциальные проблемы с вибрацией чаще возникают при обработке титана.

Боремся с вибрацией и теплом

Прочие факторы, присутствующие в менее чем идеальных условиях, включают в себя тот факт, что большинство станков оснащены шпинделями с конусом ISO 40. Из-за интенсивности эксплуатации этих станков они недолго остаются новыми.

Кроме того, конструктивные особенности обрабатываемой детали нередко затрудняют ее эффективное крепление на станке.

Проблему усугубляет и то, что обработка, как правило, включает в себя прорезание канавок, контурную обработку или обработку кромок, а эти операции способны — хотя и не должны — приводить к вибрации.

Поэтому необходимо постоянно принимать меры для ее предотвращения, по возможности повышая жесткость закрепления детали. Одним из способов решения проблемы является многоступенчатое крепление заготовок, при котором заготовки располагаются ближе к шпинделю, что ослабляет вибрацию.

Поскольку титан сохраняет твердость и прочность при высоких температурах, на режущую кромку пластины воздействуют мощные силы и нагрузки. При этом в зоне резания вырабатывается значительное количество тепла, а это означает опасность деформационного упрочения детали.

Поэтому ключевое значение для успешной обработки приобретает правильный выбор марки сплава и геометрии сменной пластины.

Исторически, мелкозернистые марки твердых сплавов без покрытия отлично зарекомендовали себя при обработке титана, и сегодня пластины с покрытием PVD способны существенно повысить эффективность.

Необходимые условия для расчетов режимов резания

Точность радиального и торцевого биения инструментов также имеет большое значение. Например, если пластины неправильно установлены в корпусе фрезы, возможно быстрое повреждение всех режущих кромок.

Низкие допуски при изготовлении корпусов фрез или державок, степень их изношенности, наличие дефектов или низкое качество державки или износ шпинделя станка сильнее влияют на стойкость инструмента при обработке титана.

Из-за этих факторов наблюдалось снижение стойкости до 80 %.

Хотя в целом предпочтение отдается геометрии с положительным передним углом, инструмент с несколько более отрицательным передним углом способен вести обработку при существенно более высоких подачах, которые могут достигать 0,5 мм на зуб. В этом случае очень важна жесткость станка и надежность закрепления заготовки.

https://www.youtube.com/watch?v=fH_NLX_a9K0

При фрезеровании глубоких карманов полезно использовать инструмент различной длины с помощью адаптеров вместо того, чтобы выполнять всю операцию одним инструментом большой длины.

Минимальная рекомендуемая подача при фрезеровании титана обычно составляет 0,1 мм на зуб. Частоту вращения шпинделя также можно уменьшить с тем, чтобы получить исходную скорость подачи. Неверно выбранная частота вращения шпинделя способна сократить стойкость на 95 % при минимальной подаче на зуб.

Как только стабильные условия обеспечены, частоту вращения шпинделя и подачу можно пропорционально увеличивать для достижения оптимальной эффективности. Еще одно решение — убрать несколько пластин из фрезы или выбрать фрезу с меньшим количеством пластин.

Другие статьи по сходной тематике

Источник: http://TochMeh.ru/info/titan2.php

Особенности обработки титана

Титан — один из самых интересных и сложных для обработки металлов. Его уникальные свойства нашли широкое применение в разных отраслях промышленности. Механическая обработка титана, в сравнении с обычной сталью, более чем в пять раз сложнее, поэтому для создания из него изделий применяют специальные приемы и оборудование.

Основные проблемы, возникающие при обработке титана, и средства их решения

Основной проблемой, возникающей при обработке титана, является его склонность к задиранию и налипанию на инструмент. Также одним из усложняющих факторов является его низкая теплопроводность. Большинство металлов сопротивляются плавлению в гораздо меньшей степени, поэтому при контакте с титаном растворяются в нем, образуя сплавы. Это приводит к быстрому износу применяемого инструмента.

Чтобы уменьшить задирание и налипание, а также для отвода выделяемого тепла, применяют следующие способы:

  • при резке, а также иной обработке титана используют охлаждающие жидкости;
  • заточку изделий выполняют с применением инструментов, изготовленных из твердых сплавов металлов;
  • обработку металла резцами выполняют при гораздо меньших скоростях, чтобы избежать излишнего нагрева.

Эффекты налипания и задирания титана обусловлены его высоким коэффициентом трения, который относят к серьёзным недостаткам этого металла.

В своем большинстве изделия из титана быстро поддаются износу, поэтому чистый состав этого металла редко используются для изготовления изделий, которые применяются в условиях трения и скольжения.

При трении титан налипает на трущуюся поверхность, вызывая связывающий эффект и уменьшая скорость движения сообщающихся деталей. Способами, которые устраняют этот негативный эффект, выступают азотирование и оксидирование титана.

Азотирование титана — технологический процесс, который заключается в нагреве изделия из титанового сплава до температуры 8500С — 9500С и его выдержке в течение нескольких суток в среде чистого газообразного азота.

В результате происходящих химических реакций на поверхностях изделия образуется пленка из нитрида титана, имеющая золотистый оттенок и обладающая большей твердостью, а также большим сопротивлением к стиранию.

Изделия, прошедшие такую обработку, обладают повышенной износостойкостью и не уступают по своим характеристикам изделиям, изготовленным из поверхностно упрочнённых специальных сталей.

Оксидирование титана — распространенный метод, заключающийся в нагреве титанового изделия до 8500С и его резком охлаждении в водной среде, что вызывает образование на поверхности обрабатываемой детали плотной пленки, которая хорошо связывается с основным слоем материала. При этом сопротивление стиранию и общая прочность изделия возрастает в 15-100 раз.

Некоторые особенности резки и сверления титана

Нарезка заготовок является очень сложным технологическим процессом, сопровождающимся использованием специальных инструментов и оборудования. Листы разрезаются гильотинными ножницами, а заготовки из сортового проката — распиливаются механической пилой. Небольшие по диаметру пруты нарезают с помощью токарных станков.

Фрезерование титана остается наиболее сложным способом его обработки. Он налипает на зубьях инструмента (фрезы), что значительно затрудняет работу с заготовкой. Поэтому для такого способа применяют инструменты, изготовленные из твердого сплава металлов, а процесс обработки сопровождают использованием охлаждающих смазок и жидкостей, которые обладают большой вязкостью.

При выполнении операций сверления важно, чтобы стружка, образующаяся в результате сверления, не накапливалась в отводных каналах, в противном случае это может привести к преждевременному износу и поломке инструмента. При сверлении применяют фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали.

Особенности соединения титановых изделий и их элементов

Если титановое изделие выступает элементом конструкции, то соединить детали, изготовленные из титановых сплавов, позволяет применение таких методов:

  • сварка;
  • пайка
  • механическое соединение с использованием заклепок
  • соединение с применением болтового крепления.

Основным методом соединения выступает сварка, представляющая обычную промышленную технологию. Чтобы обеспечить прочность сварного шва соединение элементов выполняют в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов.

Также для этого оберегают шов с применением различных защитных элементов.

Взаимодействие расплавленного титана с такими химическими элементами как водород, кислород и азот, содержащимися в воздушной смеси, при нагреве приводит к росту зерна металла, изменению его микроструктуры и хрупкости сварного шва. Сварочные работы выполняют на большой скорости.

Также существует метод сварки в контролируемой среде, который применяется для выполнения работ, требующих большой ответственности. При необходимости соединить небольшие по своим размерам элементы, их помещают в специальные камеры, заполненные инертным газом.

В случае соединения элементов большего размера сварочные работы выполняют в специальных герметично изолированных помещениях.

Сварка титана — ответственная работа, которая доверяется исключительно подготовленным специалистам, имеющим необходимый практический опыт и навыки.

Пайка титана применяется в случаях, когда проведение сварочных работ невозможно или нецелесообразно. Она также осложнена химическими реакциями.

Титан в расплавленном состоянии демонстрирует высокую химическую активность и прочно связан с пленкой окиси, формируемой на поверхностях обрабатываемой детали.

Большинство распространенных металлов непригодны в качестве припоя для соединения титановых элементов, для этих целей используются только чистые по своему составу алюминий и серебро.

Механическое соединение элементов из титана с помощью клепок и болтовых креплений также выполняется с применением специальных материалов.

В большинстве случаев заклепки изготавливают из алюминия, а применяемые болты покрываются напылением серебра или синтетического тефлона.

Это вызвано тем, что при завинчивании титан проявляет свое свойство налипания и задирается, в результате соединения элементов становятся ненадежными, не обеспечивают прочной фиксации.

Перейти к списку статей >>

Источник: http://metalloobrabotka-zakazat.ru/article/osobennosti-obrabotki-titana/

Резка и токарная обработка титана

Актуальность

Для изготовления конструкций и деталей из титановых сплавов применяются всевозможные виды механической обработки: шлифование, точение, сверление, фрезерование, полирование.

Одной из важных особенностей при механической обработке деталей из титана и сплавов является то, что необходимо обеспечить ресурсные, в особенности усталостные характеристики, в значительной степени зависящие от качеств поверхностного слоя, который формируется при холодной обработке. Из-за низкой теплопроводности и др.

специфических свойств титана, проведение шлифования как завершающей стадии обработки затруднено.

Во время шлифовки очень легко могут образовываться прижоги, в поверхностном слое могут возникать дефектные структуры и остаточные напряжения, растяжения, которые существенно влияют на снижение усталостной прочности изделий.

Поэтому, шлифование деталей из титана обязательно проводится при пониженных скоростях и в случае необходимости может быть заменено на лезвийную либо абразивную обработку низкоскоростными методами. В случае же применения шлифования, оно должно проводиться с применением строго регламентированных режимов с проведением последующего контроля поверхности деталей на наличие прижогов и сопровождаться улучшением качеств детали за счет упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Сложности

Из-за высоких прочностных свойств титан плохо поддаются обработке резанием. Он имеет высокое соотношение предела текучести ко времени сопротивления разрыву примерно 0,85−0,95. Например, для стали этот показатель не превышает 0,75.

Читайте также:  Обзор фрезерного станка 6р12: конструкция, характеристики и эксплуатация

Как результат, при механической обработке титановых сплавов необходимы большие усилия, что из-за низкой теплопроводности влечет за собой значительное повышение температуры в поверхностных слоях разреза и затрудняет охлаждение зоны резки. Из-за сильной адгезии титан накапливается на режущей кромке, что значительно повышает силу трения.

Кроме того, приваривание и налипание титана в местах соприкосновения поверхностей приводит к изменению геометрии инструмента. Такие изменения, изменяющие оптимальную конфигурацию, влекут за собой дальнейшее повышение усилий для обработки, что, соответственно, приводит к еще большему повышению температуры в точке контакта и ускорению износа.

Больше всего на повышение температуры в рабочей зоне влияет скорость резания, в меньшей степени это зависит от усилия подачи инструмента. Наименьшее влияние на повышение температуры оказывает глубина проведения резания.

Под действием высоких температур при резании происходит окисление титановой стружки и обрабатываемой детали. Это влечет в последующем для стружки проблему, связанную с ее утилизацией и переплавкой. Аналогичный процесс для обрабатываемой детали в последующем может привести к ухудшению ее эксплуатационных характеристик.

Сравнительный анализ

Процесс холодной обработки титановых сплавов по трудоемкости в 3−4 раза сложнее, чем обработка углеродистых сталей, и в 5−7 раз — чем обработка алюминия.

По информации ММПП «Салют», сплавы титана ВТ5 и ВТ5−1 в сравнению с углеродистых сталью (с 0,45% С), имеют коэффициент относительной обрабатываемости 0,35−0,48, а для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22 этот показатель еще меньше и составляет 0,22−0,26.

Рекомендуется при механической обработке использовать низкую скорость резки при небольшой подаче, используя для охлаждения большое количество охлаждающей жидкости. При обработке изделий из титана применяются режущие инструменты из наиболее износостойкой быстрорежущей стали, предпочтение отдается твердым сортам сплавов.

Но даже при выполнении всех предписанных условий для резания, скорости должны быть уменьшены, по крайней мере, в 3−4 раза, по сравнению с обработкой стали, что должно обеспечить приемлемую стойкость инструмента, особенно это важно при работе на станках с ЧПУ.

Оптимизация

Температуру в зоне резки и усилие для резания можно существенно снизить, увеличив содержание водорода в сплаве, вакуумным отжигом и соответствующей механической обработкой.

Проведение легирования сплавов из титана при помощи водорода дает в конечном итоге значительное снижение температуры в зоне резания, дает возможность снизить силу резания, повышает стойкость твердосплавного инструмента до 10 раз в зависимости от природы сплава и режима резания.

Этот способ дает возможность увеличить скорость обработки в 2 раза без потери качества, а также увеличивать усилие и глубину при проведении резания без снижения скорости.

Для механической обработки деталей из сплавов титана широкое применение получили технологические процессы, которые позволяют совместить несколько операций в одну за счет использования многоинструментального оборудования.

Наиболее целесообразно такого рода технологические операции проводить на многооперационных станках (обрабатывающих центрах).

К примеру, для изготовления силовых деталей из штамповок применяются станки МА-655А, ФП-17СМН, ФП-27С; деталей типа «кронштейн», «колонка», «корпус» из фасонной отливки и штамповки — станки «Горизонт», Me-12−250, МА-655А, листовых панелей — станок ВФЗ-М8.

На этих станках при обработке большинства деталей реализован принцип «максимальной» законченности обработки в одной операции, что достигается благодаря последовательной обработке детали с нескольких сторон на одном станке при помощи нескольких установленных на нем приспособлений.

Фрезерование

Из-за необходимости приложения больших усилий для механической обработки сплавов титана применяются, как правило, крупные станки (ФП-7, ФП-27, ФП-9, ВФЗ-М8 и т. п.). Фрезерование является самым трудоемким процессом во время изготовления деталей. Особенно большой объем таких работ приходится на изготовление силовых деталей каркасов самолета: нервюры, шпангоуты, балки, лонжероны, траверсы.

При фрезеровании деталей типа «траверса», «балки», «нервюра» используется несколько методов. 1) При помощи специальных гидравлических или механических копиров на универсально-фрезерных станках. 2) По копирам на копирно-фрезерных гидравлических станках.

3) На станках с ЧПУ типа МА-655С5, ФП-11, ФП-14. 4) При помощи трехкоординатных станков с ЧПУ.

При этом используют: специальные сборные фрезы с изменяемым во время обработки углом; фасонные вогнутые и выпуклые фрезы радиационного профиля; концевые фрезы с подведением к цилиндрической поверхности детали плоскости стола под необходимым углом.

Станки

Для обработки авиационных материалов в нашей стране создано множество станков, которые не уступают мировым стандартам, а некоторые из них не имеют аналогов за границей.

Например, станок ВФ-33 с ЧПУ (продольно-фрезерный трёхшпиндельный трёхкоординатный) назначение которого одновременная обработка тремя шпинделями панелей, монорельсов, нервюр, балок и других такого рода деталей для тяжелых и легких самолетов.

Станок 2ФП-242 В, имеющий два подвижных портала и ЧПУ (продольно-фрезерный трехшпиндельный четырехкоординатный) разработан для обработки габаритных лонжеронов и панелей при для тяжелых и широкофюзеляжных самолетов.

Станок ФРС-1, оснащенный подвижной колонной, горизонтально-фрезерно-расточный, 15-ти координатный с ЧПУ — предназначен для обработки стыковых поверхностей центроплана и крыла широкофюзеляжных самолетов. СГПМ-320, гибкий производственный модуль, в состав которого входят токарный станок, ЧПУ АТ-320, магазин на 13 инструментов, манипулятор автоматический для съема и установки деталей для ЧПУ. Гибкий производственный комплекс АЛК-250, созданный для производства прецизионных деталей для корпуса гидроагрегатов.

Инструменты

Чтобы обеспечить оптимальные условия резания и высокое качество поверхности деталей, необходимо строгое соблюдение геометрических параметров инструмента из твердых сплавов и быстрорежущих сталей. Резцы с пластинками из твердого сплава ВК8 применяются для точения кованых заготовок. Рекомендуются следующие геометрические параметры резцов во время обработки по газонасыщенной корке: главный угол в плане φ1 =45°, вспомогательный угол в плане φ =14°, передний угол γ=0°; задний угол α = 12°.При следующих режимах резания: подача s = 0,5 — 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм, скорость резания v = 25 — 35 м/мин. Для проведения чистового и получистового непрерывного точения можно применить инструменты из твердых сплавов ВК8, ВК4, ВКбм, ВК6 и др. при глубине резания 1−10 мм, скорость резки составляет v = 40−100 мм/мин, а подача должна составлять s = 0,1−1 мм/об. Могут так же применяться инструменты из быстрорежущей стали (Р9К5, Р9М4К8, Р6М5К5). Для резцов, изготовленных из быстрорежущей стали, разработана следующая геометрическая конфигурация: радиус при вершине r = 1 мм, задний угол α = 10°, φ = 15°. Допустимые режимы резки при точении титана достигаются при глубине резки t = 0,5−3 мм, v = 24−30 м/мин, s<\p>

Источник: http://www.evek.org/reference/rezka-i-obrabotka-titana.html

Токарная обработка титана

Одной из основных специализаций нашей фирмы является обработка титана всех возможных марок (основные вт1-0, вт3-1, от4-1, пт3в, вт16) и видов (пруток, плита, лист, труба, поковки). Так же осуществляем сварку и старение титана и деталей на его основе. Ниже на фото представлено весьма сложное изделие, изготовленное нашей фирмой из титана вт1-0 со сваркой и старением!

Для расчета стоимости токарной обработки титана пошлите запрос с чертежами на электронную почту [email protected]. Звоните 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.

Токарная обработка титана сопровождается многочисленными трудностями, что отличает его от прочих металлов. Объясняется это тем, что титан имеет:

— высокую прочность и значительную массу;

— низкую теплопроводность и прекрасную антикоррозийную устойчивость.

Благодаря этим свойствам, титан обладает большой популярностью в среде производителей, которые занимаются токарной обработкой деталей. Одновременно с этим, данные характеристики делают этот металл очень неудобным для резки и обработки. Так, например, появляется вибрация. Режущий элемент быстро изнашивается.

В случае, если эти явления удается компенсировать, то процесс обработки становится чрезвычайно эффективным. Использование наиболее совершенных токарных и фрезеровочных станков, компрессорных установок и другого необходимого оборудования позволило намного облегчить процесс обработки.

Для обработки титана на токарном станке деталь надежно фиксируется на мощном станке. Правильно отбирается режущий блок. Однако, создание идеальных условий иногда невозможно осуществить, ибо детали могут обладать сложной формой и слишком тонкими стенками.

При таких сложностях агрегаты, на которых происходит токарная обработка титана, быстро приходят в негодность. Детали, имеющие сложную форму, порой, не удается закрепить должным образом.

Титан не теряет свои технические характеристики и в процессе обработки. При этом, выделяется немало тепла.

Посему, велик риск возникновения дефектов на поверхности детали, а значит, правильно и грамотно подобрать режущий элемент ─ этап крайне ответственный.

Практика показывает: отличным вариантом является использование в качестве сырья для создания резака мелкозернистых металлических сплавов. Таким образом, резка и сверление становятся эффективными.

Помимо этого, при обработке титана на токарном станке стружка задирается и налипает на режущие элементы. Данный недостаток устраняется оксидированием: титановая заготовка нагревается до 900 градусов Цельсия и выставляется в таком виде на открытый воздух. После этого, болванку нужно быстро охладить в воде и продолжить токарную обработку деталей.

Свойства титана: именно вязкость и теплопроводность служит причиной того, что резец сильно нагревается. В результате, даже чрезвычайно прочные и качественные токарно-фрезерные инструменты быстро разрушаются. Из-за значительной вибрации, которая возникает в процессе работы с титаном, требуются мощные станки, рама коих надежно фиксируется на станине.

Изготовление титановых деталей

Чтобы обработка титана на токарном станке ЧПУ проходила легко, необходимо, чтобы:

— использовались станки с большой мощностью, где есть возможность регулировать скорость вращения заготовок;

— инструменты и заготовки подавались с небольшим вылетом;

— движущиеся детали были надежно и идеально пригнаны.

Помимо этого, режущие инструменты и фиксирующие узлы должны обладать высокой термической стойкостью, ибо титан, оставаясь холодным, нагревает донельзя металл резца, вкупе с окружающим местом реза.

Большое внимание следует обратить на вибрацию деталей, которая имеет место при механической обработке титана на токарном станке ЧПУ. Она возникает вследствие:

— небольших габаритов деталей;

— применение длинного режущего инструмента при токарной обработке деталей на станках ЧПУ;

— вязкости металла. Сильный нагрев и большие обороты приводят к тому, что стандартный конус шпинделя очень быстро становится негодным.

Сделаем оперативный расчет по вашим чертежам, пошлите их  на электронную почту TD-AVA[email protected]. Можно позвонить 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.

Решить эту проблему можно,:

— уменьшив расстояние, которое разделяет деталь и шпиндель;

— точно подогнав движущиеся узлы станка;

— жестко закрепив и раму агрегата, на котором происходит токарная обработка титана, и его неподвижные узлы.

Соответственно, компенсация (устранение) вибрации возможна, если:

— аккуратно и точно настроить абсолютно все блоки станка;

— тщательно подобать небольших габаритов жаропрочный режущий инструмент;

— максимально приблизить друг к другу место крепления резца и саму деталь.

Благодаря этим мерам, станок сможет работать достаточно долго, если не увеличивать габаритные допуски на заготовке.

Существует ряд дополнительных способов, обеспечивающих стабильность процесса токарной обработки титана. Целесообразно уменьшить количество оборотов, точно отрегулировать положение резца, надежно закрепив его, ибо биение инструмента разрушает узел режущего инструмента полностью.

Источник: http://tokarnaja-obrabotka.ru/tokarnaja-obrabotka-titana/

Выбор оптимальных режимов резания при точении титановых сплавов

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 263 1975

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

А. И. АФОНАСОВ

(Представлена научным семинаром кафедр станков и резания металлов и технологии машиностроения)

В настоящее время во многих отраслях машиностроения находят широкое применение высокопрочные, жаропрочные и коррозионно-стойкие стали и сплавы.

К числу этих материалов относятся сплавы титана. Наряду с высокими служебными свойствами некоторые сплавы титана обладают низкой обрабатываемостью резанием. Значительный резерв в повышении производительности механической обработки титановых сплавов скрыт в выборе режимов резания.

Стремление учесть экономические и технологические требования производства при разработке рациональных режимов резания с минимальными затратами времени и средств привело к созданию ускоренных методов, базирующихся на изучении интенсивности износа инструмента.

В последние годы А. Д. Макаров с сотрудниками [1] разработал метод определения обрабатываемости металлов резанием и способ определения оптимальных сочетаний подач и скоростей, при которых обеспечивается максимум стойкости инструмента и наилучшее качество обработанной поверхности.

Данная статья освещает результаты исследований, проведенных в лаборатории резания металлов Томского политехнического института в содружестве с Верхнесалдинским металлообрабатывающим заводом по использованию методики А. Д. Макарова для определения стойкости инструмента и оптимальных режимов резания в случае чернового и получистового точения труднообрабатываемых сплавов титана.

Исследования проводились на серийных сплавах титана марки ВТЗ-1, ВТ9 и ВТ6.

'В качестве инструмента использовались резцы с механическим креплением пластин твердого сплава марки ВК8. Для черновой обработки резцы имели геометрию: у = 0°, а = 10°, си = 10°, ср = 45°, ф] = 12°, X = 0°, R = 1 мм.

Для получистовой обработки резцы затачивались со следующей геометрией: у — + 7 10°, а = 10°, си = 10°, гр = 45°, ф1 = 15°, X = 0°, R = 0,5 мм. Опыты при обдирке прутков из титановых сплавов диаметром 120 и 160 мм проводились в заводских условиях на токарном станке модели ДИП 500.

Режимы резания изменялись в следующих пределах: скорость резания — V — от 5

40 м]мин подача — $ = от 0,5 1,5 жж/об; глубина резания; t = 5 мм.

Получистовое точение прутков из титановых сплавов диаметром 120 и 160 мм осуществлялось на токарном станке модели 1Д63А. Опыты проводились на следующих режимах: скорость резания изменялась — У = от 4 + 120 м/ръшн, подача — 51 = от 0,11 ^ 0,47 мм/об, глубина резания — ¿ = 2 + 3 мм.

Средняя контактная температура измерялась методом естественной термопары. Износ инструмента по передней и задней граням измерялся с помощью микроскопа МИР-1М.

Интенсивность износа инструмента оценивалась поверхностным относительным износом резца по задней грани — Ь0Пз.

копз = Нш ~~ -100 мм! 10* см

(/к-/н).5

где

йзк — конечная или текущая величина износа инструмента по задней грани, мм;

кзн — начальный износ инструмента по задней грани, мм, конечная или текущая длина пути резания, м

/н — длина начального участка пути резания, м;

я — величина отрезка, численно равная подаче, мм.

Частные эмпирические зависимости, показывающие влияние скорости резания и подачи на' стойкость инструмента, получены на основе закономерностей изменения поверхностного относительного износа резца — копз .

Экспериментальные графики, отражающие зависимость скорость — стойкость в логарифмических координатах, для случаев обработки титановых сплавов на указанных режимах, имеют по два прямолинейных участка с точкой перелома.

На участках, расположенных левее точек перелома, влияние скорости резания на стойкость инструмента значительно меньше, чем это имеет место в области скоростей для правых участков. При увеличении подачи перегиб линий Т = ЦУ) начинается при меньших скоростях.

Отсюда следует, что формулы степенного вида, выражающие зависимость Т = (У и 5), справедливы только для определенных диапазонов скоростей резания и подач. Расчет стойкости или скорости резания по единой степенной зависимости можно допустить лишь в том случае, если левая ветвь кривой Т = ¡(V) лежит б зоне очень низких скоростей резания, не имеющих практического значения.

Экстремальный характер зависимости Т ==}(]/) обусловлен изменением природы и интенсивности преобладающего вида износа. С изменением режимов резания меняются условия контакта между обрабатываемым и инструментальным материалом, изменяются и физико-ме-ханические характеристики контактирующихся поверхностей.

Использование зависимостей Т=[(У; $) для оптимизации режимов резания связано с рядом недостатков: обычные стойкостные испытания являются весьма трудоемкими и требуют значительного расхода обрабатываемого материала, скорость резания Ут и период стойкости Т являются функцией принятого критерия затупления, при монотонности функции Т=[ • (У • б) невозможно определить оптимальные режимы обработки, обеспечивающие минимальную интенсивность износа.

Таким образом, не исключена возможность выбора нерациональных режимов резания,, при которых наряду с низкой производительностью и высокой себестоимостью обработки инструмент будет иметь высокую интенсивность износа.

С этих позиций наиболее объективной характеристикой обрабатываемости металлов резанием следует считать интенсивность износа инструмента. Закономерность изменения интенсивности износа инструмента не зависит от принятого критерия затупления, что позволяет резко сократить продолжительность опытов при исследовании обрабатываемости металлов и установлении наивыгоднейших режимов резания.

На рис. 1 представлена зависимость интенсивности износа, выраженного через поверхностный относительный износ резца по задней грани, от скорости резания и подачи для случаев чернового и получи-

4 — 5 — № «»/* в тд. Р вкв.сг^ ИГ, V-45Х

СллаВ ВТЗ-1 ~Резец 8X8 /-45

СплаВВТЗ-1 • Резец8К8*еу*45*

А А'Л

I-з-ллгг»

о —

х —

Ь'Ь '0.47*%* о — 5 О

Скорость резания ]ГМ1™« Рис. 1

стового точения титановых сплавов марки ВТЗ-1 и ВТ9. На этом же графике приведены экспериментальные значения средних контактных температур для рассматриваемых случаев обработки сплавов ВТЗ-1 и ВТ9.

Зависимости й0Т13 = /(У) для всех исследуемых подач имеют точки минимума, которые наблюдаются при разных скоростях резания.

Чем больше подача и выше прочность обрабатываемого сплава, тем при меньшей скорости резания величина поверхностного относительного износа имеет минимальное значение.

Для каждой пары обрабатываемый материал — твердый сплав на всех подачах точкам минимума кривых Ьоиз= I • (V) соответствует одна и та же температура Эта температура и будет оптимальной контактной температурой для пары обрабатываемый сплав —■ резец, при которой интенсивность износа будет минимальной.

Таким образом, каждой подаче соответствует определенная оптимальная скорость резания—У0, при работе на которой достигается минимальная интенсивность износа инструмента. Повышение скорости резания против оптимальной величины, а также

ее снижение приводят к повышению интенсивности износа. Однако физические причины, вызывающие увеличение интенсивности износа при V < V0 и V > V0, будут различны.

Повышение интенсивности износа инструмента при увеличении скорости резания и температуры относительно их оптимальных значении происходит вследствие интенсификации диффузионных процессов на контактных поверхностях, пластической деформации тончайших слоев инструмента и как результат этих явлений — изменения первоначальной геометрии режущего клина.

Снижение скорости резания против оптимальной приводит к увеличению степени деформации срезаемого слоя, повышению трения на контактных поверхностях.

Уменьшение скорости деформации и повышение трения на контактных поверхностях инструмента вызывает увеличение объема пластической деформации материала стружки и обработанной поверхности.

При этом увеличивается твердость обработанной поверхности и глубина наклепанного слоя.

Эти явления способствуют интенсивному истиранию и микроскопическому вырыванию частиц твердосплавного инструмента вследствие явлений адгезии и абразивного истирания.

Влияние толщины срезаемого слоя на интенсивность износа инструмента является сложной зависимостью, так как изменение толщины среза влияет на температуру резания, а также на напряжения, возникающие на контактных поверхностях инструмента.

В условиях чернового и получистового резания выбор подачи диктуется стремлением получить наибольшую производительность процесса резания.

Производительность процесса резания может определяться объемом металла, превращаемого в стружку в единицу времени пли площадью новой поверхности, образуемой в единицу времени.

Черновая обработка лучше характеризуется объемной производительностью. Чистовая и получистовая обработка может характеризоваться поверхностной производительностью.

Как было показано выше, наименьшая интенсив- * ность износа инструмента наблюдается для каждой выбранной подачи при своей оптимальной скорости резания, обеспечивающей и постоянство оптимальной температуры резания.

Если производительность процесса резания подсчитать для каждой подачи при оптимальной скорости резания, то максимальная производительность будет достигнута при определен- *

ной наивыгоднейшей подаче.

График на рис. 2 показывает зависимость производительности от подачи * при оптимальной температуре резания. Из графика видно, что максимальная площадь обработанной поверхности для случая получистового точения титанового сплава ВТЗ-1 твердосплавным инструментом марки ВК8 будет получена при работе на подаче 0,3 0,4-мм/об.

Пп

Л, 1000 ОЛЯ

1 jrvv 900

100

ч> 800

| 500

I Ш

I 3GJ

1 200

# 100

Лолучис/гюЗае obpabon#a _ ема£а BT3-i Реаец ß*8 с f*1p,* W* f а..?**

У • ч N

/ г ч<\p>

С / Г N

/ /

/ / K/lumPbutj tffca

( / h^* 0.5*1

/ /

/' / $9

Подача $ § «%о. &

Рис. 2

В результате проведенных исследований могут быть даны рекомендации по наивыгоднейшим режимам резания титановых сплавов при черновой и получистовой обработке. Эти рекомендации сведены в табл. 1.

Таблица 1

Черновая обработка Получистовая обработка

Марка сплава скорость резания, ммин подача, мм ¡об скорость резания, мман подача, ммоб

ВТЗ-1 16,5 0,81 23 0,35

ВТ9 19 0,92 30 0,4

ВТ6 23 1,12 40 0,47

При этом критерием износа инструмента следует считать износ по задней грани на режимах черновой обработки Н3 = 1,2 мм, а при получистовой обработке /г3=0,5 мм.

Выводы

1. Наиболее объективной характеристикой обрабатываемости металлов резанием следует считать интенсивность износа инструмента.

2. Изучение закономерностей изменения интенсивности износа и средней контактной температуры при обработке металлов резанием на разных режимах дает ключ к определению оптимальных режимов.

3. Чем хуже обрабатываемость металла резанием, тем уже диапазон целесообразных режимов, и тем важнее становится определение оптимальных режимов обработки.

4. Используя методику А. Д. Макарова, можно определить стой-костные зависимости и оптимальные режимы, обеспечивающие максимальную производительность процесса при черновом и получистовом видах обработки металлов резанием. При этом достигается 15—20-кратная экономия времени обрабатываемого и инструментального материала по сравнению с обычными стойкостными испытаниями.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. Д. Макаров. Износ и стойкость режущих инструментов. М., «Машиностроение», 1966.

Источник: https://cyberleninka.ru/article/n/vybor-optimalnyh-rezhimov-rezaniya-pri-tochenii-titanovyh-splavov

Как «едят» Титан? — DRIVE2

Навеяно вот этой темой www.drive2.ru/l/6753962/?…2012347&page=0#a122012347

Первое — Титановые клапаны не притираются, по причине того что титан не обладает противоизносными характеристиками, он покрывается противоизносным покрытием. Пары трения Титан-Титан вообще недопустимы.

Притирка разрушит покрытие и клапан очень быстро умрёт. Нанесение покрытия (их несколько типов) высокотехнологичный процесс и выполнить его дома вряд ли возможно.

А ежели отдаёте на нанесение, надо быть уверенным что там в точности соблюдают технологию.

Второе — Титан имеет коэффициент теплового расширения в два раза меньше чем клапанная сталь. И зазор между клапаном и направляющей должен быть меньше.

Правильный зазор помогает отводить тепло, точно центрирует клапан относительно седла. Крайне желательно использовать бронзовые направляющие. Они обеспечивают лучшее скольжение, и наименьший износ.

В деле зазоров я не очень специалист, но есть у кого проконсультироваться. Что я и сделаю, тогда напишу.

И Третье самое большое по объёму — Как и с чем его «едят» (обработка Титана). Титан замечательный материал — лёгкий, прочный, не ржавеет, но его обработка резанием требует в 3-4 раза больше трудозатрат чем обработка стали. Сварка Титана, и того больше. Некоторые шутят -» Титан так назвали из за титанических усилий по его добыче и обработке».

Требования к оборудованию и материалам для обработки у Титана, свои Титановые…
Вы можете не верить, но Титан предъявляет очень высокие требования к жесткости конструкции станка и его абсолютной исправности! Жесткости закрепления режущего инструмента и самой детали. По этому используются большие, массивные, мощные станки.

При обработке Титана возникают высокие и концентрированные силы резания, что вызывает вибрации и ускоренно изнашивает режущие кромки.

Из за низкой теплопроводности детали всё тепло уходит в режущий инструмент! А по сему — должен применяться острый инструмент, при непрерывном резании хорош карбид вольфрама, а при прерывистом резании рекомендуется быстрорежущий инструмент (с содержанием кобальта 7—8%).

Для обработки высокопрочных титановых сплавов требуется инструмент из карбида хрома на кобальтовой основе. Заточка инструмента, так же своя, особая.

Так же Титан ОЧЕНЬ любит «наволакиваться» на режущие кромки, избежать помогают низкие обороты, медленная подача и применение РЗ СОЖ 8, но и тут как обычно засада! После механической обработки с применением СОЖ деталь подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005—0,010 мм. Ибо при взаимодействии с эмульсией в процессе резки может происходить солевая коррозия. Скорости резания, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3—4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.

Просто резать Титан болгаркой и то по особенному. Я использую диски толщиной 0,8мм., больше не желательно, ибо греть Титан сильно, нельзя! Происходят необратимые изменения структуры.

А стоят эти диски по 150р. штучка, а стачиваются они очень быстро (дешёвые, так вообще махом улетают!). К стати, кто хоть раз резал Титан болгаркой, никогда его уже ни с чем не спутает.

А пыль Титановая — ВЗРЫВООПАСНА!

Шлифовка Титана тоже не подарок, перепробовал великую гору разных абразивов и только недавно нашел, то что меня наиболее устраивает. И составил линейку абразивов для полного цикла шлифования, полировки и сатинирования. Но всё равно времени и сил на это уходит очень много.

Я описал только верхушку айсберга. По технологиям обработки Титана есть много информации в сети. И главное что хочу отметить, особенно в случае с Титаном, отступление от правил даже «совсем чуть-чуть» недопустимо и обязательно приведёт к неприятностям. И конечно желательно иметь опыт, на одной теории сразу далеко не уехать. Замечательный материал Титан, но работать с ним…

vk.com/titanium_style

Источник: https://www.drive2.ru/b/2019285/

Титан: сложности и методы его обработки

Среди неспециалистов бытует мнение, что титан имеет явное сходство с нержавеющей сталью. А значит, его можно подвергать механической обработке. При этом такой металл все же прочнее стали, поэтому сама работа с ним примерно раз в пять труднее. Тем не менее, особых проблем металлообработка вызывать не должна.

Сложности обработки титановых изделий

На самом же деле все обстоит несколько сложнее, чем представляется на первый взгляд. Металл этот отличается сниженной теплопроводностью, способен задираться и налипать.

Кроме того, сложность заключается и в том, что титан необычайно прочен и способен при термических работах спаиваться с режущим инструментом (ведь резец также состоит из металла и практически всегда оказывается более мягким, чем обрабатываемая деталь).

В результате инструмент особенно быстро изнашивается и требует постоянной замены.

Говоря об обработке металла, профессионалы подразумевают несколько разных видов работ с титановыми деталями. У них существуют свои секреты, позволяющие нейтрализовать отрицательные свойства этого металла или свести их к минимуму. Например, специальные охлаждающие составы помогут уменьшить задирание либо налипание металла, а также снизить тот объем тепла, который выделяется при резке титана.

Титановые листы разрезают с помощью гильотинных ножниц. Прокатный сортовой металл крупного диаметра обычно подвергают резке специальными пилами механического типа. Этот инструмент отличается тем, что зуб полотна у него достаточно крупный.

Если пруток имеет меньший диаметр, в ход можно пустить токарный станок. Кстати, токарная обработка данного металла осуществляется резцами, изготовленными из особо прочных сплавов.

Но даже при этом обстоятельстве скорость работы должна быть снижена и обычно уступает той скорости, которая наблюдается при обработке стали-нержавейки.

Фрезеровка титановых деталей также вызывает сложности: на фрезерные зубцы металл начинает налипать. Чтобы избежать этого, необходимо использовать фрезу, изготовленную из сплавов высокой твердости. В качестве охладителей применяют жидкости, уровень вязкости которых повышен.

Отдельное внимание следует уделить сверлению титановых элементов. В канавках может скапливаться стружка, вследствие чего сверло начинает деформироваться. Сверлить титан можно с помощью стальных быстрорежущих инструментов.

Титан можно использовать также и в качестве материала для составляющих каких-либо конструкций. Детали из этого металла требуется соединять, и здесь применяют несколько методов. Стоит рассмотреть этот вопрос подробнее.

Особенности сварочных работ по титану

Сварка является наиболее часто используемым вариантом соединения титановых деталей. Поначалу любая попытка титановой сварки заканчивалась неудачей. Причины этого назывались разные.

Считалось, что в микроструктуре металла происходят изменения, что титан вступает в реакцию в азотом, кислородом и водородом, которые содержатся в воздухе. Среди других факторов называлось возрастание зернистости при разогреве металла. В любом случае, швы оказывались предельно хрупкими.

Однако все эти проблемы удалось достаточно быстро решить с помощью новых технологий. Поэтому в настоящее время сварка титановых элементов не вызывает особых сложностей и считается обыденной.

Вместе с тем, определенные нюансы при проведении сварочных работ все же наблюдаются. Чаще всего, это выражается в том, что сварочный шов требуется постоянно оберегать от примесей, которые его загрязняют.

Чтобы избежать этого, сварщики применяют флюсы, действующие без кислорода, а также чистый инертный газ.

Используются также специализированные прокладки и козырьки для защиты – они позволяют прикрывать остывающие швы и препятствуют загрязнению.

Подобные услуги по металлообработке предполагают повышенную скорость сварки. Это позволяет снизить возрастание зернистости и задержать любые деформации микроструктуры материала. Сварка осуществляется в стандартных условиях. Для того чтобы защитить горячий металл от вступления в реакцию с воздухом, используются отдельные предупреждающие меры.

Сварка может осуществляться и в атмосфере полной контролируемости. Соблюдать ее необходимо, когда требуется избежать даже возможности загрязнения шва. Такие требования выдвигаются для самых ответственных сварочных работ при гарантии чистоты в 100%. 

В случае, если нужно соединить небольшие по объему детали, работа проводится в особой камере, которая полностью заполняется инертным газом. Чтобы сварщику был виден весь фронт работ, камеру оснащают специальным окошком.

Если же необходимо соединить крупные элементы конструкции, работа проводится в помещении, герметично закрытом. Любая сварка должна осуществляться подготовленными людьми, а в данной ситуации к работе допускаются лишь профессиональнее сварщики с внушительным опытом. Для них в помещении предусматриваются системы жизнеобеспечения.

Другие способы соединения титановых деталей

Иногда сварка титана выглядит нецелесообразной. В этом случае зачастую используют пайку. Такой вид обработки титанового материала является довольно сложным.

Причина в том, что при температурном воздействии оксидная пленка на поверхности детали приводит к весьма непрочному соединению вне зависимости от того, с каким металлом спаивается титан.

Поэтому из всех металлов, идеально взаимодействующих с титаном при пайке, подходят лишь алюминий и серебро повышенной чистоты.

Еще один способ соединения титановых изделий между собой или с деталями из иных металлов – это клепка. Этот метод, как и применение болтов, является механическим.

Если ставится заклепка из титана, работа существенно удлиняется.

При использовании болтов необходимо покрывать их тефлоном либо серебром, в противном случае не избежать налипания титана, а само соединение окажется достаточно хрупким.

Способы нейтрализации минусов титана

Недостатком этого уникального металла является задирание, налипание, которое возникает при трении. В результате происходит ускоренное изнашивание титанового сплава. Если применяется фрезеровка металла, это обстоятельство нельзя не учитывать. Скользя по металлической поверхности, титан вступает в реакцию и начинает налипать, постепенно поглощая всю деталь.

Однако верхний слой титана можно сделать более прочной, устойчивой к истиранию и налипанию. В том числе, для этой цели используется азотирование. Метод состоит в выдерживании детали в азотном газе.

Изделие должно быть разогрето в среднем до 900 градусов, а время выдержки составляет свыше суток. В результате азотирования поверхность элемента покрывается нитридной пленкой, придающей титану особую твердость.

Как следствие – повышение износостойкости титановой детали.

Еще один метод, позволяющий повысить свойства металла, – это его оксидирование. Оно помогает устранить задирание. Титановую деталь необходимо нагреть, чтобы на ее поверхности возникла оксидная пленка. Она плотно покрывает верхний слой металла, не пропуская внутрь воздух.

Оксидирование может быть низко- и высокотемпературным. В последнем случае изделие выдерживают в течение нескольких часов в нагретом состоянии, а после чего опускают его в холодную воду. Это помогает ликвидировать окалину. Оксидированная таким образом деталь становится более устойчивой к изнашиванию сразу на несколько порядков.

Фрезерование титановых деталей

Титан применяется в самых разных промышленных сферах, в том числе, в самолетостроении и космонавтике. В этих отраслях чаще всего используются детали, выполненные из титана.

Нужно учитывать, что фрезерная обработка металла отличается сложностью. Поэтому для таких работ требуется применять острые фрезы с повышенной скоростью. Следует также максимально снизить контакт детали с резцом. Фрезерование начинается по дуге, а в конце работы фаска должна сниматься под определенным углом.

Квалификация фрезеровщика играет серьезную роль не только в выполнении самих работ, но и в определении их стоимости. Многое будет также зависеть и от того, насколько сложной выглядит геометрия создаваемого из титана элемента.

Источник: http://optimahold.ru/stati/titan-sloghnosti-i-metody-ego-obrabotki

Ссылка на основную публикацию