Обработка титана на токарном станке

Токарная обработка титана сложна из-за его высоких прочности и показателя вязкости. Для качественной работы необходимо выбрать оптимальный режим обработки.

Трудности обработки титана

Титановый сплав

Титановый сплав

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.

Особые условия обработки металла

Титан – особо прочный, легкий, серебристый метал стойкий к воздействию процесса ржавления. Высокая устойчивость к воздействию внешней среды обеспечивается за счет образования на поверхности материала защитной пленки TiO2. Негативное воздействие на титан могут оказывать вещества содержащие щелочь, что  приводит к потере прочностных  характеристик.

Высокая прочность титана требует создания особых условий во время резания детали с использованием  токарного  станка с ЧПУ и инструмент из сверхпрочного сплава.

В обязательном порядке необходимо учитывать:

  • металл очень вязкий и когда производится его токарная обработка с использованием токарного станка, сильно нагревается, что приводит к налипанию титановых отходов на режущий инструмент;
  • мелкая дисперсная пыль, образующаяся во время обработки, может детонировать, что требует особой осторожности и соблюдения мер безопасности;
  • для резания титана требуется специальное оборудование, обеспечивающее необходимый режим резания;
  • титан обладает низкой теплопроводностью, что требует для  резания специально подобранный режущий инструмент.

После выполнения процесса, когда завершена  обработка изделия из титана для создания прочной защитной пленки деталь нагревают, а затем охлаждают на открытом воздухе.

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.

Шпиндельные соединения

В системном подходе важна также роль шпинделя. Обрабатывающие устройства испытывают трудности при достижении высоких скоростей удаления металла, учитывая низкую скорость резания и высокие силы резания, характерные для титана. На протяжении многих лет производители станков улучшали жесткость и демпфирование на шпинделях и станочных конструкциях. Шпиндели спроектированы с высоким крутящим моментом при низких скоростях вращения. Хотя все эти достижения повышают производительность, соединение шпинделя часто остается слабым звеном.В большинстве случаев соединение инструмента-шпинделя определяет, сколько материала может быть удалено в данной операции.

Высокопроизводительная обработка обычно характеризуется использованием высоких подач и агрессивной глубиной обработки. Благодаря постоянным достижениям в режущих инструментах существует потребность в шпиндельном соединении, которое лучше использует доступную мощность станка.За последние несколько десятилетий несколько последних типов шпиндельного соединения были разработаны или оптимизированы. Благодаря хорошей цене / выгодной позиции конусность 7/24 ISO стала одной из самых популярных систем на рынке. Однако конструкция имеет ряд ограничений, связанными с точностью на высоких скоростях. Как правило, конус шпинделя начинает прокручиваться от центробежной силы начиная от скорости вращения шпинделя в 20000 об / мин. Это дает погрешности обработки,ведь конус начинает терять контакт, позволяя инструменту перемещаться вверх по шпинделю.

Конструкция Kennametal, которая недавно был улучшена для обработки титана, представляет собой интерфейс инструмента-шпинделя «KM», который закрепляет держатель инструмента с помощью шарового механизма, который действует на поверхность отверстия

В новой KM4X-системе улучшение связано с ограничением изгибов конструкции, что важно при фрезеровании материалов с высокой силой, таких как титан

В торцевых фрезерованиях, где длительность проецирования длинна, ограничивающим фактором является этот изгиб. Новая система KM4X обеспечивает высокую силу зажима и сопротивление помехам для обеспечения высокой жесткости и высокой изгибающей способности для повышения производительности при обработке титановых сплавов.

Режимы токарной обработки титана

Наружная обработка изделий из титановых сплавов

Наружная обработка изделий из титановых сплавов

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.

Рекомендации по значениям основных параметров токарной обработки титана в зависимости от области применения:

  • 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.

Для всех вышеописанных режимов рекомендуется применять специальные охлаждающие жидкости. Это позволит уменьшить влияние температурного налипания стружки к поверхности резца.

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

Производим обработку титана:

Некоторые характеристики титана, могут оказывать прямое воздействие на вид его обрабатываемости. Среди них: отношение характеристик прочности и веса. Титан податливый материал с ним работать легче, чем с прочими материалами. Его характеризует устойчивость к коррозии. По этой причине при работе появляется моменты вибрации, она ведет к износу его кромки.

Выбор инструмента для токарной обработки титановых сплавов

Резцы для токарного станка со сменными головками

Резцы для токарного станка со сменными головками

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:

Основная проблема при обработке

Основная проблема, с которой сталкиваются при обработке этого сырья, это налипание и задирание на инструмент. Из-за этого термическая обработка титана очень сложна. Кроме того, достаточно много проблем доставляет и тот факт, что металл отличается очень низкой теплопроводностью. Из-за того, что другие металлы сопротивляются нагреву гораздо слабее, при контакте с титаном чаще всего они образуют сплав. Это является основной причиной быстрого износа инструментов. Для того чтобы несколько уменьшить задирание и налипание, а также отвести часть выделяемого тепла, специалисты рекомендуют делать следующее:

  • во-первых, нужно обязательно использовать охлаждающую жидкость;
  • во-вторых, при проведении заточки заготовок, к примеру, должны использоваться инструменты из таких же сверхпрочных материалов;
  • в-третьих, при обработке сырья при помощи резцов скорость значительно понижают, чтобы снизить нагрев.

реактор из титана

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 >>

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

Материалы и оборудование для литья титана

Вследствие высокой активности нагретого титана для его литья приходится применять специфическое оборудование.

Плавильный агрегат и машина литья литейных форм размещаются в герметичной вакуумированной камере. Высокопроизводительные насосы откачивают как воздух на начальном этапе, так и удаляют газы, образующиеся при плавлении и отливке.

Машина для литья литейных форм

Обычные керамические тигли для плавки не подходят, вместо них используют графитовые. В электродуговых печах, где нагрев идет изнутри, используют охлаждаемые емкости, покрытые тонким слоем металлического титана — так называемые гарнисажи. Сверху в тигель опускается расходуемый электрод. Автоматическая подача поддерживает постоянное расстояние от электрода до поверхности расплава по мере его расходования.

Ниже тигля находится блок литейных установок, в который расплав подается под действием своего веса. Для улучшения распределения расплава по форме блок с формами может вращаться.

Время опрокидывания тигля определяется исходя из постоянно контролируемых параметров — температуры тиглей, давления, химического состава расплава.

Пресс-формы из графита

Пресс-формы делают из графита. В последнее время вместо дорогостоящих графитовых форм начинают применять формы из обычных огнеупорных материалов со специальным тонким защитным покрытием, препятствующим вступлению титана в реакцию.

Сложность технологических процессов, высокая цена оборудования и расходных материалов, высокая квалификация персонала делают процесс отливки титана доступным лишь для специализированных промышленных производств.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...