Обработка титановых сплавов: Производительность, проблемы и лучшие практики

Титановые сплавы являются важнейшими материалами в аэрокосмической, медицинской и высокопроизводительной автомобильной промышленности благодаря своим исключительным свойствам. соотношение прочности и веса и коррозионной стойкостью. Однако успешная обработка этих материалов сопряжена с серьезными инженерными проблемами, требующими применения специализированного инструмента и оптимизированной обработки. Стратегии ЧПУ. В этой статье подробно рассматриваются основные вопросы обработки титана и описываются практические стратегии для достижения эффективности и точности.

Что такое обработка титана

Обработка титана включает в себя субтрактивные производственные процессы, такие как фрезерование, точение и сверление, применяемые к чистому титану или его сплавам. Эти процессы необходимы для создания высокоточных компонентов для ответственных применений, где свойства материала имеют первостепенное значение.

• Основная задача - придать материалу форму, соответствующую конечным техническим характеристикам, часто со сложной геометрией и жесткими допусками (например, ±0,015 мм).
• Обработка должна сохранять целостность материала, не допуская таких дефектов, как поверхностные трещины, альфа-кейс (твердый, хрупкий слой) и чрезмерное остаточное напряжение.
• Такие сплавы, как Ti-6Al-4V (5 класс, сплав α + β) и Ti-5Al-2.5Sn (сплав α) - наиболее часто обрабатываемые варианты, каждый из которых имеет немного разные характеристики обработки.
• Из-за высокой стоимости титанового материала и критичности компонентов надежность процесса и минимальное количество брака являются непреложными требованиями.

Стратегия обработки титановых сплавов

Проблемы при обработке титана

Физические и химические свойства титана напрямую приводят к возникновению специфических, постоянных проблем на производстве. Эти проблемы напрямую влияют на производственные затраты, время цикла и качество конечного компонента.

• Быстрый износ инструмента и катастрофический отказ: Концентрация тепла и химические механизмы износа в совокупности вызывают чрезвычайно быстрый и непредсказуемый износ режущего инструмента. Срок службы инструмента может составлять всего несколько минут, что требует частой и дорогостоящей замены инструмента.
• Низкая износостойкость увеличивает стоимость инструмента на деталь и требует частого прерывания процесса для проверки инструмента.
• Непредсказуемый отказ может привести к немедленной утилизации компонентов, что дорого, учитывая цену титановых изделий.
• Сохранение целостности поверхности и предотвращение загрязнения: Сильные термические и механические напряжения могут повредить поверхностный слой обрабатываемой детали.
• Чрезмерное нагревание вызывает локальное фазовое превращение и может привести к образованию твердых, хрупких альфа-кейс на поверхности, что снижает усталостную прочность и требует последующего удаления.
• Достижение требуемой чистоты поверхности (часто Ra от 0,8 мкм до 1,6 мкм) затруднено из-за BUE и износа боковой поверхности.
• Управление чипом: Образующаяся стружка горячая, острая и склонна к привариванию к себе, инструменту или заготовке.
• Плохой отвод стружки приводит к повторному резанию, нагреву и поломке инструмента.
• Стружка также может повредить готовые поверхности детали или загрязнить систему охлаждения.
• Высокая сила резания и вибрация: Высокая прочность материала требует больших усилий, что увеличивает риск прогиба, болтовня (самовозбуждающаяся вибрация), а также сокращение срока службы станков и приспособлений.
• Жесткое крепление и станки с высокой динамической жесткостью обязательны для минимизации относительных перемещений между инструментом и заготовкой.
• Тепловая деформация: При интенсивном фрезеровании локальный нагрев и низкая жесткость могут вызвать незначительные деформации в тонкостенных титановых деталях. Поддержание стабильной температуры и жесткое крепление сводят этот риск к минимуму.

Режущие инструменты для титана

Выбор правильного материала, геометрии и покрытия режущего инструмента является единственным наиболее важным фактором для успешной и эффективной обработки титана. Выбор инструмента должен учитывать высокую теплоту и химическую реактивность процесса.

• Твердые сплавы: Мелкозернистый карбид вольфрама (WC) без покрытия является основным материалом. Особые сорта с высоким содержанием кобальта (около 10% - 12%) обеспечивают прочность и устойчивость к механическим ударам и термической усталости, характерным для титана.
• Твердый сплав должен обладать высокой горячей твердостью и прочностью на поперечный разрыв.
• Покрытия, наносимые методом PVDТакие материалы, как TiAlN (нитрид титана и алюминия) или AlTiN, могут улучшить эксплуатационные характеристики за счет теплового барьера, но для сохранения остроты кромки их необходимо наносить тонким слоем.
• Геометрия и угол наклона граблей: Геометрия инструмента разработана таким образом, чтобы эффективно управлять теплом и сдвигом материала, не создавая чрезмерного трения.
• Используйте позитив углы наклона для снижения сил резания и отвода тепла в стружку. Положительная геометрия способствует чистому резанию и минимизирует затирание боковой поверхности.
• Острые режущие кромки необходимы, что требует контролируемого Т-образного участка с малым радиусом или хонингование чтобы сбалансировать остроту и прочность кромки.
• Большой чип-брейкер Канавки, как правило, избегаются; вместо них предпочтительны открытые, полированные геометрии для эффективного схода стружки.
• Стиль вставки и держатели инструментов: Индексируемые вставки должны быть выбраны для обеспечения высокой прочности и надежной посадки.
• Круглые вставки или инструменты с большими ведущие углы (например, 45°) очень эффективны при фрезеровании, так как они разжижают стружку и направляют усилия в осевом направлении на шпиндель, продлевая срок службы инструмента.
• Держатели инструментов должны обеспечивать максимальную жесткость, часто используются термоусадочные или гидравлические патроны с высоким усилием зажима для устранения биения и гашения вибрации.
• Усовершенствованная оснастка: Для черновой обработки и крупносерийного производства преимущества имеют специализированные материалы.
• Керамические вставки (особенно нитрид кремния или керамика, армированная вискерами) могут работать на значительно более высоких скоростях резания (Vc от 150 до 300 м/мин) при черновой обработке, но они очень хрупкие и требуют очень стабильных условий обработки и станков.
• Поликристаллический алмаз (PCD) высокоэффективен для чистого, нелегированного титана, но обычно не подходит для абразивных титановых сплавов, таких как Ti-6Al-4V из-за химического износа.

Рекомендуемая установка инструмента

• Используйте мелкозернистый твердый сплав с PVD-покрытием (TiAlN / AlTiN) для общей обработки сплавов α + β.
• Керамические пластины Si₃N₄ для высокоскоростной чистовой обработки при высокой жесткости установки.
• PCD инструменты для обработки деталей из чистого титана или композитных материалов, требующих сверхтонкой обработки поверхности.
• Комбинируйте с гидравлическими или термоусадочными держателями и сквозным охлаждением (70 - 100 бар) для оптимальной стабильности.

Процесс обработки титана с ЧПУ

Да, титановые сплавы могут быть CNC обработанный эффективно - при условии, что скорость, подача, подача СОЖ и жесткость станка точно контролируются. Успешный Обработка на станках с ЧПУ Титан опирается на стратегию низкоскоростного, высокопоточного и агрессивного, последовательного нанесения Охлаждающая жидкость высокого давления (HPC). В параметрах процесса приоритет должен отдаваться тепловому контролю, а не максимальной скорости съема материала (MRR).

Стратегия охлаждения и смазки

• Охлаждающая жидкость высокого давления (HPC): Подача охлаждающей жидкости под высоким давлением (70 - 100 бар) обязательна для удаления стружки из зоны резания и отвода концентрированного тепла.
• HPC также способствует разрушению стружки и предотвращает повторное резание.
• Растворимое масло (эмульсия) является предпочтительным типом охлаждающей жидкости, обеспечивая превосходную смазку и теплопередачу по сравнению с синтетическими маслами.
• Охлаждающая жидкость для сквозного инструмента: Подача СОЖ непосредственно через каналы в держателе и режущем инструменте обеспечивает точное нанесение в точку воздействия (режущую кромку).

Оптимизация параметров резания

• Низкая скорость резания (Vc): Наиболее критичным параметром является скорость резки. Низкая теплопроводность задерживает тепло, поэтому низкий Vc необходим для предотвращения быстрого термического износа и температуры вспышки 750 °C.
• Рекомендуемый диапазон для черновой обработки Ti-6Al-4V с карбидом обычно составляет Vc 40-60 м/мин.
• Высокая скорость подачи (fz): Используйте относительно высокую нагрузку на стружку (подача на зуб, fz), чтобы обеспечить постоянный отвод тепла с толстой стружкой, минимизируя тепловое воздействие на боковую поверхность инструмента.
• Толщина стружки должна превышать радиус носа или подготовку режущей кромки для чистого среза.
• Глубина среза (ап): Поддерживайте постоянную, глубокую радиальную (ae) или осевую (ap) глубина реза больше, чем площадь износа боковой поверхности. Это гарантирует, что инструмент режет в чистой, свежей зоне, а не трет закаленную область.
• Трохоидальное фрезерование и высокоэффективные методы фрезерования (HEM) эффективны при фрезеровании с использованием полного ap и низкого ae для поддержания постоянного, низкого радиального зацепления стружки, что уменьшает тепловые колебания.

Требования к станкам и оборудованию

• Жесткость машины: Используйте мощные, высокожесткие Станки с ЧПУ с тяжелой конструкцией (например, коробчатыми направляющими) и прочными шпинделями. Станок должен воспринимать большие периодические усилия резания, не отклоняясь.
• Крепление: Излишне продуманное крепление необходимо для гашения вибрации и предотвращения смещения заготовки. Используйте минимальный выступ инструмента, чтобы обеспечить максимальную жесткость системы и вывести частоту дребезга за пределы рабочего диапазона.
• Мониторинг и адаптивное управление: Внедрение систем для контроля износа инструмента в режиме реального времени (например, акустической эмиссии или датчиков силы) и адаптивное управление для автоматической регулировки скорости подачи в зависимости от нагрузки на шпиндель, что обеспечивает постоянство срока службы инструмента и защиту от внезапных поломок.
• Стратегия фрезерования (Climb vs. Conventional): Фрезерование подъема является наиболее предпочтительным, так как обеспечивает вхождение инструмента в материал при максимальной толщине стружки и срезание по направлению вниз, снижая эффект трения и минимизируя риск BUE.

Общие вопросы об обработке титана

В следующих кратких ответах рассматриваются некоторые из наиболее распространенных вопросов, возникающих у производственных команд в связи с обработкой титановых сплавов.

Сложно ли обрабатывать титан?

Да - низкая теплопроводность и высокая прочность приводят к накоплению тепла и быстрому износу инструмента, что затрудняет эффективную резку.

Можно ли обрабатывать титан на станках с ЧПУ?

Безусловно. С помощью жестких станков, твердосплавных инструментов с покрытием TiAlN и Охлаждающая жидкость высокого давления (70 бар - 100 бар), точность Обработка на станках с ЧПУ достигается превосходная точность и качество обработки поверхности.

Какие инструменты лучше всего подходят для резки титана?

Наиболее распространены мелкозернистые твердые сплавы (TiAlN / AlTiN); керамика или PCD используются для специализированных классов.

Почему обработка титана стоит дорого?

Срок службы инструмента невелик, скорость резки низкая, но соотношение прочности и веса, а также устойчивость к коррозии делают титан экономически эффективным для применения в аэрокосмической и медицинской промышленности.

Заключение

Обработка титановых сплавов - сложная, требующая больших усилий инженерная задача, где успех определяется тщательностью управление процессомспециализированный инструмент и глубокое понимание термических и химических свойств материала. Придерживаясь принципов низкой скорости резания, высокой подачи, агрессивного Охлаждающая жидкость высокого давленияИспользуя прочную твердосплавную оснастку с положительной геометрией, производители могут смягчить основные проблемы, связанные с быстрым износом и высоким нагревом. В результате оптимизированная Стратегии ЧПУ превратить сложный технологический процесс в надежную и эффективную операцию, способную производить высокотехнологичные компоненты, необходимые для критически важных отраслей промышленности. Экспертиза процесса имеет первостепенное значение для максимизации скорости съема материала при обеспечении качества деталей и срока службы инструмента. Хотя обработка титана связана с более высокими затратами на инструмент и материалы, чем обработка стали или алюминия, его превосходные характеристики оправдывают инвестиции в критически важные компоненты.

Запросите цену у нашей команды инженеров.