Обработка титана на токарном станке режимы резания

Существует группа металлов обработка которых требует создание особых условий с учетом повышенной твердости их структуры. Одним из элементов данной группы является титан, обладающий высокой прочностью и требующий применения специальной технологии обработки, с использованием токарных станков с ЧПУ и особо прочный инструмент. Обработка титана на токарном станке широко используется в технологических процессах для изготовления необходимых изделий в различных отраслях промышленности. Титан применяется в аэрокосмической отрасли, где его использование достигает 9 % от общего объема материалов.

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.

Соблюдение технологии обработки титановых сплавов

Для резания заготовок из титана применяются токарные станки с ЧПУ и специальный режущий инструмент, а процесс делится на ряд операций, каждая из которых выполняется по особой технологии.

Операции обработки на токарных станках делятся:

Необходимо также учитывать возникающую вибрацию при обработке заготовок из титановых сплавов, появляющуюся при операциях на токарных станках. Частично эту проблему удается решить с помощью многоступенчатого крепежа заготовок с расположением как можно ближе к шпинделю. Для уменьшения влияния температуры при обработке лучшим вариантом является использование резцов из мелкозернистых твердых сплавов без покрытия и пластин со специальным покрытием PVD.

При резании 85-90% всей энергии превращается в тепловую энергию, которая поглощается частично стружкой, резцом, обрабатываемой деталью и охлаждающей жидкостью. Температура в зоне обработки детали может достигать 1000-1100 °С.

При обработке заготовок на токарном станке учитываются три основных параметра:

• угол фиксации инструмента (K_r);
• размерность подачи (F_n);
• скорость резания (V_e).

С помощью регулирования данных параметров производится изменение температурного режима резания. Для различных режимов, когда проводится обработка, устанавливаются и регулирующие параметры:

• предварительного – до 10 мм производится снятие верхнего слоя с титановой заготовки с образованием припуска 1 мм (K_r -3 -10 мм, F_n – 0,3 — 0,8 мм, V_e — 25 м/мин);
• промежуточного – 0,5 – 4 мм, удаляется верхний слой с образованием ровной поверхности с припуском 1 мм (K_r – 0,5 – 4 мм, F_n – 0,2 – 0,5 мм, V_e — 40 — 80 м/мин).
• основного – 0,2 – 0,5 мм, чистовая обработка с удалением припуска (K_r – 0,25 – 0,5 мм, F_n – 0,1 – 0,4 мм, V_e — 80 — 120 м/мин).

Обработка заготовок из титана ведется с обязательной подачей специальной эмульсии охлаждающей инструмент под давлением для обеспечения нормального температурного режима. При использовании более глубокого реза необходимо снижать скорость обработки титана, меняя режимы работы.

Подбор необходимого инструмента

Требования к обрабатывающему инструменту для титана достаточно высоки и для работы в основном применяются резцы, со сменными головками используемые на станках с ЧПУ. Инструмент в ходе рабочего процесса подвергается изнашиванию: абразивному, адгезийному и диффузному. При диффузном изнашивании происходит взаимное растворение материала режущего инструмента и титановой заготовки. Особо активно эти процессы протекают при температуре 900 — 1200 °С.

Подборка ведется с учетом режима обработки:

• при предварительном процессе используются пластины круглой или квадратной формы (iC 19) изготовленные из специального сплава H 13 A без покрытия;
• при промежуточном процессе, используются пластины круглой формы, изготовленные из сплава H 13 A, GC 1115 с покрытием PDV;
• при основном процессе, используются пластины со шлифовальными режущими кромками изготовленные из сплавов H 13 A, GC 1105 и CD 10.

При процессе воздействия на титановую заготовку с использованием специальных резцов применяются высокоточные токарные станки с ЧПУ и различные режимы обеспечивающие автоматизацию проводимых операций и высокое качество изготавливаемых деталей. Размеры готовой детали должны иметь нулевое или минимальное отклонение от заданных параметров согласно техническому заданию.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Титановые сплавы широко используются в современ­ной технике, поскольку их высокие механические свойства и коррозионная стойкость сочетаются с малым удельным весом. Разработаны сплавы различного состава и свойст­ва, например: технически чистый титан (ВТ1, ВТ2), сплавы систем титан—алюминий (ВТ5), титан—алюми­ний—марганец (ВТ4, ОТ4), титан—алюминий—хром— молибден (ВТЗ) и др. По общей классификации трудно­обрабатываемых материалов титановые сплавы сведены в VII группу (табл. 11.11).

Так же, как нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы имеют ряд особенностей, обусловливающих их низкую обрабатываемость.

1. Малая пластичность, характеризуемая высоким коэффициентом упрочнения, примерно в два раза большим, чем у жаропрочных материалов . Вместе с тем механические характеристики титановых сплавов по сравнению с жаропрочными меньше. Пониженные пластические свойства титановых сплавов в процессе их деформации способствуют развитию опережающих микро- и макротрещин.

Образуемая стружка по внешнему виду напоминает сливную, имеет трещины, разделяющие ее на очень слабо деформированные элементы, прочно связан­ные тонким и сильно деформированным контактным слоем. Образование такой стружки объясняется тем, что с увеличением скорости пластическая деформация при высоких температуре и давлении протекает в основном в контактном слое, не затрагивая срезаемый слой. Поэтому при высоких скоростях резания образуется не сливная, а элементная стружка.

Углы сдвига при резании титановых сплавов достигают 38. 44°, в этих условиях при скоростях резания, больших 40 м/мин, возможно образование стружки с коэффициен­том укорочения K_l

На сегодняшний день выделяется группа металлов, для которых необходимо создать специальные условия, прежде чем приступить к работе с ними. Обработка титана относится к этой категории работ. Все сложности и особенности процесса связаны с тем, что этот материал характеризуется повышенной твердостью.

Описание

Титан характеризуется тем, что он очень прочный, имеет серебристый цвет, а также обладает огромной устойчивостью к процессу ржавления. Из-за того, что на поверхности металла образуется пленка TiO₂, он обладает хорошей устойчивостью ко всем внешним воздействиям. Негативно на свойствах титана может сказаться лишь влияние веществ, которые содержат в своем составе щелочь. При контакте с этими химическими веществами сырье теряет свои прочностные характеристики.

Из-за того, что продукт обладает повышенной прочностью, при токарной обработке титана приходится использовать инструмент из сверхпрочного сплава, а также создать другие особые условия при работе на токарном станке с ЧПУ.

Что нужно учитывать при обработке?

При необходимости работы с титаном обязательно нужно учитывать следующие свойства:

• Первое — это налипание. При обработке титана с использованием токарного станка создается высокая температура, из-за которой материал начинает плавиться и прилипать к режущему инструменту.
• Во время обработки также возникает мелкая дисперсная пыль. Она может детонировать, а потому во время работы очень важно строго соблюдать все правила техники безопасности.
• Для того чтобы качественно осуществить процесс резки такого сверхпрочного металла, необходим инструмент, который может обеспечить подходящий режим.
• Специально подбирать инструмент для резки приходится еще и потому, что титан характеризуется низкой теплопроводностью.

После того как обработка титана заканчивается, готовая деталь обычно подогревается, после чего ей дают остыть на открытом воздухе. Таким образом создают защитную пленку на поверхности материала, о которой было написано выше.

Классификация способов обработки

Для того чтобы осуществить резку такого сырья, необходим специальный инструмент, а также токарный станок с ЧПУ. Сам процесс разделяется на несколько операций, каждая из которых осуществляется по собственной технологии.

Что касается самих операций, то они могут быть основными, промежуточными или предварительными.

При обработке титана на станках нужно помнить, что в это время возникает вибрация. Для того чтобы частично решить данную проблему, можно крепить заготовку многоступенчатым образом, а также делать это как можно ближе к шпинделю. Чтобы уменьшить влияние температуры на процесс обработки, рекомендуется использовать резцы из мелкозернистого твердого сплава без покрытия и пластин со специальным PVD. Здесь стоит обратить внимание на то, что во время обработки титана резанием от 85 до 90% всей энергии будет превращаться в тепловую, которая будет поглощаться стружкой, обрабатываемой заготовкой, резцами и жидкостью, которая предназначена для охлаждения. Обычно температура в зоне работ достигает 1000-1100 градусов по Цельсию.

Регулировка параметров обработки

Во время обработки такого сверхпрочного материала необходимо учитывать три основных параметра:

• угол фиксации рабочего инструмента;
• размерность подачи;
• скорость резания.

Если регулировать данные параметры, то с их помощью можно изменить и температуру обработки. При разных режимах обработки наблюдаются и разные параметры данных характеристик.

Для предварительной обработки со срезом верхнего слоя до 10 мм допускается припуск в 1 мм. Для работы таком режиме обычно выставляются следующие параметры. Во-первых, угол фиксации от 3 до 10 мм, во-вторых, размерность подачи от 0,3 до 0,8 мм, а скорость резания выставляет 25 м/мин.

Промежуточный вариант обработки титана предполагает срез верхнего слоя от 0,5 до 4 мм, а также образование ровного слоя припуска 1 мм. Угол фиксации 0,5-4 мм, размерность подачи 0,2-0,5 мм, скорость подачи 40-80 м/мин.

Основной вариант обработки — это снятие слоя 0,2-0,5 мм, а также удаление припусков. Скорость работы 80-120 м/мин, угол фиксации 0,25-0,5 мм, а размерность подачи 0,1-0,4 мм.

Здесь также очень важно отметить, что механическая обработка титана на таком оборудовании всегда проводится только при наличии подачи специальной охлаждающей эмульсии. Субстанция подается под давлением на рабочий инструмент. Это необходимо для того, чтобы создать нормальный температурный режим работы.

Инструмент для обработки

Требования, которые предъявляются к инструменту для обработки материала, довольно высоки. Чаще всего обработка титана и сплавов производится при использовании резцов, у которых имеются съемные головки, а устанавливаются они на станки с ЧПУ. Во время эксплуатации рабочий инструмент подвергается абразивному, адгезийному и диффузному изнашиванию. Особое внимание стоит уделить диффузному изнашиванию, так как в это время происходит процесс растворения и режущего материала, и заготовки из титана. Наиболее активно эти процессы протекают, если температура находится в пределах от 900 до 1200 градусов по Цельсию.

Требования к инструменту

Особенность обработки титана заключается еще и в том, что необходимо подбирать рабочий инструмент в зависимости от того, какой режим работы выбран.

Для работы в предварительном режиме чаще всего используются пластины с круглой или же квадратной формой марки iC19. Изготавливаются данные пластины из специального сплава, который маркируется как Н13А и не имеет покрытия.

Для того чтобы успешно обрабатывать титан промежуточным способом, необходимо уже использовать только круглые пластины из того же сплава Н13А или же из сплава GC1155 с покрытие PDV.

Для наиболее ответственного, основного способа обработки применяются круглые насадки со шлифовальными режущими кромками, которые изготавливаются из сплавов Н13А, GC 1105, CD 10.

Важно добавить, что при обработке на токарных станках с ЧПУ допускается самое минимальное отклонение от формы детали, которая была указана в техническом задании. Чаще всего элементы, изготовленные из такого сплава, не имеют отклонений от нормы вовсе.

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.

Оксидирование и азотирование титана

Начать стоит с азотирования титана, так как этот вид обработки гораздо сложнее, чем оксидирование. Технологический процесс выглядит следующим образом. Изделие из титана нагревают до 850-950 градусов по Цельсию, после чего деталь необходимо поместить в среду с чистым газообразным азотом на несколько суток. После этого на поверхности элемента образуется пленка из нитрида титана, благодаря химическим реакциям, которые будут протекать в течение этих суток. Если все прошло успешно, то на титане появится пленка золотистого оттенка, которая будет отличаться повышенной прочностью и стойкостью к истиранию.

Что касается оксидирования титана, то метод является очень распространенным и принадлежит, как и предыдущий, к термической обработке титана. Начало процесса ничем не отличается от азотирования, деталь нужно нагреть до температуры в 850 градусов по Цельсию. А вот процесс остывания происходит не постепенно и в газовой среде, а резко и с использованием жидкости. Таким образом можно получить пленку на поверхности титана, которая будет прочно с ним связана. Наличие такого типа пленок на поверхности приводит к увеличению прочности и стойкости к стиранию в 15-100 раз.

Соединение деталей

В некоторых случаях изделия из титана выступают частью большой конструкции. Это говорит о том, что возникает необходимость соединения разных материалов.

Для того чтобы соединять изделия из этого сырья используется четыре основных метода. Основной из них — это сварка, используется еще пайка, механический способ соединения, предполагающий использование заклепок и соединение при помощи болтового крепления.На сегодняшний день основной метод обработки для соединения изделий в одну конструкцию — это сварка в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов.

Что касается пайки, то этот метод применяется только в том случае, если сварка невозможна или же нецелесообразна. Данный процесс осложняется некоторыми химическими реакциями, которые возникают в результате пайки. Чтобы выполнить механическое соединение при помощи болтов или заклепок, придется также применить специальный материал.