Фрезерно токарная обработка титана. Высокие технологии. Фреза с керамическими пластинами для черновой обработки жаропрочных сплавов

Обрабатываемость стали зависит от состава легирующих элементов, методов термообработки и способа получения заготовки (отливка, поковка и т. д.).

При обработке низкоуглеродистых сталей основной проблемой является образование наростов и заусенцев. При обработке сталей высокой твёрдости важное значение приобретает взаимное расположение заготовки и фрезы для предотвращения выкрашивания режущей кромки.

При фрезеровании стали всегда строго соблюдайте наши рекомендации по расположению фрезы во избежание излишнего увеличения толщины стружки на выходе, а также по возможности не применяйте СОЖ, в особенности при выполнении черновой обработки.

Фрезерование нержавеющей стали

Нержавеющую сталь можно разделить на ферритную/мартенситную, аустенитную и дуплексную (аустенитную/ферритную). При этом для каждого вида предлагаются свои рекомендации по фрезерованию.

Фрезерование ферритной/мартенситной нержавеющей стали

Классификация материала: P5.x

Ферритные нержавеющие стали имеют обрабатываемость, схожую с низколегированными сталями, поэтому при их обработке можно руководствоваться общими рекомендациями по фрезерованию стали.

Мартенситные нержавеющие стали более склонны к упрочнению в процессе резания и вызывают очень высокие силы резания при врезании в заготовку. Для получения оптимальных результатов выбирайте правильную траекторию инструмента и метод вход в резание по дуге, а также более высокую скорость резания v c , чтобы преодолеть эффект упрочнения. Более высокая скорость резания и более прочный сплав в сочетании с усиленной режущей кромкой способствуют повышению стабильности.

Фрезерование аустенитной и дуплексной нержавеющей стали

Классификация материала: M1.x, M2.x и M3.x

Основными видами износа при фрезеровании аустенитых и дуплексных нержавеющих сталей являются выкрашивание режущих кромок, возникающее в результате возникновения термических трещин, образование проточин и наростов и налипание материала. Среди характерных дефектов деталей можно назвать образование заусенцев и низкое качество обработанных поверхностей.


Термические трещины


Выкрашивание режущих кромок


Образование заусенцев и низкое качество обработанных поверхностей

  • Во избежание образования наростов на режущих кромках выбирайте высокую скорость резания (v c = 150 – 250 м/мин).
  • Работайте без применения СОЖ для минимизации риска возникновения термических трещин
  • Иногда необходимо применять СОЖ, предпочтительно в виде масляного тумана или тончайшей плёнки для улучшения качества поверхности. При чистовом фрезеровании риск возникновения термических трещин снижается, так как в зоне резания выделяется меньшее количество тепла.
  • Используйте сплавы типа кермет для обеспечения высокого качества поверхности при работе без СОЖ
  • Слишком низкое значение подачи f z может вызвать чрезмерный износ пластины, так как в этом случае режущая кромка будет работать в поверхностно упрочнённой зоне.

Фрезерование чугуна

Существует пять основных типов чугуна:

  • Серый чугун (GCI)
  • Чугун с шаровидным графитом (NCI)
  • Ковкий чугун (MCI)
  • Отпущенный ковкий чугун (ADI)

Серый чугун (GCI)

Классификация материала: K2.x

Основными видами износа при фрезеровании серого чугуна являются абразивный износ по задней поверхности и термические трещины. Среди характерных дефектов деталей можно назвать выкрашивания в области выхода фрезы из резания и низкое качество обработанных поверхностей.


Типичный износ пластины​


Выкрашивание на детали​​

  • Работайте без применения СОЖ для минимизации риска возникновения термических трещин Используйте твердосплавные пластины с покрытием большой толщины.
  • В случае выкрашивания материала заготовки:
    • Проверьте износ по задней поверхности
    • Уменьшите подачу f z для уменьшения толщины стружки.
    • Выберите более острую геометрию
    • Предпочтительно используйте фрезы с углом в плане 65/60/45 градусов
  • При необходимости применения СОЖ для осаждения частиц пыли выбирайте соответствующие марки сплавов.
  • Первым выбором всегда должен быть твёрдый сплав с покрытием. Однако возможно также использование керамики. Помните, что скорость резания v c должна быть очень высокой: от 800 до 1000 м/мин. Образование заусенцев на заготовке ограничивает скорость резания. Не применяйте СОЖ.
  • Используйте твердосплавные пластины с тонким покрытием или без покрытия.
  • Для чистовой обработки с высокой скоростью резания можно использовать сплавы на основе CBN. Не применяйте СОЖ.

Чугун с шаровидным графитом

Классификация материала: K3.x

Обрабатываемость ферритного и ферритно-перлитного чугуна с шаровидным графитом очень близка к обрабатываемости низколегированных сталей. В связи с этим при выборе инструментов, сплавов и геометрий пластин можно руководствоваться общими рекомендациями для фрезерования сталей.

Перлитный чугун с шаровидным графитом является более абразивным материалом, поэтому для него рекомендуется использовать сплавы для обработки чугуна.

Для получения оптимальных результатов используйте сплавы с покрытием PVD и СОЖ.

Чугун с вермикулярным графитом (CGI)

Классификация материала: K4.x

Данный тип чугуна CGI нередко имеет на 80% перлитную структуру и чаще всего подвергается обработке фрезерованием. В качестве типичных деталей можно назвать блоки двигателей, головки блоков цилиндров и выпускные коллекторы.

Круговое фрезерование может стать отличной альтернативной традиционному растачиванию цилиндров из CGI.​

Отпущенный ковкий чугун (ADI)

Классификация материала: K5.x

Как правило, черновая обработка выполняется в незакалённом состоянии и может быть сравнима с фрезерованием высоколегированной стали.

Напротив, чистовая обработка выполняется по закалённому материалу, который отличается высокой абразивностью. Этот процесс можно сравнить с фрезерованием закалённых сталей группы ISO H. В связи с этим предпочтительно использовать сплавы с высокой стойкостью к абразивному износу.

По сравнению с фрезерованием чугуна с вермикулярным графитом стойкость инструмента при обработке отпущенного ковкого чугуна ниже примерно на 40%, а силы резания – выше примерно на 40%.

Фрезерование цветных металлов

Группа цветных металлов включает не только алюминиевые сплавы, но также сплавы на основе магния, меди и цинка. Обрабатываемость может быть различной, в первую очередь в зависимости от содержания кремния. Самым распространённым типом является доэвтектический алюминий с содержанием кремния ниже 13%.

Алюминий с содержанием кремния ниже 13%

Классификация материала: N1.1-3

Основными видами износа является наростообразование и налипание материала на режущие кромки, что ведёт к образованию заусенцев и ухудшению качества обработанных поверхностей. Для предотвращения появления царапин на поверхностях деталей важное значение имеет нормальное образование и эвакуация стружки.

Режущая пластина с вставками из PCD

  • Используйте пластины с вставками из PCD и острой, полированной режущей кромкой для хорошего дробления стружки и предотвращения образования наростов.
  • Выбирайте пластины с положительной геометрией и острыми режущими кромками.
  • В отличие от фрезерования других материалов, обработка алюминиевых сплавов должна всегда осуществляться с применением СОЖ. Это позволяет предотвратить налипание материала на режущие кромки и улучшить качество обработанных поверхностей.
    • Содержание кремния < 8%: Используйте СОЖ с концентрацией 5%.
    • Содержание кремния 8–12%: Используйте СОЖ с концентрацией 10%.
    • Содержание кремния > 12%: Используйте СОЖ с концентрацией 15%.
  • Более высокая скорость резания, как правило, способствует улучшению результатов и не оказывает негативного влияния на стойкость инструмента.
  • Рекомендуется выбирать значение h ex в диапазоне от 0,10 до 0,20 мм. Слишком низкие значения могут приводить к образованию заусенцев.

Внимание: не допускайте превышения максимальной частоты вращения фрезы.

  • В связи с высокой минутной подачей выполняйте обработку на станках с функцией расчёта траектории на основе упреждающего считывания и анализа кода программы во избежание нарушения размеров.
  • Стойкость инструмента часто ограничивается образованием заусенцев и низким качеством обработанных поверхностей часто. Износ пластин не может являться критерием стойкости инструмента.

Фрезерование жаропрочных сплавов (HRSA)

Жаропрочные сплавы (HRSA) можно разделить на три группы: сплавы на основе никеля, железа и кобальта. Титан может быть технически чистым или входить в состав сплава. Как жаропрочные, так и титановые сплавы характеризуются плохой обрабатываемостью, в особенности после старения, что предъявляет особые требования к режущим инструментам.

Жаропрочные сплавы и титан

Фрезерование жаропрочных сплавов и титана нередко требует использования станков с высокой жёсткостью, а также с высокой мощностью и крутящим моментом при низкой частоте вращения. Образование проточин и выкрашивание кромки – это самые распространённые типы износа. Выделение большого количества тепла ограничивает скорость резания.


Используйте круглые пластины для минимизации образования проточин

  • По возможности всегда используйте круглые пластины для усиления эффекта утончения стружки
  • При глубине резания менее 5 мм главный угол в плане должен составлять менее 45°. Как показывает практика, лучше всего использовать круглые пластины с положительной геометрией
  • Высокая точность фрезы в осевом и радиальном направлении имеет важное значение для поддержания постоянной нагрузки на зуб и стабильности процесса и позволяет избежать повреждения отдельных пластин фрезы
  • Рекомендуется выбирать пластины с положительной геометрией и оптимизированным округлением режущих кромок во избежание налипания стружки на выходе кромки из резания
  • Эффективное число зубьев, участвующих в процессе резания, должно быть максимально возможным Это обеспечит хорошую производительность при условии надлежащей стабильности. Используйте фрезы с мелким шагом

= стойкость инструмента
= снижение стойкости инструмента при увеличении режимов резания

Изменение режимов резания в разной степени влияет на стойкость инструмента. Самое большое влияние имеет скорость резания v c , затем a e и т. д.

СОЖ

В отличие от фрезерования большинства других материалов, обработка должна всегда осуществляться с применением СОЖ. Это позволяет облегчить снятие стружки, ограничить выделение тепла в зоне резания и предотвратить вторичное резание стружки. При этом предпочтительным является подвод СОЖ через шпиндель/инструмент под высоким давлением (70 бар) вместо наружного подвода при низком давлении.


Подвод СОЖ через инструмент
даёт определённые преимущества при
использовании твердосплавных пластин

Износ режущих пластин/инструмента

Самыми распространёнными причинами поломки инструмента и плохого качества обработанных поверхностей являются образование проточин, чрезмерный износ по задней поверхности и выкрашивание режущей кромки.

Лучший способ избежать этого – регулярная смена режущих кромок, гарантирующая надёжный и стабильный процесс. Износ по задней поверхности не должен превышать 0,2 мм для фрез с главным углом в плане 90 градусов, и максимум 0,3 мм для круглых пластин.


Типичный износ пластины​

Фреза с керамическими пластинами для черновой обработки жаропрочных сплавов

Скорость резания при использовании керамических пластин, как правило, в 20–30 раз выше скорости при использовании твёрдого сплава, при более низкой подаче (~0,1 мм/зуб), результатом чего становится более высокая производительность. Благодаря прерывистому характеру резания во время этой операции выделяется меньше тепла, чем при точении. Благодаря этому скорость резания может достигать 700–1000 м/мин при фрезеровании по сравнению с 200–300 м/мин при точении.

  • Используйте преимущественно круглые пластины для обеспечения малого главного угла в плане и предотвращения образования проточин
  • Не применяйте СОЖ.
  • Не используйте керамику для обработки титана.
  • Керамика оказывает негативное влияние на свойства поверхности и поэтому не должна использоваться на чистовых этапах обработки.
  • Максимальный износ по задней поверхности при использовании керамических пластин для обработки жаропрочных сплавов составляет 0,6 мм.

Фрезерование закалённых сталей

Эта группа включает закалённые и отпущенные стали с твёрдостью > 45–65 HRC.

Типичные детали для обработки фрезерованием:

  • Чеканочные штампы из инструментальной стали
  • Пресс-формы
  • Ковочные штампы
  • Литейные штампы
  • Топливные насосы

Основными проблемами являются абразивный износ по задней поверхности пластин и выкрашивание материала заготовки.

  • Используйте пластины с положительной геометрией и острыми режущими кромками. Это позволит уменьшить силы резания и обеспечить более плавный процесс резания.
  • Работайте без применения СОЖ.
  • Подходящим методом является трохоидальное фрезерование, которое предполагает высокую минутную подачу в сочетании с низкими силами резания, что способствует уменьшению температуры на режущей кромке и заготовке и, как следствие, положительно влияет на производительность, стойкость инструмента и размерную точность деталей.
  • При торцевом фрезеровании также рекомендуется использовать стратегию обработки, которую можно охарактеризовать как «лёгкая и быстрая», то есть с малой глубиной резания a e и a p . Используйте фрезы с мелким шагом и выбирайте относительно высокую скорость 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 TiO 2 . 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:

  • предварительные;
  • промежуточные;
  • основные.

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.

Резка и мех.обработка

Титан и его сплавы плохо обрабатываются резанием, что обусловлено рядом физико-механических свойств титана. Титановые сплавы отличаются высоким отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыва. Это соотношение составляет для титановых сплавов 0,85-0,95, в то время как для сталей оно равно 0,65-0,75. В итоге при механической обработке титановых сплавов возникают большие удельные усилия, что приводит к высоким температурам в зоне резания, обусловленным низкой тепло- и температуропроводностью титана и его сплавов, затрудняющей отвод тепла из зоны резания. Из-за сильной адгезии и высоких температур титан налипает на режущий инструмент, что вызывает значительные силы трения. Налипание и приваривание титана на контактируемые поверхности режущего инструмента приводят также к изменению его геометрических параметров. Отклонение геометрических параметров режущего инструмента от оптимальных их значений приводит к дальнейшему повышению усилий обработки и температуры в зоне резания и износа инструмента. Температура в зоне резания наиболее сильно повышается с увеличением скорости резания, в меньшей степени - с увеличением подачи. Глубина резания по сравнению со скоростью и подачей оказывает еще меньшее влияние.

Трудоемкость механической обработки титановых сплавов в 3-4 раза больше, чем для углеродистых сталей, и в 5-7 раз выше, чем для алюминиевых сплавов.

По данным ММПП "Салют", коэффициент относительной обрабатываемости по отношению к стали 45 составляет 0,35-0,48 для титана и сплавов ВТ5 и ВТ5-1 и 0,22-0,26 для сплавов ВТ6, ВТ20 и ВТ22. При механической обработке титановых сплавов рекомендуются малые скорости резания при небольших подачах с обильной подачей охлаждающей жидкости. Для обработки титановых сплавов резанием применяют режущий инструмент из более износостойких быстрорежущих сталей, чем для обработки сталей, отдавая предпочтение твердым сплавам. Однако даже при соблюдении всех описанных мероприятий режимы резания, особенно скорости, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3-4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.

Усилия резания и температуры в зоне резания могут быть существенно снижены механоводородной обработкой, включающей в себя наводороживание, механическую обработку и вакуумный отжиг. Легирование титановых сплавов водородом приводит к значительному снижению температур в зоне резания, уменьшению сил резания, повышению стойкости твердосплавного инструмента в 2-10 раз в зависимости от режимов резания и природы сплава. Этот позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза при сохранении других параметров резания или применять более высокие подачи и глубины резания, не меняя скорости резания.

При высоких температурах, которые развиваются в зоне резания, титановая стружка и обрабатываемая деталь окисляются. Окисление стружки создает проблемы, связанные с её очисткой при вовлечении отходов в плавку и других способах её утилизации. Окисление поверхности обрабатываемых деталей в недопустимой степени может привести к снижению эксплуатационных характеристик.

При изготовлении деталей и конструкций из титановых сплавов применяют все виды механической обработки: точение, фрезерование, сверление, шлифование, полирование.

Важной особенностью механической обработки деталей из титановых сплавов является необходимость обеспечения ресурсных, в особенности усталостных, характеристик, которые в решающей степени обусловлены качеством поверхностного слоя, образующегося после обработки резанием. Вследствие низкой теплопроводности и высокой химической активности обрабатываемого материала применение шлифования как процесса финишной обработки для титановых сплавов ограничено. При шлифовании титановых сплавов легко образуются прижоги, которые существенно снижают усталостную прочность. Кроме того, при шлифовании в поверхностном слое возникают остаточные напряжения растяжения и дефектные структуры, также снижающие усталостную прочность. Поэтому шлифование, если оно используется при обработке деталей из титановых сплавов, должно проводиться при пониженных скоростях и по возможности заменяться лезвийной обработкой либо низкоскоростными методами абразивной обработки, такими, например, как хонингование. Если же применяется шлифование, оно должно выполняться при строго регламентированных режимах с последующим контролем на отсутствие прижогов и сопровождаться упрочнением поверхностным пластическим деформированием (ППД).

Из-за больших усилий резания для механической обработки титана и его сплавов применяют, в основном, станки крупных моделей (ФП-7, ФП-9, ФП-27, ВФЗ-М8 и др.). Наиболее трудоемким процессом при изготовлении деталей является фрезерование. Особенно большие объемы фрезерных работ приходятся на изготовление силовых деталей каркаса самолета: шпангоуты, траверсы, лонжероны, нервюры, балки.

При разработке и внедрении технологии механической обработки деталей из титановых сплавов достаточно широко используются малооперационные технологические процессы за счет совмещения нескольких операций в одну при выполнении её на одно- и многоинструментальном оборудовании. Эти технологические операции наиболее целесообразно выполнять на многооперационных станках (обрабатывающих центрах). Так, например, силовые детали из штамповок изготавливают на станках ФП-27С, ФП-17СМН, МА-655А; детали типа "корпус", "колонка", "кронштейн" из штамповки и фасонной отливки - на станках МА-655А, Me-12-250, "Горизон", панели из листа - на станке ВФЗ-М8. На этих станках при обработке многих деталей реализуется принцип "максимальной" законченности обработки в одной операции, что достигается установкой на стол станка одновременно нескольких различных приспособлений с последовательной обработкой детали с двух и более сторон по одной программе.

Фрезерование переменных малок при изготовлении деталей типа "нервюра", "балка", "траверса" осуществляется несколькими методами:
1) на универсально-фрезерных станках с помощью специальных механических или гидравлических копиров;
2) на гидравлических копирно-фрезерных станках по копирам;
3) на трехкоординатных станках с ЧПУ:
- специальными сборными фрезами с изменяемым в процессе обработки углом;
- фасонными выпуклыми и вогнутыми радиационного профиля фрезами;
- концевыми фрезами с приведением к цилиндрической поверхности путем наклона детали к плоскости стола под определенным углом;
4) на многокоординатных станках с ЧПУ типа ФП-14, ФП-11, МА-655С5.

Для механической обработки авиационных материалов в нашей стране разработан ряд станков, соответствующих лучшим мировым образцам, а иногда и не имеющих аналогов в мировой практике:
- продольно-фрезерный трехкоординатный трехшпиндельный станок ВФ-33 с ЧПУ, предназначенный для одновременной обработки тремя шпинделями монорельсов, панелей, балок, нервюр и других деталей легких и тяжелых самолетов;
- продольно-фрезерный четырехкоординатный трехшпиндельный станок 2ФП-242В с двумя подвижными порталами и ЧПУ, предназначенный для обработки крупногабаритных панелей и лонжеронов переменной малкой для широкофюзеляжных и тяжелых самолетов;
- горизонтально-фрезерно-расточный пятнадцати координатный с ЧПУ станок ФРС-1 с подвижной колонной; он предназначен для обработки стыковых поверхностей крыла и центроплана широкофюзеляжных самолетов;
- гибкий производственный модуль СГПМ-320, включающий в себя токарный станок с ЧПУ АТ-320 с магазином на 13 инструментов и автоматический манипулятор установки и съема детали, управляемые от ЧПУ;
- гибкий производственный комплекс АЛК-250, предназначенный для изготовления прецизионных корпусных деталей гидроагрегатов.

Для обеспечения оптимальных условий резания и высокого качества поверхности деталей следует строго соблюдать геометрические параметры инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сплавов.

Точение кованых заготовок осуществляется резцами с пластинками из твердого сплава ВК8. При обработке по газонасыщенной корке рекомендуют следующие геометрические параметры резцов: передний угол γ=0°; задний угол α = 12°; главный угол в плане φ1 = 45°, вспомогательный угол в плане φ = 14°. Режимы резания: скорость резания v = 25 - 35 м/мин, подача s = 0,5 - 0,8 мм/об, глубина резания t не менее 2 мм.

При чистовом и получистовом непрерывном точении применяют инструмент из твердых сплавов ВК4, ВК6, ВКбм, ВК8 и др. при подаче s = 0,1 - 1,0 мм/об, скорости резания v = 40 - 100 мм/мин и глубине резания t = 1 - 10 мм. Возможно также применение инструмента из быстрорежущей стали (Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8). Рекомендуемые геометрические параметры резцов из быстрорежущей стали: задний угол α = 10°, φ = 15°, радиус при вершине r = 1 мм. Режимы резания при точении титана v = 24 - 30 м/мин, s t = 0,5 - 3 мм.

Фрезерование титана и его сплавов затруднено из-за налипания титана на зубья фрезы и их выкрашивания. Для рабочих частей фрез применяют твердые сплавы ВК4, ВК6М, ВК8 и быстрорежущие стали Р8МЗК6С, Р9К5, Р9К10, Р6М5К5, Р9М4К8. При фрезеровании титана фрезами с пластинками из сплаваВК6М рекомендуют следующие режимы резания: s = 0,08 - 0,12 мм/зуб, v = 80 - 100 м/мин, t = 2 - 4 мм.

Сверление титана и его сплавов также осуществляется с трудом из-за налипания стружки титана на рабочие поверхности инструмента и ее скопления в отводящих канавках сверла, что приводит к сильному повышению сопротивления резания и быстрому износу сверл. Поэтому при сверлении глубоких отверстий необходимо периодически выводить инструмент для очистки его от стружки. Для сверления применяют инструмент из быстрорежущих сталей Р9К5, Р9К10, Р18Ф2, Р9Ф5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р12Ф2К8МЗ и твердого сплава ВК8. Рекомендуемые геометрические параметры сверл: φ = 0 - 3°, α = 12 - 15°, 2φ = 120 - 130°, 2φ0 = 70 - 80°, угол наклона спиральной канавки 25-30°.

Для увеличения производительности механической обработки титановых сплавов резанием и повышения стойкости режущего инструмента применяют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости типа РЗ СОЖ-8. Охлаждение обрабатываемых деталей осуществляют методом обильного полива. Использование галлоидосодержащих жидкостей при механической обработке приводит к образованию на поверхности титановых деталей солевой корки, которая при повышенных температурах и одновременном действии напряжений вызывает солевую коррозию. Поэтому детали, обрабатываемые с применением РЗ СОЖ-8, после механической обработки подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005-0,010 мм. При сборочных и механосборочных операциях не допускают применения РЗ СОЖ-8.

Обрабатываемость титановых сплавов резанием существенно зависит от их химического и фазового состава, типа и параметров микроструктуры. Наиболее трудно обрабатываются резанием титановые полуфабрикаты и детали с грубой пластинчатой структурой. Такую структуру имеют, в частности, фасонные отливки. Кроме того, фасонное литье из титана и его сплавов имеет на поверхности газонасыщенную корку, которая сильно изнашивает инструмент.

Шлифование титановых деталей связано с определенными трудностями, что обусловлено высокой склонностью к контактному схватыванию при трении. Относительно тонкая оксидная пленка на титане легко разрушается при трении под воздействием высоких удельных нагрузок в точках контакта из-за более высокой пластичности титана по сравнению с оксидной пленкой. При трении в точках контакта двух поверхностей происходит активный перенос обрабатываемого материала на инструмент - "схватывание". Этому способствуют и другие свойства титана: повышенная упругая деформация из-за сравнительно низкого модуля упругости, более низкая теплопроводность. Благодаря выделению теплоты трущаяся поверхность обогащается газами из окружающей среды и происходит образование оксидных пленок, что повышает прочность поверхностного слоя.

При обработке титановых сплавов применяют шлифование абразивными кругами и ленточное шлифование. Для титановых сплавов наибольшее распространение в промышленности получили абразивные круги из зеленого карбида кремния, обладающего большими твердостью и хрупкостью, стабильностью физико-механических свойств и более высокой абразивной способностью, чем черный карбид кремния.

Основным способом окончательной обработки сложных криволинейных поверхностей деталей из титановых сплавов является ленточное шлифование. К преимуществам применения абразивных лент при формообразовании сложных фасонных поверхностей относится возможность обработки с линейным или поверхностным контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью, что значительно сокращает число формообразующих движений станка.

Обработку деталей с линейным контактом осуществляют методом обкатки. При обработке деталей методом обкатки форма инструмента сопряжена с формой обрабатываемой поверхности детали. Формообразование обрабатываемой поверхности происходит путем обкатки детали по заданной траектории вокруг.

Шлифование методом обкатки, например лопаток компрессора ГТД, производят абразивными кругами (сопряженное шлифование) или широкой абразивной лентой на станках ХШ-185, ХШ-186, MB-885, 381ЗД. При соответствующем подборе ширины ленты одновременно шлифуется вся обрабатываемая поверхность с одной стороны. Этот метод отличается высокой производительностью, и его широко применяют в промышленности при шлифовании деталей небольших размеров. Для лопаток с длиной пера более 120 мм наиболее рациональным является строчечный метод обработки узкой абразивной лентой, позволяющий достигать большой точности. Строчечный метод шлифования применяется в станках 4ШСЛ-7, ЛШ-1, ЛШ1А, ЛШ2. Обработку на них производят продольными строчками, причем направление подачи детали перпендикулярно плоскости перемещения абразивной ленты.

Продольная подача детали s осуществляется за счет возвратно-поступательного перемещения стола станка. Дискретное вращение заготовки вокруг оси обеспечивает круговую подачу s . При обработке на станке ЛШ-1 устанавливается определенная сила контактного давления Р между обрабатываемой заготовкой и абразивной лентой, которая регулируется компенсирующими пружинами.
Сложной операцией является шлифование пересекающихся поверхностей деталей, сопряженных по радиусу (например, поверхностей прикомлевых участков лопаток компрессора), которое выполняют методами обкатки и копирования. При формообразовании поверхностей методом копирования рабочие поверхности контактного копира должны быть эквидистантны на толщину абразивной ленты обрабатываемым поверхностям. Ширина ленты может превышать ширину обрабатываемой поверхности или составлять часть ее. В последнем случае формообразование радиусных участков производится поперечным движением лент относительно детали. В промышленности по этому принципу работает много станков: ЗЛШ-5 (ЗЛШ-52), ЗЛШ-9 (ЗЛШ-91) и др. Обрабатываемая деталь подается по нормали к поверхности на врезание под действием силы 50-100 Н к контактному копиру, который огибает абразивная бесконечная лента. Сила натяжения ленты составляет 10-30 Н на 10 мм ширины ленты. При обработке поверхностей с малым радиусом сопряжений стойкость лент существенно уменьшается.

До последнего времени полагали, что шлифовать титановые сплавы алмазными кругами неэффективно из-за химического сродства титана и углерода, что приводит к сильному изнашиванию режущих кромок алмазных зерен и последующему засаливанию поверхности инструмента. К тому же при алмазном шлифовании в поверхностном слое формируются остаточные растягивающие напряжения. К настоящему времени удалось создать алмазные круги на специальных металлических связках, которые синхронизировали процесс сглаживания режущих кромок зерен с их выкрашиванием из связки и обновлением рабочей поверхности инструмента, т.е. обеспечили самозатачивание алмазного круга. Алмазное шлифование успешно применяется на ММПП "Салют" при шлифовании пера лопаток компрессора.

Разновидностью алмазного шлифования является обработка детали с наложением постоянного тока. Шлифование осуществляют в электролите, при этом алмазный круг служит анодом. Анодное растворение связки круга и титана на поверхности круга позволяет поддерживать постоянные режущие свойства круга. Электрохимическое алмазное шлифование, как правило, формирует в поверхностном слое обрабатываемой детали благоприятные сжимающие напряжения.

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 < 1, т. е. стружка имеет большую длину, чем путь резания. Подобное явле­ние объясняется высокой химической активностью титана.

Пониженная пластичность приводит к тому, что при обработке титановых сплавов сила Р Z примерно на 20 % ниже, чем при обработке сталей, а силы Р у и Р х - выше. Это различие указывает на характерную особен­ность титановых сплавов - силы резания на задней по­верхности при их обработке относительно больше, чем при обработке сталей. Как следствие, при увеличении износа силы резания, особенно Ру, резко возрастают.

2. Высокая химическая активность к кислороду, азоту, водороду. Это вызывает интенсивное охрупчивание поверхностного слоя сплавов вследствие диффузии в него атомов газов при повышении температуры. Насыщенная атмосферными газами стружка теряет пластичность и в этом состоянии не подвергается обычной усадке.

Высокая активность титана по отношению к кислороду и азоту воздуха в 2…3 раза снижает площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что не наблюдается при обработке конструкционных сталей. Вместе с тем окисление контактного слоя стружки повы­шает ее твердость, увеличивает контактные напряжения и температуру резания, а также повышает интенсивность изнашивания инструмента.

3. Титановые сплавы имеют чрезвычайно плохую тепло­проводность, более низкую, чем у жаропрочных сталей и сплавов. Как следствие, при резании титановых сплавов возникает температура, более чем в 2 раза превышающая уровень температур при обработке стали 45.

Высокая температура в зоне резания вызывает интенсивное наростообразование, схватывание обрабатываемо­го материала с материалом инструмента и появление задиров на обработанной поверхности.

4. Вследствие содержания в титановых сплавах нитри­дов и карбидов материал режущего инструмента в сильной степени подвержен абразивному воздействию. Однако при повышении температуры титановые сплавы сильнее снижают свою прочность, чем нержавеющие и жаропроч­ные стали и сплавы. Обработка резанием по корке многих кованых, прессованных или литых заготовок из титановых сплавов затруднена дополнительным абразивным воз­действием на режущие кромки инструмента неметалли­ческих включений, оксидов, сульфидов, силикатов и много­численных пор, образующихся в поверхностном слое. Неоднородность структуры снижает виброустойчивость процесса обработки титановых сплавов. Эти обстоятельст­ва, а также концентрация значительного количества теплоты в пределах небольшой площадки контакта на передней поверхности приводят к преобладанию хрупкого изнашивания с периодическим скалыванием по передней и задней поверхностям и выкрашиванию режущей кромки. При высоких скоростях резания интенсифицируется теп­ловое изнашивание, на передней поверхности резца разви­вается лунка. Во всех случаях, однако, лимитирующим является износ его задней поверхности.

Уровень скорости резания V T при обработке титановых сплавов в 2,5…5 раз ниже, чем при обработке стали 45 (см. табл. 11.11).

5. При обработке титановых сплавов особое внимание необходимо уделять вопросам техники безопасности, так как образование тонкой стружки и тем более пыли может привести к ее самовоспламенению и интенсивному горе­нию. Кроме того, пылеобразная стружка вредна для здоровья. Поэтому не допускается работа с подачами менее 0,08 мм/об, использование затупленного инстру­мента с износом более 0,8...1,0 мм и со скоростями резания более 100 м/мин, а также скопление стружки в большом объеме (исключение делается для сплава ВТ1, обработка которого разрешается при скоростях резания до 150 м/мин).

При обработке титановых сплавов широко используют­ся технологические среды (табл. 11.12).

Правильный выбор СОТС может повысить период стойкости инструмента в 1,5…3 ра­за, снизить высоту микронеровностей в 1,5…2 раза. Харак­терной особенностью использования СОТС при обработке титановых сплавов является малая эффективность при­садок, содержащих серу, азот, фосфор, поскольку эти элементы хорошо растворимы в титане. Гораздо более эффективны в качестве присадок галогены, и в первую очередь йод.

Высокотемпературная прочность увеличивает силу резания при механической обработке. Высокое упрочнение и большая скорость деформации также увеличивают энергию, необходимую для удаления стружки, что приводит к более высоким температурам. Титан реагирует практически со всеми материалами при высоких температурах, приводя к химическому износу режущих инструментов.

Кроме того, низкая теплопроводность титановых сплавов является одним из факторов, ограничивающих производительность. В большинстве других материалов тепло передается в стружку. Однако при низкой теплопроводности титана тепло переходит в инструмент. Твердость карбида снижается по мере повышения температуры, что означает, что скорость резания и срок службы инструмента ниже для обработки титана по сравнению со сталью. Когда скорость резания увеличивается с 50 м / мин. до 100 м / мин. в титане анализ FEA предсказывает повышение температуры на 250ºC.


Поэтому для оптимизации производительности инструменты должны надлежащим образом охлаждаться. Правильный расход охлаждающей жидкости означает улучшенный срок службы инструмента и более высокие максимальные эффективные скорости резания. Если он не охлаждается должным образом, инструмент быстро нагревается. Это может сократить срок службы инструмента и повлиять на чистоту поверхности из-за появления наростов на режущей кромке, которые возникают, когда материал заготовки липнит на режущую кромку.


Традиционное внешнее охлаждение, предназначенное для обработки, часто попадает за зону резания, а заказные решения высокого давления (1000 мм на квадратный метр или выше) могут стоить десятки тысяч рублей. Альтернативой является поставка охлаждающей жидкости через внутренние отверстия.
При таком подходе СОЖ попадает туда, где инструмент режет заготовку, обеспечивая эффективную подачу хладагента, теплопередачу и смазывающую способность. Испытания жизненного цикла инструмента, сравнивающие внешнее охлаждение с внутренней подачей СОЖ на одинаковых геометриях режущих кромок, показывают более чем в два раза увеличенный срок службы инструмента при внутренней подачи.

При токарных испытаниях при 150 sfm, сравнивающих этот инструмент с внешней подачей СОЖ при обработке титана, пластины Beyond Blast при давлении охлаждающей жидкости 100 фунтов на квадратный дюйм обеспечивали на 25 процентов больше срока службы инструмента, чем стандартные пластины с использованием СОЖ высокого давления 1000 psi.


При использовании вставных круглых фрезерных пластин, внутренняя подача обеспечивает более чем в 2,5 раза лучший срок службы инструмента. Увеличение скорости также сильно влияет на срок службы инструмента. Простое увеличение скорости от 150 до 187 SFF на стандартном инструменте уменьшает срок службы инструмента на 60 процентов. С помощью внутренних отверстий для охлаждающей жидкости срок службы инструмента уменьшался всего на 23 процента при увеличении скорости. Срок службы этих фрезерных инструментов на более высокой скорости был почти в два раза больше, чем стандартные инструменты на низкой скорости. Это связано с эффективным регулированием температуры, обеспечиваемым этим подходом к доставке хладагента.


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.


Максимизация динамической жесткости системы

При механической обработке с установками с удлиненной длиной могут возникать нежелательные регенеративные колебания (вибрации) и вызывать плохую обработку поверхности, проблемы с контролем размеров и преждевременный износ инструмента. Технологи часто вынуждены сокращать параметры резания, чтобы избежать вибраций, уменьшая производительность.

Это важно, когда волнистость на заготовке, оставленной предыдущим проходом, вызывает колебания сил резания из-за изменения толщины стружки на следующей операции. Это изменение силы резания затем оставляет больше волнистости на заготовке, вызывая большее изменение сил резания, что приводит к регенеративной вибрации. Амплитуда вибрации растет и может достигать уровней, где инструмент отскакивает от заготовки или вызывает катастрофические отклонения.

Способ уменьшить вибрацию и поддерживать высокие скорости удаления металла - увеличить динамическую жесткость системы. В то время как статическая жесткость инструмента может быть увеличена за счет использования более коротких настроек инструмента или более крупных диаметров инструмента, система инструментов из Kennametal обеспечивает средства для повышения динамической жесткости за счет использования пассивного динамического поглотителя. Система разработана так, что внутренняя масса будет вибрировать на частоте, близкой к собственной частоте наиболее доминирующего режима вибрации системы. Движение внутренней массы рассеивает энергию для предотвращения вибраций.

Каждый станковый инструмент имеет свои собственные динамические колебания, но настраиваемые адаптеры позволяют наладчику настраивать пассивный демпфер, настраивая инструмент для конкретной сигнатуры станка, даже если эти колебания меняется со временем. Эта настройка также важна, когда используются фрезы с различными массами, в которых может изменяться собственная частота системы.


В тестах металлообработки наблюдалась хорошая корреляция между динамической жесткостью и уровнями вибрации, измеренными на корпусе шпинделя. Вибрации могут не только вызывать преждевременный сбой инструмента, но и уменьшать срок службы подшипника шпинделя. Предотвращение распространения вибрации через машину будет способствовать увеличению срока службы компонентов и повышению точности работы машины с течением времени.Другими словами, использование системного подхода к обработке титана дает преимущества, превышающие срок службы инструмента. Другие преимущества включают более последовательное и улучшенное качество деталей, улучшенную производительность шпинделя и более высокую точность станков.

Концепции сверления

Широкий запас противовесов заставляет действовать против маятникового движения сверла.

Сверление в титане - еще одна сложная задача. Благодаря механическим и физическим свойствам этого материала создание отверстий высокого качества с точки зрения прямолинейности, цилиндричности и округлости является сложной задачей. Высокие динамические силы обычно связаны с быстрой сегментацией стружки, которая в случае титана происходит при очень низких скоростях резания.

В сверле Y-Tech фирмы Kennametal используется неравномерное расстояние между канавками и канавками для управления этими динамическими силами, а также маятниковое движение сверла. Положение режущих кромок создает радиальную силу, уравновешенной противоположной канавкой, прижатой к стенке отверстия. Это распределение сил уменьшает динамическое воздействие силы, что приводит к лучшей округлости и цилиндричности просверленного отверстия.

Похожие статьи