Механическая резка и обработка титана

Механическая резка, обработка титана и титаносодержащих сплавов предъявляет очень высокие требования к оборудованию и накладывает определенные ограничения на использование стандартных технологий. Для титана характерен значительный коэффициент отношения прочности к весу в сочетании с небольшим модулем упругости. По этой причине материал при механическом воздействии генерирует концентрированные силы резания, в свою очередь, вырабатывающие сильные вибрации. Неудовлетворительная теплопроводность провоцирует образование избыточной тепловой энергии в зоне реза, что может привести к деформационному упрочению готовых изделий. При механической резке, обработке титановых сплавов важную роль играют ресурсные (в особенности усталостные) характеристики, напрямую зависящие от свойств поверхностного слоя. На степень обрабатываемости материала влияет не только его химическая составляющая, но и особенности микроструктуры. Наибольшую сложность представляет резка и сверление грубых пластинчатых сплавов с газонасыщенным верхним слоем. Трудоемкость процесса в 3-4 раза превосходит аналогичные показатели сплавов из углеродистых сталей, в 5-7 раз – показатели алюминия. Для снижения энергозатрат необходимо соблюдение следующих условий:

• применение качественного режущего инструмента, изготовленного из твердых сплавов либо прочной стали;
• использование минимальных оборотов станка;
• непрерывная подача охлаждающих жидких составов.

Виды механической обработки титана

Среди способов механической обработки титана выделяют резку, фрезеровку, шлифовку и сверление.

Резка титана

Уровень прочностных показателей титаносодержащих сплавов крайне осложняет их резку. Из-за высокого коэффициента соотношения предела текучести к длительности сопротивления разрыву (примерно 0,85-0,95) механическая резка титана требует значительных энергозатрат. Недостаточная теплопроводность провоцирует стремительное и неравномерное повышение температуры в зоне реза, что усложняет процесс охлаждения. Адгезия способствует накоплению стружки на режущей кромке, что увеличивает силу трения. Прилипание отработанных частиц материала в местах прямого контакта меняет заданную геометрию режущих приспособлений. Любые отклонения от заданной конфигурации провоцируют дальнейшее увеличение прилагаемых усилий и повышение уровня нагрева. Под влиянием высоких температур запускается процесс окисления — образовавшая пленка значительно ухудшает эксплуатационные свойства изделий. Уровень нагрева заготовки зависит от трех факторов (по убыванию значимости):

• скорость резания,
• сила подачи,
• глубина реза.

Для поддержания оптимальной температуры в зоне реза используют водородное легирование. Увеличенное содержание водорода в сплаве позволяет понизить силу реза и в несколько раз увеличить износоустойчивость твердосплавной фрезы (показатель зависит от природы сплава и выбранной технологии резки). Добавление водорода дает возможность сократить сроки обработки в два раза, не потеряв при этом в качестве. Азотирование или оксидирование деталей создает на поверхности сплава тончайшую пленку, способную препятствовать задиранию слоев и образованию избыточной стружки.

Фрезерование титана

Фрезерование считают самой трудоемкой операцией при изготовлении деталей из титановых сплавов. Механическая обработка титана предполагает использование тяжелых фрезеровочных станков высокой мощности. Различают несколько видов усиленных фрез:

1. Вогнутые или выпуклые фасонные.
2. Сборные (с регулируемым углом).
3. Концевые (с возможностью подводки под определенным углом).

Сверление титана

Процесс сверления титана сопровождается активным налипанием мельчайшей стружки на рабочую поверхность инструмента, что провоцирует засорение отводящих каналов сверла. В итоге сопротивление материала усиливается, режущая кромка быстро выходит из строя. Во избежание поломок требуется проводить периодическое очищение инструментария и использовать оборудование из твердых металлов.

Шлифовка титана

Специфические свойства титановых сплавов затрудняют финишную обработку. Под влиянием силы трения связи в оксидной пленке быстро разрушаются; в точках соприкосновения с оборудованием происходит активное налипание образовавшейся стружки на режущую кромку. Титановые сплавы склонны к появлению прижогов, образованию значимых дефектов на поверхности, высокому уровню остаточного напряжения и излишнему внутреннему растяжению. Эти факторы негативно влияют на усталостные характеристики готового изделия. Ухудшению качества деталей способствуют и другие свойства сплава, к примеру значительное повышение упругой деформации при сравнительно невысоком модуле упругости. По вышеперечисленным причинам шлифование титановых заготовок проводят исключительно на пониженных оборотах станка, задействуя специальные режимы. Для повышения качества детали упрочняют пластическим деформированием. На заключительном этапе осуществляют строгую проверку на наличие прижогов и других дефектов. Альтернативой шлифования служит лезвийная или абразивная обработка. Для окончательной шлифовки поверхности титана используют непрерывную абразивную ленту либо высокопрочные кремниевые круги.

Оптимизация механической резки, обработки титана

Титан — один из самых прочных металлов, поэтому его обработка подразумевает применение мощной техники и высокорезультативных технологий. Для решения сложных задач чаще всего используют мультизадачное оборудование — современные станки, способные объединить несколько операций. Обрабатывающие центры работают по принципам максимальной цикличности производства. Последовательную обработку каждой детали проводят при помощи разнопрофильных насадок, установленных на одном станке. Таким образом достигается оптимальная скорость проведения работы. Для механической резки, обработки титана подходят станки, адаптированные под манипуляции с вязкими и твердыми металлами. Они нацелены на снижение уровня возможных вибраций. Для уменьшения нежелательных эффектов проводят мероприятия по усилению жесткости крепления заготовки (как вариант — деталь крепят на небольшом расстоянии от шпинделя). Немаловажную роль играет качество выбранного инструментария и точное соблюдение его геометрических параметров. В промышленных масштабах используют фрезы и резцы из быстрорежущих сталей или твердых сплавов. Большое значение имеет точность торцевого и радиального биения инструмента: неправильная установка пластин, низкие допуски или высокая степень износа могут оказать негативное влияние на качество обработки. В процессе обработки титана обязательно используют галлоидосодержащие смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ). Активное орошение обрабатываемых деталей понижает степень нагрева в месте реза, повышает производительность и увеличивает срок службы применяемых сверл и фрез. СОЖ образует на поверхности титановых деталей солевую корку, при нагревании вызывающую коррозию. Чтобы избежать разрушения сплава, применяют облагораживающее травление. Во время этой процедуры снимают поверхностный слой толщиной в сотые доли миллиметра. В процессе финишных операций применение охлаждающих растворов не требуется.