Обработка титана. Сложности и нюансы при фрезеровании и точении.

Spread the love

Титан и его сплавы находят все более широкое применение в аэрокосмической и биомедицинской сферах, в которых используются его уникальные свойства. Однако обработка титана также представляет собой уникальные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры, привыкшие обрабатывать другие металлы. Здесь мы рассмотрим, почему обработка титана настолько сложна, и рассмотрим различные методы, которые можно использовать для получения наилучших результатов при обработке титана.

ПОЧЕМУ ТИТАН ТАКОЙ ПОПУЛЯРНЫЙ

В то время как алюминий и алюминиевые сплавы ранее были предпочтительными материалами в аэрокосмической промышленности, в новых конструкциях самолетов все чаще используются титан и титановые сплавы. Эти материалы также используются в биомедицинской промышленности. Причины их популярности включают легкий вес, высокую прочность, отличные усталостные характеристики и высокую устойчивость к агрессивным средам, отсутствие ржавчины и разрушения. Детали из титана служат дольше, обеспечивают лучшие характеристики и результаты, чем детали из других металлов и материалов.

Цель анодирования титана

В процессе анодирования изделие из титана покрывается оксидной пленкой, которая образуется из самого металла в результате электрохимической реакции.

Анодирование изделий из титана также называют анодным оксидированием. Если сравнивать анодирование в условиях промышленного производства с применением специального оборудования и самостоятельное покрытие оксидной пленкой, то, конечно, второй способ несколько уступает качеством результата. Но тем не менее металл, обработанный в домашних условиях, приобретает ряд неоспоримых преимуществ:

1. Оксидная пленка выполняет защитные функции, не позволяя влаге проникнуть к металлической основе изделия. Барьер предотвращает образование коррозии, что продлевает сроки эксплуатации предметов быта из титанового сплава.
2. Анодирование титана укрепляет поверхность изделия и делает его более устойчивым к различным видам внешних повреждений.
3. Металлические изделия после анодного оксидирования частично или полностью теряют способность проводить электрический ток.
4. Посуда с оксидным покрытием выдерживает длительный нагрев, обладает антипригарными свойствами и не выделяет токсичных веществ во время приготовлении пищи.
5. Если изделие из титана прошло оксидную обработку, это не является препятствием к другим видам обработки посредством гальванизации.
6. Регуляция силы тока и составляющих электролитической жидкости позволяют сделать оксидное покрытие не только более прочным, но и красивым. Применение красителей позволит придать изделию привлекательный внешний вид.

Анодирование титана в условиях производства позволяет провести более глубокую обработку деталей, однако даже в домашних условиях можно добиться повышения износостойкости металлических изделий.

ПОЧЕМУ ТИТАН ТАК ТРУДНО ОБРАБОТАТЬ

Сами свойства, которые делают титан таким полезным и высокоэффективным металлом, также являются свойствами, которые могут затруднить обработку. Так же, как при использовании алюминия и алюминиевых сплавов, до 90% материала может потребоваться фрезеровать и точить для изготовления конечной детали.

Титановые сплавы имеют низкий модуль продольной упругости, что вызывает вибрацию во время обработки. Это может привести к ухудшению качества поверхности готового продукта.

Из-за высокой склонности титана к деформационному упрочнению и липкости сплава во время токарной обработки и сверления образуется длинная непрерывная стружка, которая может запутать инструмент и затруднить его работу. Это практически исключает возможность автоматизации обработки титана.

Несмотря на эти неудачи, существуют методы, упрощающие обработку титана.

Технология сварки титана — описание и пошаговая инструкция с видео

Данный металл не относится к категории редких. В земной коре его значительно больше, чем, к примеру, свинца, цинка или меди. В титане удачно сочетаются небольшая плотность и прочность сплавов на его основе, а если учесть стойкость перед коррозией даже в агрессивной среде, то интерес к нему во многих отраслях промышленности вполне понятен.

Высокая цена на Ti (22-й элемент таблицы Менделеева) объясняется тем, что его обработка – процесс довольно сложный и затратный. Эта статья познакомит читателя с технологиями сварки титана.

Общая информация

Не зная свойств и особенностей металла и его сплавов, понять все нюансы сварки достаточно сложно.

• Плотность титана (г/см³) – 4,51.
• Прочность (МПа): металла – в пределах 267 – 337, сплавов – до 1 230.
• Температура плавления (ºС): 1668.

• Способность титана к самовозгоранию в кислородной среде.
• Низкая теплопроводность.
• Превышение значения температуры более 400 ºС инициирует активность металла.
• Титан интенсивно поглощает водород и бурно реагирует на контакт с азотом.
• Под воздействием углекислого газа, паров воды быстро окисляется.

Кроме этого, необходимо учитывать и то, что металл может находиться в одной из двух стабильных фаз, которые обозначают латинскими буквами α и β. Чем они характеризуются?

• Фаза α – в таком состоянии титан находится при температуре окружающей среды. Структура – мелкозернистая, и металл полностью инертен к скорости охлаждения.
• Фаза β – в такое состояние титан переходит при температуре от 880 ºС. Зерно становится крупнее, и появляется чувствительность к охлаждению (скорости процесса).

Указанные фазы можно стабилизировать, введя в металл определенные добавки и легирующие элементы – O, N, Al (для α) или V, Cr, Mn (для β). Поэтому титановые сплавы, в зависимости от вида присадок, делятся на группы:

• ВТ1 – ВТ5.1 Их называют α – сплавы. Обладают пластичностью, хорошо свариваются, однако термообработка не повышает их прочность.
• ВТ 15 – 22. Группа β – сплавов свариваются намного хуже, причем возможно появление холодных трещин. Размеры зерен структуры при этом увеличиваются, а это отражается на качестве соединения сегментов в худшую сторону. Плюс в том, что термообработка частично повышает прочность сплава.
• ВТ4 – 8, ОТ4. Группа α β, по сути, промежуточное звено. Свойства таких сплавов во многом определяются видом и процентным содержанием введенных добавок.

Не все распространенные технологии применимы к этому металлу и его сплавам. причина – химическая активность титана. Попадание в рабочую зону инородных соединений (нитридов, оксидов, карбидов) резко снижают качество шва.

• Дуговым флюсом.
• Холодная.
• Электронным лучом (плазменно-дуговая).
• В среде аргона. Наиболее популярный вариант, хотя есть и некоторые другие.

• Высокая скорость технологической операции. Это связано с тем, что длительное термическое воздействие на отдельном участке приводит к изменению структуры материала из-за увеличения размера зерен. Как следствие – металл становится ломким (хрупким).
• Полная изоляция от атмосферы. Причем не только рабочей зоны (сварочной ванны), но и тех участков, которые разогреваются до 625 (и более) ºС.

Преимущества:

• Высокое качество сварного соединения.
• Работа на малых токах. Следовательно, можно сваривать детали небольшой толщины (тонкостенные), так как вероятность прожога практически исключена.
• Возможность наращивания объема детали на дефектных участках (например, в местах образования раковин).
• Получение шва с любыми параметрами, что позволяет обрабатывать (соединять) как крупногабаритные образцы, так и сравнительно мелкие.

Механическая обработка и обезжиривание, при необходимости – травление кислотой. Задача – полное удаление пленки оксидов примерно на 20 мм от подлежащих соединению кромок. Специфика в том, что вся работа должна проводиться в защитных перчатках (рукавицах). Касание деталей руками недопустимо из-за возможного загрязнения сплава.

Если механической очистки недостаточно, то прибегают к газокислородной (с помощью горелки).

• Наждачная бумага.
• Шаберы.
• Щетки металлические с проволокой из «нержавейки» сечением 0,25 (±5) мм или иные подходящие приспособления (абразивные материалы).
• Раствор фтора, кислота соляная (подогретые до 60 – 65 ºС).

• Отсутствие на образце заусениц, трещин, вкраплений и так далее.
• Ровный серебристый оттенок титанового сплава.

Проволока

Она выбирается в соответствии с группой сплава, подлежащего сварке (см. выше). На бирке (или упаковке) обязательно есть необходимая информация, так как вся продукция маркируется.

Перед применением проволока зачищается (если необходимо, шкуркой не выше № 12) и обезжиривается. Ее можно готовить и заранее, но в этом случае она герметизируется (например, заворачивается в п/э) и помещается в плотно закрывающийся пенал (тубу). Но хранение в таких условиях – не более 5 суток.

КАК ОБРАБОТАТЬ ТИТАН

Для обработки титана требуются твердосплавные инструменты с покрытием, которые будут сопротивляться липкости сплава и разрушать длинную стружку. Покрытие инструмента также помогает отводить тепло, выделяемое при механической обработке.

Сохранение низкого радиального зацепления важно для противодействия эффектам тепловыделения и тенденции к деформационному упрочнению. Увеличение количества канавок в концевых фрезах может помочь противодействовать более низкой подаче на зуб, чтобы повысить производительность.

Применение СОЖ под высоким давлением помогает уменьшить нагрев и повреждение инструмента.

Техника, используемая при обработке титана, также может помочь улучшить результаты. Используя подъемное фрезерование, дугу, заканчивающуюся фаской под 45 градусов, используя конструкцию вспомогательного разгрузочного инструмента, изменяя осевую глубину и используя инструмент, по крайней мере, на 70% меньший, чем гнездо для инструмента, вы можете уменьшить повреждение инструмента и получить лучшие результаты при обработке титана.

Тщательно изучив уникальные свойства титана и соответствующим образом отрегулировав обработку, вы сможете добиться наилучших результатов для вашего инструмента и готовой детали.

Титановые сплавы и алюминиевые сплавы похожи в следующих отношениях: оба типа металлов используются для изготовления конструктивных элементов самолета, и в обоих случаях компонент может потребовать фрезерования 90 процентов материала до того, как деталь будет готова. Многие цеха, вероятно, хотели бы, чтобы у металлов было больше общего, чем это.

Титан металл — стойкость против кислот щелочей

Титан металл следует рассматривать материалом высокой коррозионной стойкости по отношению к окисляющим веществам, среди которых выделяются азотная, хромовая кислота и аналогичная химия. Однако неокисляющая химия высокой концентрации (соляная, серная кислоты) в условиях высоких значений температуры способны вызывать коррозию титана.

Поэтому для высокотемпературных условий рекомендуется применять коррозионно-стойкие титановые металлы сплавы(Ti-0,15Pd, Ti-Ni-Pd-Ru-Cr (AKOT) и другие). То же самое касается действия высококонцентрированных щелочей и хлоридных растворов высокой температуры.

В отличие от нержавеющей стали и медных сплавов, титан металл не подвержен точечной коррозии, растрескиванию под напряжением и коррозии в целом. Однако титан металл подвержен щелевой коррозии под воздействием высококонцентрированных растворов высокой температуры. Здесь, соответственно, опять же актуальными к применению становятся коррозионно-стойкие титановые сплавы (Ti-0.15Pd, АКОТ и другие).

Титан как металл подвержен эффекту растрескивания от напряжений лишь в определённых особых условиях. Эрозионная стойкость технически чистого титана значительно превосходит сопротивление медных сплавов. Если сравнивать с другими популярными металлами, электрический потенциал титана более высокий.

Следовательно, если титан металл контактирует в электропроводящем растворе с другими металлами, обладающими более низким потенциалом (медные сплавы и алюминий), коррозия других металлов ускоряется (эффект гальванической коррозии).

Схема под методику анодирования титановой поверхности: 1 — сосуд под электролит; 2 — катод (алюминий); 3 — анод (титан); 4 — электролит; 5 — амперметр; 6 — вольтметр; 7 — источник постоянного тока

При условиях контакта аустенитных нержавеющих сталей (SUS304 и SUS316) с титаном металлом при комнатной температуре, обычно не возникает проблемы гальванической коррозии. Причина — меньшая разница потенциалов между отмеченными сталями и титаном.

Что касается реакционной способности металла по отношению к газу, титан имеет сильное сродство с газами:

• кислорода,
• водорода,
• азота.

Соответственно, необходимо соблюдать осторожность в отношении эксплуатационных условий использования, в частности, температур и давления. Титан проявляет коррозионную стойкость к влагосодержащему газообразному хлору, но активно реагирует на сухой газообразный хлор.

Сохраняйте низкое радиальное зацепление

Одна из важнейших задач при обработке титана — отвод тепла. В этом металле относительно небольшое количество тепла, выделяемого во время обработки, отводится вместе со стружкой. По сравнению с обработкой других металлов, при обработке титана больший процент тепла уходит в инструмент. Из-за этого эффекта выбор радиального зацепления диктует выбор поверхностной скорости в этом металле.

Обработка титана. Низкое радиальное зацепление

График на показывает, что для полного прорезания пазов, то есть зацепления на 180 градусов, требуется относительно низкая поверхностная скорость. Но уменьшение радиального зацепления сокращает время, в течение которого режущая кромка выделяет тепло, и дает режущей кромке больше времени для охлаждения перед входом в материал при следующем обороте. Таким образом, при уменьшении радиального зацепления скорость резания может быть увеличена при поддержании температуры в точке разреза. Для чистовой обработки процесс фрезерования, состоящий из очень небольшой дуги контакта с острой, отточенной режущей кромкой, высокой скорости резания и минимальной подачи на зуб, может обеспечить исключительные результаты.

Сложности обработки титановых изделий

На самом же деле все обстоит несколько сложнее, чем представляется на первый взгляд. Металл этот отличается сниженной теплопроводностью, способен задираться и налипать. Кроме того, сложность заключается и в том, что титан необычайно прочен и способен при термических работах спаиваться с режущим инструментом (ведь резец также состоит из металла и практически всегда оказывается более мягким, чем обрабатываемая деталь). В результате инструмент особенно быстро изнашивается и требует постоянной замены.

Говоря об обработке металла, профессионалы подразумевают несколько разных видов работ с титановыми деталями. У них существуют свои секреты, позволяющие нейтрализовать отрицательные свойства этого металла или свести их к минимуму. Например, специальные охлаждающие составы помогут уменьшить задирание либо налипание металла, а также снизить тот объем тепла, который выделяется при резке титана.

Титановые листы разрезают с помощью гильотинных ножниц. Прокатный сортовой металл крупного диаметра обычно подвергают резке специальными пилами механического типа. Этот инструмент отличается тем, что зуб полотна у него достаточно крупный. Если пруток имеет меньший диаметр, в ход можно пустить токарный станок. Кстати, токарная обработка данного металла осуществляется резцами, изготовленными из особо прочных сплавов. Но даже при этом обстоятельстве скорость работы должна быть снижена и обычно уступает той скорости, которая наблюдается при обработке стали-нержавейки.

Фрезеровка титановых деталей также вызывает сложности: на фрезерные зубцы металл начинает налипать. Чтобы избежать этого, необходимо использовать фрезу, изготовленную из сплавов высокой твердости. В качестве охладителей применяют жидкости, уровень вязкости которых повышен.

Отдельное внимание следует уделить сверлению титановых элементов. В канавках может скапливаться стружка, вследствие чего сверло начинает деформироваться. Сверлить титан можно с помощью стальных быстрорежущих инструментов.

Титан можно использовать также и в качестве материала для составляющих каких-либо конструкций. Детали из этого металла требуется соединять, и здесь применяют несколько методов. Стоит рассмотреть этот вопрос подробнее.

Особенности сварочных работ по титану

Сварка является наиболее часто используемым вариантом соединения титановых деталей. Поначалу любая попытка титановой сварки заканчивалась неудачей. Причины этого назывались разные. Считалось, что в микроструктуре металла происходят изменения, что титан вступает в реакцию в азотом, кислородом и водородом, которые содержатся в воздухе. Среди других факторов называлось возрастание зернистости при разогреве металла. В любом случае, швы оказывались предельно хрупкими. Однако все эти проблемы удалось достаточно быстро решить с помощью новых технологий. Поэтому в настоящее время сварка титановых элементов не вызывает особых сложностей и считается обыденной.

Вместе с тем, определенные нюансы при проведении сварочных работ все же наблюдаются. Чаще всего, это выражается в том, что сварочный шов требуется постоянно оберегать от примесей, которые его загрязняют. Чтобы избежать этого, сварщики применяют флюсы, действующие без кислорода, а также чистый инертный газ. Используются также специализированные прокладки и козырьки для защиты – они позволяют прикрывать остывающие швы и препятствуют загрязнению.

Подобные услуги по металлообработке предполагают повышенную скорость сварки. Это позволяет снизить возрастание зернистости и задержать любые деформации микроструктуры материала. Сварка осуществляется в стандартных условиях. Для того чтобы защитить горячий металл от вступления в реакцию с воздухом, используются отдельные предупреждающие меры.

Читать также: Подключение насоса для повышения давления воды

Сварка может осуществляться и в атмосфере полной контролируемости. Соблюдать ее необходимо, когда требуется избежать даже возможности загрязнения шва. Такие требования выдвигаются для самых ответственных сварочных работ при гарантии чистоты в 100%.

В случае, если нужно соединить небольшие по объему детали, работа проводится в особой камере, которая полностью заполняется инертным газом. Чтобы сварщику был виден весь фронт работ, камеру оснащают специальным окошком.

Если же необходимо соединить крупные элементы конструкции, работа проводится в помещении, герметично закрытом. Любая сварка должна осуществляться подготовленными людьми, а в данной ситуации к работе допускаются лишь профессиональнее сварщики с внушительным опытом. Для них в помещении предусматриваются системы жизнеобеспечения.

Другие способы соединения титановых деталей

Иногда сварка титана выглядит нецелесообразной. В этом случае зачастую используют пайку. Такой вид обработки титанового материала является довольно сложным. Причина в том, что при температурном воздействии оксидная пленка на поверхности детали приводит к весьма непрочному соединению вне зависимости от того, с каким металлом спаивается титан. Поэтому из всех металлов, идеально взаимодействующих с титаном при пайке, подходят лишь алюминий и серебро повышенной чистоты.

Еще один способ соединения титановых изделий между собой или с деталями из иных металлов – это клепка. Этот метод, как и применение болтов, является механическим. Если ставится заклепка из титана, работа существенно удлиняется. При использовании болтов необходимо покрывать их тефлоном либо серебром, в противном случае не избежать налипания титана, а само соединение окажется достаточно хрупким.

Способы нейтрализации минусов титана

Недостатком этого уникального металла является задирание, налипание, которое возникает при трении. В результате происходит ускоренное изнашивание титанового сплава. Если применяется фрезеровка металла, это обстоятельство нельзя не учитывать. Скользя по металлической поверхности, титан вступает в реакцию и начинает налипать, постепенно поглощая всю деталь.

Однако верхний слой титана можно сделать более прочной, устойчивой к истиранию и налипанию. В том числе, для этой цели используется азотирование. Метод состоит в выдерживании детали в азотном газе. Изделие должно быть разогрето в среднем до 900 градусов, а время выдержки составляет свыше суток. В результате азотирования поверхность элемента покрывается нитридной пленкой, придающей титану особую твердость. Как следствие – повышение износостойкости титановой детали.

Еще один метод, позволяющий повысить свойства металла, – это его оксидирование. Оно помогает устранить задирание. Титановую деталь необходимо нагреть, чтобы на ее поверхности возникла оксидная пленка. Она плотно покрывает верхний слой металла, не пропуская внутрь воздух.

Оксидирование может быть низко- и высокотемпературным. В последнем случае изделие выдерживают в течение нескольких часов в нагретом состоянии, а после чего опускают его в холодную воду. Это помогает ликвидировать окалину. Оксидированная таким образом деталь становится более устойчивой к изнашиванию сразу на несколько порядков.

Фрезерование титановых деталей

Титан применяется в самых разных промышленных сферах, в том числе, в самолетостроении и космонавтике. В этих отраслях чаще всего используются детали, выполненные из титана.

Нужно учитывать, что фрезерная обработка металла отличается сложностью. Поэтому для таких работ требуется применять острые фрезы с повышенной скоростью. Следует также максимально снизить контакт детали с резцом. Фрезерование начинается по дуге, а в конце работы фаска должна сниматься под определенным углом.

Квалификация фрезеровщика играет серьезную роль не только в выполнении самих работ, но и в определении их стоимости. Многое будет также зависеть и от того, насколько сложной выглядит геометрия создаваемого из титана элемента.

Первое — Титановые клапаны не притираются, по причине того что титан не обладает противоизносными характеристиками, он покрывается противоизносным покрытием. Пары трения Титан-Титан вообще недопустимы. Притирка разрушит покрытие и клапан очень быстро умрёт. Нанесение покрытия (их несколько типов) высокотехнологичный процесс и выполнить его дома вряд ли возможно. А ежели отдаёте на нанесение, надо быть уверенным что там в точности соблюдают технологию.

Читать также: Шаблон ласточкин хвост для фрезера

Второе — Титан имеет коэффициент теплового расширения в два раза меньше чем клапанная сталь. И зазор между клапаном и направляющей должен быть меньше. Правильный зазор помогает отводить тепло, точно центрирует клапан относительно седла. Крайне желательно использовать бронзовые направляющие. Они обеспечивают лучшее скольжение, и наименьший износ. В деле зазоров я не очень специалист, но есть у кого проконсультироваться. Что я и сделаю, тогда напишу.

И Третье самое большое по объёму — Как и с чем его «едят» (обработка Титана). Титан замечательный материал — лёгкий, прочный, не ржавеет, но его обработка резанием требует в 3-4 раза больше трудозатрат чем обработка стали. Сварка Титана, и того больше. Некоторые шутят -» Титан так назвали из за титанических усилий по его добыче и обработке». Требования к оборудованию и материалам для обработки у Титана, свои Титановые… Вы можете не верить, но Титан предъявляет очень высокие требования к жесткости конструкции станка и его абсолютной исправности! Жесткости закрепления режущего инструмента и самой детали. По этому используются большие, массивные, мощные станки. При обработке Титана возникают высокие и концентрированные силы резания, что вызывает вибрации и ускоренно изнашивает режущие кромки. Из за низкой теплопроводности детали всё тепло уходит в режущий инструмент! А по сему — должен применяться острый инструмент, при непрерывном резании хорош карбид вольфрама, а при прерывистом резании рекомендуется быстрорежущий инструмент (с содержанием кобальта 7—8%). Для обработки высокопрочных титановых сплавов требуется инструмент из карбида хрома на кобальтовой основе. Заточка инструмента, так же своя, особая. Так же Титан ОЧЕНЬ любит «наволакиваться» на режущие кромки, избежать помогают низкие обороты, медленная подача и применение РЗ СОЖ 8, но и тут как обычно засада! После механической обработки с применением СОЖ деталь подвергают облагораживающему травлению со снятием поверхностного слоя толщиной 0,005—0,010 мм. Ибо при взаимодействии с эмульсией в процессе резки может происходить солевая коррозия. Скорости резания, должны быть снижены по сравнению с обработкой сталей в 3—4 раза для обеспечения приемлемой стойкости инструмента, особенно при обработке на станках с ЧПУ.

Просто резать Титан болгаркой и то по особенному. Я использую диски толщиной 0,8мм., больше не желательно, ибо греть Титан сильно, нельзя! Происходят необратимые изменения структуры. А стоят эти диски по 150р. штучка, а стачиваются они очень быстро (дешёвые, так вообще махом улетают!). К стати, кто хоть раз резал Титан болгаркой, никогда его уже ни с чем не спутает. А пыль Титановая — ВЗРЫВООПАСНА!

Шлифовка Титана тоже не подарок, перепробовал великую гору разных абразивов и только недавно нашел, то что меня наиболее устраивает. И составил линейку абразивов для полного цикла шлифования, полировки и сатинирования. Но всё равно времени и сил на это уходит очень много.

Я описал только верхушку айсберга. По технологиям обработки Титана есть много информации в сети. И главное что хочу отметить, особенно в случае с Титаном, отступление от правил даже «совсем чуть-чуть» недопустимо и обязательно приведёт к неприятностям. И конечно желательно иметь опыт, на одной теории сразу далеко не уехать. Замечательный материал Титан, но работать с ним…

Главная страница » Токарная обработка титана

Увеличьте количество зубьев фрезы.

Обычно используемые концевые фрезы имеют четыре или шесть канавок. В титане этого может быть слишком мало. Более эффективное количество канавок может быть десять или больше.

Большое количество кромок для обработки титана

Увеличение количества канавок компенсирует потребность в низкой подаче на зуб. Близкое расстояние между канавками инструмента с 10 зубьями слишком мало для зазора от стружки во многих областях применения. Однако продуктивное фрезерование титана уже способствует малой радиальной глубине (см. Совет №1). Небольшая стружка, образующаяся в результате этого, дает возможность использовать концевую фрезу с большим числом канавок для повышения производительности.

Как паять титановые детали?

Пайка применяется в тех условиях, когда титан нельзя сваривать с другими металлами или когда сварка затруднена в виду сложной структуры. Пайку металла сопровождает особенность выполнения в условиях вакуума или в атмосфере инертного газа. Рекомендуется использовать следующие припои для пайки титана:

Фрезерование с натягом.

«Фрезерование с подъемом» — это знакомый всем термин. То есть не подавайте фрезу так, чтобы кромка двигалась через материал в том же направлении, что и инструмент. Этот подход к обработке, известный как «обычное фрезерование», приводит к тому, что стружка вначале становится тонкой, затем толще. Когда инструмент сталкивается с материалом, силы трения создают тепло перед тем, как материал начинает отрываться от основного металла. Тонкая стружка не может поглотить и отвести выделяемое тепло, которое вместо этого попадает в режущий инструмент. Затем на выходе из толстой стружки повышенное давление резания создает опасность прилипания стружки.

Фрезерование с натягом — или формирование стружки от толстой к тонкой — начинается с того, что режущая кромка входит в излишки материала и выходит на обработанную поверхность. При боковом фрезеровании инструмент пытается «перелезть» через материал, создавая толстую стружку на входе для максимального поглощения тепла и тонкую стружку на выходе для предотвращения прилипания стружки.

Обработка титана. Фрезерование с натягом

Фрезерование контурной поверхности требует тщательного изучения траектории движения инструмента, чтобы гарантировать, что инструмент продолжает входить в излишки материала и таким образом выходить на обработанную поверхность. Достичь этого во время сложных проходов не всегда так уж и просто.

Обработка титана в домашних условиях — Справочник металлиста

Если пайка титана нецелесообразна или по какой-либо причине невозможна, можно обратить внимание на соединения данного материала твердыми и мягкими припоями (тинолями). Несмотря на то, что температура плавления твердых тинолей выше 430 ° С, она ниже температуры, при которой плавятся соединяемые материалы.
Относительно мягких тинолей, то они плавятся при температурах ниже 430° С. Мягкие припои применяются, по большей части, для соединения материалов малых толщин (например, проволоки).

Рассматривая обычные материалы, применяемые в качестве тинолей при соединении стали, нужно обратить внимание на чистое серебро, а также алюминий, показывающие отличные результаты при соединении алюминия. Высокопрочные алюминиевые сплавы не могут обеспечить такой результат, поскольку соединения выходят хрупкие.

Олово и цинк в недостаточной степени смачивают металл. Вместо обыкновенных флюсов, которые не способны защитить метал от окисления, появилась необходимость создания специальных флюсов, обеспечивающих образование защитной металлической пленки на поверхности металла (электрохимическим путем).

Интерметаллиды

При выборе тиноля, способа и режима соединения титана, необходимо помнить, что данный материал может образовывать в шве хрупкие интерметаллиды со всеми элементами, входящими в состав тинолей. В качестве основы применяется серебро. Серебро с рассматриваемым материалом образует интерметаллиды, которые имеют наименьшую хрупкость.

Низкотемпературные припои

Пайка посредством применения оловянно-свинцовых, а также других низкотемпературных тинолей применяется достаточно редко. В конкретном случае, прежде чем приступить к процедуре, металл покрывается никелем при помощи химического или гальванического способа.

Для того чтобы увеличить сцепление титана с никелем, детали нагревают до температуры 250 °С на протяжении одного часа. После этой процедуры материал паяют подобными припоями и флюсами, как и для чистого никеля. Паять материал, а также его сплавы при помощи низкотемпературных припоев можно по окончании покрытия серебром, оловом и медью.

Чтобы покрыть изделие оловом, необходимо опустить его в нагретое до 700 °С олово на время (10-20 минут). Посредством флюса, в состав которого входит хлористое олово, можно покрыть металл оловом.

Методы пайки титана

Существует несколько основных метолов пайки титана:

• Газовая пайка;
• Пайка в печи;
• Пайка методом сопротивления;
• Воздействие мягким припоем.

Газовая пайка

Среди многочисленных методик газовой сварки в рассматриваемой обработке деталей из титана наиболее результативным оказалось кислородно-ацетиленовое пламя, поскольку данный метод не делает сплавляемый металл хрупким. Таким образом, применяя чистое серебро и любой другой флюс, пайка титана показывает достаточно прочный и пластичный результат соединения.

Оптимальная прочность достигается путем применения газовой горелки с двумя наконечниками, минимальной температуры, а также минимальной продолжительности процедуры плавления.

Чистый алюминий в соединении титана показывает соединения материала низкого качества, но в то же время достаточно пластичные. Во время газового соединения алюминия к рассматриваемому металлу деталь полностью погружается в алюминий, после чего агитированная деталь присоединяется к алюминию простыми методами.

Пайка в печи

Во время соединения титана в печи с защитной атмосферой трудоемкая процедура газовой процедуры значительно упрощается.

Таким образом, достойной альтернативой специальных флюсов оказывается простая смесь хлоридов марганца и калия, хлоридов серебра и калия.

Вполне возможна многократная обработка титана с равномерным подводом тепла к металлической поверхности деталей небольших габаритов, ограниченных размерами печи.

Пайка посредством печи подразумевает более длительные временные затраты по причине отсутствия местного нагрева. Вследствие этого можно наблюдать утолщение расплавляемых слоев, что приводит к определенному снижению прочности и пластичности материала, особенно при соединении алюминием.

Пайка методом сопротивления

Сварка и пайка могут выполняться методом сопротивления. Отличие полагается в том, что во втором случае между поверхностями помещается низкоплавкий металл. Медные электроды, охлаждаемые водой, оказались лучше графитовых электродов, а также других материалов, которые обладают высоким электрическим сопротивлением, но вместе с тем содержащих загрязняющие примеси.

По своей природе рассматриваемы материал обладает достаточным сопротивлением, которое необходимо для нагрева металлических поверхностей. Непродолжительная пайка серебром при большом электрическом токе и низком давлении позволяет достигнуть более прочного соединения, чем газовая пайка. Применение давления дает возможность отказаться от флюсов.

Пайка металла мягким припоем

На сегодняшний день установлено, что титан позволяется паять мягким припоем.

Применение мягких тинолей в процессе обработки титана имеет никоторые преимущества, отображаемые в стоимости и быстроте, перед иными методиками соединения.

Пайка титана мягкими припоями используется в большинстве случаев в тех случаях, когда не требуется высокопрочное соединение, в домашних условиях.

Соединяемые детали покрываются в процессе тонким слоем серебра, олова или меди, что достигается посредством нагрева титана, покрытого слоем хлорида одного из перечисленных ранее металлов, в печи атмосферой гелия.

Образовавшаяся металлическая пленка должна быть «смочена» припоем (60% Sn+40% Pb или 50 % Sn+50 % Pb) не без участия промышленным флюсов. Так как металлические пленки могут растворяться в припое, тем самым обнажая поверхность титана, сцепление производится достаточно быстро, причем при минимальной температуре.

Фрезерование титана: 10 советов по обработке

Благодаря особой геометрии режущей кромки, высокоскоростная фреза позволяет использовать утоньшение стружки для достижения более высоких скоростей подачи

Несколько простых принципов помогут сделать фрезерование титановых сплавов эффективнее. По заявлениям компании Stellram, конструкция изображенной на рисунке высокоскоростной фрезы при обработке высокотемпературных аэрокосмических сплавов обеспечивает скорость подачи, превышающую скорость фрезерных инструментов традиционной конструкции в пять раз.

Титановые и алюминиевые сплавы в некотором отношении схожи: оба металла применяются в конструктивных элементах самолетов, и в обоих случаях для изготовления детали может требоваться удаление 90 процентов исходного материала.

Пожалуй, большинство производителей хотели бы, чтобы эти металлы имели больше общих черт. Традиционно обрабатывающие алюминий поставщики авиадеталей теперь по большей части работают с титаном, поскольку в новейших авиационных конструкциях все больше используется именно данный металл.

Менеджер компании-поставщика режущих инструментов Stellram Джон Палмер, ответственный за работу с ведущими производителями авиакосмической отрасли, отмечает, что многие из таких предприятий в действительности имеют бо́льший потенциал обработки титана, чем они реализуют на данный момент.

Многие ценные и эффективные технологии обработки титана достаточно просто внедрить, но лишь немногие из них используются для повышения продуктивности. Проконсультировавшись с производителями по вопросам эффективности фрезерования разных аэрокосмических сплавов, включая сплавы титана, Палмер пришел к выводу, что работа с титаном – не такой сложный процесс.

Самое главное – продумать весь процесс обработки, поскольку любой элемент может оказать влияние на общую эффективность.

По словам Палмера, ключевым фактором является стабильность. При контакте инструмента с заготовкой образуется так называемый «замкнутый круг», в который входит инструмент, державка, шпиндель, станина, направляющие, рабочий стол, зажимное приспособление и заготовка.

От всех этих частей зависит устойчивость процесса. Кроме того, важными аспектами являются давление, объем и способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости, а также вопросы методики и применения, освещенные в данной статье.

Для максимальной реализации потенциала данных процессов, способных повысить производительность обработки титана, Палмер рекомендует следующее:

Зависимость скорости резания от дуги контакта

Совет № 1. Сохраняйте малую площадь контакта

Одна из основных проблем титана – его низкая теплопроводность. В этом металле лишь относительно малая часть вырабатываемого тепла отводится вместе со стружкой. По сравнению с другими металлами, при обработке титана бо́льший процент тепла передается на инструмент. Вследствие данного эффекта выбор рабочей площади контакта определяет выбор скорости резания.

Эту зависимость демонстрирует кривая на рисунке 1. Полный контакт – врезание по дуге 180º – возможен только при относительно низкой скорости резания. В то же время уменьшение площади контакта сокращает период выделения тепла режущей кромкой и обеспечивает больше времени для охлаждения перед новым врезанием в материал.

Таким образом, уменьшение зоны контакта обуславливает возможность повышения скорости резания с сохранением температуры в точке обработки.

Фрезерование с крайне малой площадью контакта и остро заточенной режущей кромкой при высокой скорости и минимальной подаче на зуб может обеспечить непревзойденное качество чистовой обработки.

Увеличение количества зубьев

Совет № 2. Увеличьте количество зубьев

Обычные концевые фрезы имеют четыре или шесть зубьев. Для титана этого может быть недостаточно. Наибольшую эффективность обработки данного металла обеспечивает инструмент с десятью или более зубьями (см. рисунок 2).

Увеличение количества зубьев устраняет необходимость снижения подачи на зуб. При этом в большинстве случаев слишком близкое расположение зубьев в десятизубой фрезе не обеспечивает достаточно пространства для отвода стружки.

Тем не менее, продуктивному фрезерованию титана способствует малая площадь контакта (см.

совет № 1), и образующаяся в результате тонкая стружка дает возможность использовать многозубые концевые фрезы для повышения производительности.

Совет № 3. Соблюдайте принцип «от толстой стружки к тонкой»

Данная идея связана с термином «попутное фрезерование» и предполагает такое расположение инструмента, при котором кромка врезается в материал в направлении подачи.

Принцип «от толстой стружки к тонкой»

Этому методу противопоставляется «встречное фрезерование», сопровождающееся образованием тонкой стружки на входе и толстой на выходе.

Такой метод известен как «традиционный» и отличается высокой силой трения при снятии стружки в начале резания, в результате чего образуется тепло.

Тонкая стружка не может поглотить и отвести это выработанное тепло, и оно передается на режущий инструмент. Затем на выходе, где толщина максимальна, возросшее режущее усилие создает опасность налипания стружки.

Плавный вход в заготовку

В титане и других металлах стойкость инструмента теряется в моменты резкого изменения силы. Худший из этих моментов часто случается, когда инструмент входит в материал. Прямая подача в заготовку (как это делает почти любая стандартная траектория инструмента) производит эффект, подобный удару молотка по режущей кромке.

Обработка титана. Плавный вход в заготовку

Вместо этого скользите мягко. Для этого создайте траекторию инструмента, которая изгибает инструмент по дуге в материал, а не вводит его по прямой. При фрезеровании толстых и тонких инструментов дуга входа траектории инструмента должна следовать в том же направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки), что и вращение инструмента. Путь входа дуги позволяет постепенно увеличивать силу резания, предотвращая рывки или нестабильность инструмента. Тепловыделение и образование стружки также постепенно увеличиваются, пока инструмент полностью не войдет в режим резанья.

Использование фасок

Резкие изменения силы также могут возникать на выходе инструмента. Как бы ни была полезна резка от толстого к тонкому (совет № 3), проблема этого метода заключается в том, что формирование от толстого к тонкому внезапно прекращается, когда инструмент достигает конца прохода и начинает очищать металл. Резкое изменение вызывает такое же резкое изменение силы, что приводит к сотрясению инструмента и, возможно, к повреждению поверхности детали. Чтобы предотвратить такой резкий переход, примите меры предосторожности: сначала фрезеруйте фаску под 45 градусов в конце прохода, чтобы инструмент видел постепенное уменьшение радиальной глубины резания.

Обработка титана. Использование фасок

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.

Вторичный рельеф инструмента

Острая режущая кромка сводит к минимуму силы резания в титане, но режущая кромка также должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать давление резания. Конструкция инструмента для вторичной разгрузки, в которой первая положительная зона режущей кромки сопротивляется силам, после чего вторая зона отпадает для увеличения зазора, выполняет обе эти цели. Вторичный рельеф является обычным явлением в инструментах, но, в частности, в титане эксперименты с инструментами, имеющими разные конструкции вторичного рельефа, могут выявить неожиданные изменения в производительности резания или стойкости инструмента.

Вторичный рельеф инструмента

Измените осевую глубину

На глубине резания на инструмент могут повлиять окисление и химическая реакция. Раннее повреждение может произойти в этом месте, если инструмент многократно используется на одной и той же глубине. При выполнении последовательных осевых разрезов эта поврежденная область инструмента может вызвать деформационное упрочнение, а также появление линий на детали, которые неприемлемы для компонентов аэрокосмической отрасли, а это означает, что это влияние на поверхность может потребовать ранней смены инструмента. Чтобы предотвратить это, защитите инструмент, изменяя осевую глубину резания для каждого прохода, распределяя проблемную зону по разным точкам вдоль канавки. При токарной обработке аналогичный результат может быть достигнут за счет точения конуса в первом проходе и параллельного точения в последующем, что предотвращает образование выемок по глубине резания.

Обработка титана. Разная осевая глубина для фрез

Выбор круга для шлифования титанового сплава

Изначально шлифование титановых сплавов было непроизводительным. Всего 0,7 см3 снималось с заготовки при износе круга в 1 см3. Позже удалось дойти до отметки в 16 см3 при работе с нелегированным титаном.

Шлифование улучшилось благодаря снижению скорости вращения шлифкруга и применению смазочных охлаждающих составов. Оптимальным абразивным материалом выявили тот, который имеет зернистость 60 или 80. Отличным абразивом позже стала окись алюминия.

Обдирка или удаление и зачистка поверхности от дефектов, заусенцев и т.д. может осуществляться с помощью качающейся рамы или портативного шлифовального станка. В этом процессе применяют карборундовые и фирменные шлифовальные камни, скорость которых равна 1800 м/мин. Окончательная отделка возможна с карборундовыми шлифовальными кругами, которые будут работать на скорости 2900 м/мин.

Шлифование титановых сплавов. В этом виде работ часто применяют шлифовальные круги с качественным маслом прямой гонки или с техническим антикоррозионным раствором. Хорошие результаты показывают карборундовые круги CD-12 с зернистостью 60 и 80.

Следующий вид обработки – отрезка, которую не выполняют без охлаждения. Иначе это приведет к прижогам и трещинам. Если нет возможности охладить деталь, лучше применить шлифовальный круг A54-L8B со скоростью 2900 м/мин. Отрезать деталь, которая имеет диаметр 13 мм, возможно кругами 37C60-POR-30 или TC60-16-RR при скорости 2900 м/мин. Процесс следует охлаждать маслом или антикоррозийным раствором. Для работы с прутками более 13 мм можно использовать круги той же марки. Для настольного шлифования не нужны смазочно-охлаждающие жидкости, круг можно использовать такой – A36-K8-VBE.

Круглое шлифование, когда снимается большой объем стружки, производится кругом 32A60-K8-VBE, для снятия малого количества стружки – 32A60-J8-VBE. Обязательно следует применять 10%-ный антикоррозийный раствор или масло прямой гонки. Скорость обработки в таком случае может колебаться от 550 до 610 м/мин.

Внутреннее шлифование следует проводить на скорости 520 м/мин кругом 32A46-J8-VBE и с 10%-ным раствором антикоррозийной эмульсии. Если скорость работы круга около 1830 м/мин, подойдут круги 32A60-L5-VBE.

Полировку выполняют камедистой пастой, а снятие окалины – составом Нортон 180 Кристолон. Тонкое полирование можно провести алундовой пастой (крупность зерна В).

Ограничение осевой глубины

Соотношение 8: 1 полезно помнить при фрезеровании тонких стенок и деталей без опоры из титана. Чтобы избежать прогиба стенок кармана, фрезеруйте эти стенки на последовательных осевых этапах вместо фрезерования на всю глубину стенки за один проход концевой фрезы. В частности, осевая глубина резания на каждом шаге вниз не должна превышать 8-кратную толщину стенки, которая останется после выполнения этих фрезерных проходов. Например, если толщина стенки 0,1 дюйма, осевая глубина резания для прохода фрезерования, прилегающего к ней, должна быть не более 0,8 дюйма.

Обработка титана. Ограничение осевой глубины

Несмотря на ограничение глубины, это правило можно использовать, чтобы производительное фрезерование оставалось возможным. Для этого обработайте тонкие стенки так, чтобы вокруг стены оставалась оболочка из грубого материала, в результате чего элемент в 3 или 4 раза толще окончательного элемента. Если толщина стены составляет, например, 0,3 дюйма, то правило 8: 1 допускает осевую глубину 2,4 дюйма. После этих проходов уменьшите осевую глубину, чтобы довести толстые стенки до их окончательного размера.

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.

Выберите инструмент, намного меньший, чем карман.

Из-за того, что инструмент поглощает тепло в титане, ему необходим зазор для охлаждения. При фрезеровании небольшого кармана диаметр инструмента не должен превышать 70 процентов диаметра (или сопоставимого размера) кармана. Меньший зазор, чем этот, рискует по существу изолировать инструмент от охлаждающей жидкости, а также улавливать стружку, которая в противном случае могла бы унести хотя бы часть тепла.

Обработка титана. Диаметр инструмента относительно кармана

Правило 70 процентов также может применяться к фрезерованию инструмента по верхней части поверхности. В этом случае ширина элемента должна составлять 70 процентов диаметра инструмента. Инструмент смещен на 10 процентов, чтобы стимулировать образование стружки от толстой к тонкой.

Особенности шлифования титановых сплавов

Обработку прочных материалов, к примеру, титановых сплавов, применяют в машиностроении, авиационной, ракетной и космической технике, металлургии, нефтяной и газовой промышленностях.

В процессе обработки титановых заготовок период стойкости кругов уменьшается в 15-20 раз, а затраты на правку достигают 60-70% от общего времени, затраченного на работу.

Сложна и финишная обработка. На сплавах могут появиться прижоги, стружка налипает, а связи в оксидной пленке разрушаются. Все это приводит к дефектам изделия.

Шлифование подобных заготовок необходимо осуществлять на низких оборотах станка со специальными режимами. Детали можно упрочнять пластическим деформированием для достижения более высокого качества. В конце работы мастер должен проверять заготовку на наличие прижогов или других возможных дефектов.

Помимо шлифования, можно выбрать абразивную или лезвийную обработку титановых сплавов. Завершить шлифование можно непрерывной абразивной лентой (на которую нанесет соответствующий размер абразивных зерен) или кремниевым кругом.

Фрезы с высокой подачей

Фрезы с высокой подачей — концепция инструмента, разработанная для обработки инструментальной стали в производстве штампов и пресс-форм — в последние годы была адаптирована для обработки титана. Фрезы с высокой подачей требуют небольшой осевой глубины резания, но при работе на этой небольшой глубине инструмент обеспечивает более высокие скорости подачи, чем фрезы более традиционной конструкции.

Фрезы с высокой подачей

Причина — истончение стружки. Ключом к фрезерному станку с высокой подачей является пластина с изгибом большого радиуса на ее режущей кромке. Благодаря этому радиусу образование стружки распространяется на большую площадь контакта на кромке. Из-за полученного утонения при осевой глубине резания 0,040 дюйма толщина стружки может составлять всего около 0,008 дюйма. В титане эта тонкая стружка преодолевает низкую подачу на зуб, обычно требуемую для этого металла. Утончение стружки открывает путь к более высокой запрограммированной скорости подачи, чем это было бы возможно в противном случае.

Правильный режим сверления титана

Обработка в низкооборотном режиме позволяет уменьшить залипание сверла и снизить негативное воздействие температурных факторов. В данном случае допускается сильный нажим на поверхность, поскольку давление в меньшей мере влияет на износ бура, чем высокая скорость.

Поэтому сверлить рекомендуется:

• на низкой скорости;
• при сильном давлении.

Чтобы избежать вибраций, нужно жестко закрепить бур и заготовку, а также использовать короткую насадку.