Сож для обработки титана

Главная страница » Токарная обработка титана


Токарная обработка титана

Сож для обработки титана
Сож для обработки титана

Ввиду малых скоростей при обработке титана наблюдается высокое трение инструмента, что вызывает большое выделение тепла. Так при выборе малых радиусов при вершине режущей пластины этот радиус просто «сгорает», поэтому выбираем радиусы побольше. Контролировать температуру в зоне резания можно скоростью, толщиной стружки и глубиной резания.

Обязательно применение СОЖ, и желательно под высоким давлением. Необходимо точно направить подачу СОЖ в зону резания. Используя СОЖ под давлением (80 бар) можно повысить скорость резания на 20%, стойкость инструмента на 50%, а также улучшить стружкодробление.

Для обработки титановых сплавов не используйте инструменты на основе керамики.

Выбор инструмента для наружной токарной обработки

Предварительная обработка:

— Квадратные пластины с большим радиусом вершины, возможно назначить большую глубину резания.

— Круглые пластины больших размеров.

— Использовать стружколомы для тяжелой обработки, стружколомы снижающие силу резания, стружколомы с улучшенным контролем стружкообразования.

— Используйте твердые сплавы без покрытия.

Сож для обработки титана

— Круглые пластины (имеется возможность назначить высокие скорости резания, высокую подачу, присутствует меньший износ, небольшая глубина резания.)

— Использовать сплавы без покрытия, или как вариант PVD-покрытие для обеспечения сочетания прочность-износостойкость.

— Снижать подачу при увеличении глубины.

— Выбирать радиус пластины меньше, чем радиус скругления на детали, так не придется занижать радиус.

— На криволинейных участках снижайте подачу на 50%.

— Трохоидальное точение – первый выбор.

— Если невозможно трохоидальное точение используйте врезание под углом.

Сож для обработки титана

— Выбирайте пластины с шлифованными режущими кромками, они повышают стойкость и снижают силы резания.

— Предпочтение имеет острая геометрия, но также учитывайте требование стабильности при выборе геометрии и формы пластины.

— Для тонкостенных деталей выбирайте главный угол в плане Kr=45 градусов и радиус при вершине не более 3хap, острую геометрию с небольшим радиусом округления режущей кромки. Используйте относительно низкую подачу 0,15 мм/об.

— Для жестких деталей выбирайте большой радиус при вершине и большой радиус округления режущей кромки.

— Выбирайте сплав без покрытия, или с PVD-покрытием и острой кромкой для снижения сил резания и повышения скорости резания, или поликристаллический алмаз (PCD) для обеспечения высокой стойкости и скорости резания. По сравнению с твердым сплавом без покрытия PCD может увеличить скорость в 2 раза

Рекомендации при использовании круглых пластин

1. Используйте рекомендацию назначения ap, как на рисунке ниже.

Сож для обработки титана

Сож для обработки титана

Сож для обработки титана

Режимы токарной обработки титана

Для обработки титана характерны малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение.

Предварительная обработка (тяжелая черновая обработка, удаление корки и т.д.): ap=3-10 мм, fn=0.3-0.8 мм, Vc=25 м/мин.

Промежуточная обработка (черновая, получистовая обработка без корки, профильная обработка и т.д.): ap=0.5-4 мм, fn=0.2-0.5 мм, Vc=40-80 м/мин.

Окончательная обработка (получистовая, чистовая обработка, финишная обработка и т.д.): ap=0,25-0,5 мм, fn=0.1-0.4 мм, Vc=80-120 м/мин.

Выбор инструмента для внутреннего растачивания

Предварительная обработка:
— Главный угол в плане 90 град, но не менее 75 град. Это снизит отжатие оправки и вибрации.
— Используйте твердый сплав без покрытия.
— Используйте максимально возможный диаметр оправки и минимальный вылет.

Промежуточная обработка:
— Главный угол в плане 93 град, угол при вершине 55 град.
— Стружколом обеспечивающий низкие силы резания.
— Твердый сплав без покрытия.
— Максимально возможный диаметр оправки, минимальный вылет
— При необходимости антивибрационный инструмент.

Окончательная обработка:
— Позитивные пластины с задним углом и острая геометрия для снижения сил резания и меньшего отжатия инструмента.
— Шлифованная пластина, угол при вершине 55 град, главный угол в плане 93 град
— Твердый сплав без покрытия.
— Максимально возможный диаметр оправки, минимальный вылет
— При необходимости антивибрационный инструмент.

Далее мы рассмотрим фрезерование титана, выделим основные приемы для преодоления всех сложностей обработки титана уже на фрезерных станках.

Когда речь заходит о улучшении характеристик обработки титана, то необходимо контролировать температуру, силу шпиндельных соединений и необходимость максимизировать динамическую жесткость системы СПИД.

Сож для обработки титана

Характеристики титана затрудняющие его обработку

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.

Сож для обработки титана

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.

Читать также:  Какие светодиодные ленты лучше для дома

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.

Сож для обработки титана

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.

Сож для обработки титана

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.

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.

Читать также:  Никель кадмиевые аккумуляторы или литий ионные

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.

Сож для обработки титана

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:

Сож для обработки титана

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.

Сож для обработки титана

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.

Сож для обработки титана

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.

Попутное фрезерование, или способ формирования стружки «от толстой к тонкой», предполагает вход в заготовку с максимальной толщиной среза, а выход – с минимальной (см. рисунок 3). При фрезеровании периферией фреза «подминает» под себя заготовку, создавая толстую стружку на входе для максимального поглощения тепла и тонкую стружку на выходе для предотвращения налипания стружки.

Фасонное фрезерование требует тщательного контроля траектории инструмента, с тем чтобы инструмент продолжал входить в заготовку и выходить на обработанной поверхности нужным образом. Для этого следует не прибегать к сложным манипуляциям, а просто подавать материал вправо.

Сож для обработки титана

Врезание по дуге

Совет № 4. Используйте врезание по дуге

При работе с титаном и другими металлами срок службы инструмента сокращается в моменты резких колебаний усилия, в особенности при входе в заготовку. При прямом врезании в материал (что характерно практически для любой траектории инструмента) эффект сопоставим с ударом по режущей кромке молотком.

Читать также:  Рейтинг газовых горелок с пьезоподжигом

Вместо этого следует аккуратно проходить режущей кромкой по касательной. Нужно выбрать такую траекторию движения, чтобы инструмент входил в материал по дуге, а не под прямым углом (см. рисунок 4). При фрезеровании от толстой стружки к тонкой дуга врезания должна совпадать с направлением вращения инструмента (по часовой или против часовой стрелки). Дуговая траектория обеспечивает постепенное увеличение силы резания, предотвращая рывки и повышая устойчивость инструмента. При этом выделение тепла и толщина стружки также постепенно возрастают до момента полного погружения в заготовку.

Сож для обработки титана

Снятие фаски в конце прохода

Совет № 5. Снимайте фаску в конце прохода

Резкие изменения усилия могут возникать и на выходе инструмента из материала. Как бы ни было эффективно фрезерование от толстой стружки к тонкой (совет № 3), проблема данного метода заключается во внезапной остановке постепенного утоньшения стружки, когда инструмент достигает конца прохода и начинает шлифовать металл. Такой резкий переход сопровождается соответствующим резким изменением силы, в результате чего на инструмент оказывается ударная нагрузка, способная вызвать повреждение поверхности детали. Чтобы снизить резкость, примите меры предосторожности – снимите 45-градусную фаску в конце прохода, обеспечив постепенное уменьшение радиальной глубины резания (см. рисунок 5).

Совет № 6. Выбирайте фрезы с большим вспомогательным задним углом

Острая режущая кромка минимизирует усилие резания титана, но при этом она должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать давление резания.

Сож для обработки титана

Фрезы с большим вспомогательным задним углом

Конструкция инструмента с большим вспомогательным задним углом, где первая область кромки с положительным углом наклона принимает на себя нагрузку, а следующая за ней вторая область с бо́льшим углом увеличивает зазор, позволяет решить обе эти задачи (см. рисунок 6). Такая конструкция довольно широко распространена, но именно в случае титана экспериментирование с различными величинами вспомогательного заднего угла позволяет достигнуть существенного увеличения производительности и срока службы инструмента.

Совет № 7. Изменяйте осевую глубину

Режущая кромка инструмента может подвергаться окислению и воздействию химических реакций. Многократное использование инструмента с одной и той же глубиной врезания может привести к преждевременному износу в зоне контакта.

Сож для обработки титана

Измерение осевой глубины

В результате последовательных осевых врезаний поврежденная область инструмента вызывает деформационное упрочнение и образование зазубрин, наличие которых недопустимо на деталях аэрокосмического оборудования, поскольку данный поверхностный эффект может вызвать необходимость преждевременной замены инструмента. Этого можно избежать, защитив инструмент путем изменения осевой глубины резания для каждого прохода и распределив тем самым проблемную область по разным точкам зубьев (см. рисунок 7). В процессе точения аналогичного результата можно достичь обтачиванием конической поверхности при первом проходе и обработкой цилиндрической поверхности при последующем – это позволит предотвратить образование проточин.

Сож для обработки титана

Ограничение осевой глубины обработки тонких элементов

Совет № 8. Ограничьте осевую глубину обработки тонких элементов

Во время фрезерования тонкостенных и выдающихся элементов титановых деталей важно помнить о соотношении 8:1. Чтобы избежать искривления стенок пазов, фрезеруйте их последовательно в осевом направлении вместо обработки по всей глубине за один проход концевой фрезы. В частности, осевая глубина резания при каждом проходе не должна превышать конечную толщину стенки более чем в 8 раз (см. рисунок 8). Например, для достижения толщины стенки 2 мм осевая глубина соответствующего прохода должна составлять максимум 16 мм.

Несмотря на ограничение глубины, данное правило все же позволяет сохранить производительность фрезерования. Для этого тонкие стенки нужно фрезеровать так, чтобы вокруг них оставалась необработанная область, а толщина элемента в 3 или 4 раза превышала конечную толщину. Если нужно получить стенку толщиной 7 мм, согласно правилу 8:1 осевая глубина может достигать 56 мм. При обработке толстых стенок следует соблюдать небольшую глубину прохода до достижения окончательного размера.

Сож для обработки титана

Использование инструмента значительно меньше паза

Совет № 9. Используйте инструмент значительно меньше паза

В силу большого количества тепла, поглощаемого при обработке титана, фрезе требуется пространство для охлаждения. При фрезеровании небольших пазов диаметр инструмента не должен превышать 70 процентов от диаметра (или сопоставимого размера) паза (см. рисунок 9). При меньшем зазоре существенно возрастает риск ограничения доступа охлаждающей жидкости к инструменту, а также задерживания стружки, которая могла бы отводить хотя бы часть тепла.

Данное правило также применимо при фрезеровании открытой поверхности. При этом ширина элемента должна составлять 70 процентов от диаметра инструмента. Смещение инструмента составляет 10 процентов, что способствует утоньшению стружки.

Сож для обработки титана

Использование инструментальной стали

Совет № 10. Обратите внимание на инструментальную сталь

Высокоскоростные фрезы, изначально разработанные для обработки инструментальной стали при изготовлении пресс-форм, в последние годы начали активно использоваться в производстве титановых деталей. Высокоскоростная фреза не требует большой осевой глубины резания, и на такой глубине скорость подачи превышает показатели фрез традиционной конструкции.

Данные характеристики обусловлены утоньшением стружки. Ключевая особенность высокоскоростных фрез – пластины с большим радиусом закругления кромки (см. рисунок 10), способствующим распределению образуемой стружки по увеличенной площади контакта. Благодаря этому при осевой глубине резания 1 мм возможно образование стружки толщиной всего 0,2 мм. В случае титана такая тонкая стружка устраняет необходимость в низкой подаче на зуб, обычно используемой для данного металла. Таким образом, становится возможным установка скоростей подачи значительно выше стандартных.

Источник материала: перевод статьи
10 Tips for Titanium,

Modern Machine Shop

Автор статьи-оригинала:
Питер Зелински (Peter Zelinski),
главный редактор

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *