Максимизация скорости обработки титана: проверенные методы и лучшие практики

Опубликовано 19 октября 2020 г. | Candy, WayKen Rapid Manufacturing

Титан долгое время игнорировали из-за своих свойств. Но недавние достижения металлургии и производственных технологий открыли новый взгляд. Сейчас титан ценится за выдающееся соотношение прочность/вес (в 3 раза лучше стали), коррозионную стойкость, биосовместимость и работу при высоких температурах. Авиационные детали из титана популярны за легкость и прочность. Однако обработка титана — серьезная проблема.

Самые распространенные титановые сплавы

Разные элементы легируют титан для повышения характеристик. Титан проходит аллотропное превращение выше 800 °C. Элементы, снижающие температуру использования — бета-стабилизаторы, повышающие — альфа-стабилизаторы. По содержанию стабилизаторов сплавы делят на 4 группы:

1. Нелегированный титан. Лучшая коррозионная стойкость, но низкая прочность.
2. Альфа-сплавы. Лучшая ползучесть — для высокотемпературных применений.
3. Альфа-бета-сплавы. Самая распространенная группа за отличные свойства. Альфа-стабилизаторы дают теплостойкость, бета-стабилизаторы — прочность. Самый популярный Ti-6Al-4V занимает ~50% рынка титановых сплавов.
4. Бета-сплавы. Тверже всех предыдущих, но выше плотность.

7 причин, почему титан трудно обрабатывать

Не вдаваясь в механику фрезерования, токарной обработки, шлифовки, износ инструмента и образование стружки, резюмируем 7 причин сложности:

1. Титан сохраняет высокую прочность при высоких температурах, сопротивление пластической деформации сохраняется на скоростях резания. Режущие силы намного выше, чем у стали.
2. Стружка получается очень тонкой, площадь контакта стружка-инструмент в 3 раза меньше, чем у стали. Вершина инструмента воспринимает почти все режущие силы.
3. Высокий коэффициент трения титановых сплавов к материалам режущего инструмента повышает температуру и силы резания.
4. При >500 °C титан химически реагирует с большинством материалов инструмента. Титан может самовспламеняться при нагреве при резании — СОЖ обязателен.
5. Из-за малой площади контакта и тонкой стружки всё тепло уходит в инструмент, резко снижая его ресурс. Только высоконапорные СОЖ справляются с нагревом.
6. Очень низкий модуль упругости титановых сплавов вызывает вибрации, трескание инструмента, дефлекцию.
7. На низких скоростях резания материал прилипает к режущему краю — катастрофа для чистоты поверхности.

Много серьезных проблем. Но инженеры по всему миру разработали стратегии повышения скоростей обработки титана.

Повышение скоростей обработки титана через режущий инструмент

Выбор режущего инструмента — первый шаг к успешной ЧПУ-обработке алюминия и титана. Главное — материал. За годы ряд твердых сплавов доказали эффективность при резании титана. Инструмент для титана должен обладать:

• Высокой твердостью при высоких температурах
• Высокой устойчивостью к тресканию
• Высокими усталостными свойствами (образование стружки циклично)
• Химической инертностью к горячему титану
• Высокой прочностью
• Хорошей теплопроводностью для компенсации низкой теплопроводности титана

Наиболее подходящий диапазон материалов — сплавы ВК/Ко (WC/Co). Возможное альтернативное решение — высокоскоростные стали (высокая устойчивость к сколованию). Алмазные инструменты также показывают хорошие результаты. Подробнее о алмазной обработке.

Технологии высокоскоростной обработки титана

Другой путь — специальные стратегии обработки титана. Услуги WayKen по титану умеют подбирать оптимальные параметры резания для минимизации времени. Помимо оптимизации параметров, есть нестандартные стратегии, значительно повышающие скорости резания.

Инструменты с выступом (Ledge Tools)

Разработаны General Electric. Используют инструменты с тонким выступающим выступом. Вместо всего инструмента режет только этот тонкий выступ. Стружка тоже тонкая — разницы нет, но выступ изнашивается медленнее и его легче затачивать. Фланец выступка быстро изнашивается, затем остается постоянным пока изнашивается остаток выступка — медленнее с постоянными фланцами.

Вращающиеся пластины (Rotary Inserts)

Применяются для токарной обработки титана. Раньше невозможны из-за нехватки точности станков. Сейчас технологии позволяют. Принцип: пластина круглая и вращается вокруг крепления пока режет заготовку. Теплопередача быстрее, инструмент меньше нагревается — можно повысить скорость резания.

Ультразвуковая помощь при удалении металла

Добавление ультразвуковой вибрации к режущему инструменту облегчает образование стружки. Титановая стружка имеет плохую эластичность, ухудшаемую упрочнением при деформации когда режущий край начинает резать. Ультразвук способствует ломанию стружки вместо деформации — положительно влияет на ресурс инструмента, чистоту поверхности, характеристики инструмента, предотвращает наросты на режущем крае, позволяет повысить скорость резания.

Хотите узнать больше?

Правильный выбор технологий и сырья для быстрого прототипирования критичен при требованиях к производительности. В WayKen с удовольствием дадим профессиональные советы, свяжитесь: info@waykenrm.com или загрузите CAD-файл.