Освоение ЧПУ-обработки крупногабаритных титановых деталей

Титан можно обрабатывать на ЧПУ как нержавеющую сталь; известны его желательные свойства и относительная легкость обработки. На ранней стадии применения технологии точного литья титановых сплавов процесс использовался для производства среднегабаритных обычных точных отливок относительно простых форм. Большинство таких отливок в пределах 500 мм, формы — стержневые, дисковые, плоские, кольцевые. Толщина стенок 6–10 мм, например, имплантируемые в организм протезы, лопатки двигателей, стойки и др. Из-за отсутствия сложных структур (глубокие желоба, ребра) структурные напряжения при литье малы, питание достаточно, процесс формовки прост, качество формовки стабильно высокое. Но для крупногабаритной ЧПУ-обработки титана идеальная обработка не так проста — статья покажет детальные методы идеального литья крупных титановых деталей.

Типы крупногабаритных титановых деталей

Перед изучением методов точной ЧПУ-обработки титана рассмотрим типы крупных деталей. По мере роста популярности титана за его свойствами, начали применять его для крупных тонкостенных сложных отливок. Существует два типа.

Средне-крупногабаритные титановые детали

Тип отливок, постоянно развивавшийся для нужд аэрокосмической отрасли. С развитием аэрокосмики применение технологии формовки таких отливок стало ключевым объектом исследований крупных институтов. Большинство крупных тонкостенных сложных отливок строго контролируются в размерах 500–1000 мм, толщина стенок 1–3 мм, структура сложная, формовка очень сложна.

Крупногабаритные титановые детали

Такие отливки не сравнимы с другими ни по качеству, ни по производительности. Размеры превышают 1500 мм, минимальная толщина стенки ~1 мм, масса 50–1000 кг. Часто заменяют структуры, собранные из множества крепежей и деталей, комплексным улучшением стабильности и точности конструкции, значительным снижением затрат и ускорением производства.

Конвенциональные методы обработки крупного титана

Процессы обработки титановых сплавов включают обычные операции (точение, лицевую фрезеровку, высокоскоростное резание (HSC), фрезеровку, сверление), формовочные операции (холодная и горячая формовка; гидроформовка, ковка) и альтернативные (лазерная резка, водорезка, прямое металлическое лазерное спекание). Обработка титановых сплавов считается сложной из-за высокой прочности на разрыв, низкой текучести, модуля упругости на 50% ниже (104 ГПа) и теплопроводности ~80% ниже стали. Низкий модуль упругости вызывает больший «обратный пружинистый эффект» и дефлекцию заготовки. Требуются более жесткие установки и большие зазоры для инструментов.

Почему сложно обрабатывать крупный титан?

1. Особенности структуры детали. Крупные точные титановые отливки — обычно интегральные рамочные детали. Чистая высота по Z обычно >650 мм, эффективно поддерживаемая внутренняя площадь мала. Местная жесткость низка; поверхность имеет много тонкостенных структур, толщина ребер 2–3 мм, плохая обрабатываемость. Обычно 4 диаметральных ступени. Фокальные отверстия и глубокие желобные уши очень сложны для ЧПУ-обработки, требования к точности (ширина желоба, коаксиальность, диаметр) очень высоки.

2. Особенности заготовки. Хотя размер заготовки фиксирован, трудно контролировать погрешность точности при ковке титановой отливки, поэтому в последующей ЧПУ-обработке возникают две проблемы: сложно обеспечить координацию необработанных и обработанных поверхностей, легко образуются ступени обработки, резко возрастает нагрузка на шлифовку; неравномерный припуск вызывает серьезную деформацию при ЧПУ-обработке.

3. Анализ деформационных характеристик. Неравномерное распределение напряжений приводит к серьезной деформации. Большинство крупных точных титановых отливок — полузамкнутые рамочные структуры с малым числом внутренних опор, задняя часть открыта, жесткость конструкции низка, нет технологических ребер для усиления. Во время обработки склонны к деформациям: растяжение открытого конца, смещение по высоте, изгиб профиля. Основные факторы: чрезмерное удаление материала локально, недостаточный сброс внутренних напряжений; после литья микроструктура неравномерна, ведущая к неравновесному сбросу термических напряжений.

Несмотря на эти трудности, существуют технологии, облегчающие обработку титана.

Какой метод идеален для обработки титана?

На основе структурных особенностей крупных титановых отливок и реальных трудностей обработки разрабатывается конкретный технологический план ЧПУ-обработки, включающий закрепление, быструю позиционировку, контроль деформации и контроль размерной точности.

Подробное описание титановой обработки

1. Схема закрепления

Поскольку верхняя часть конструкции крупных титановых отливок в свободном состоянии, отверстия на концах и большие центральные отверстия имеют низкую жесткость. Во время обработки часто возникают вибрации, негативно влияющие на качество. Решение: добавить три дополнительных комплекта регулируемого опорного оснащения на станок для эффективного повышения реальной жесткости обрабатываемой части точной титановой отливки, обеспечения качества поверхности и производительности.

2. Метод быстрой позиционировки

Быстрая позиционировка: установка фиксированного позиционирующего штифта на оснастке стола и позиционирующего отверстия на технологическом упире заготовки для обеспечения зазора отверстие-вал, гарантируя быструю и точную позиционировку. Штифт у начала координат делают цилиндрическим, дальний — шестигранным, чтобы оставить запас на деформацию заготовки при лучшей фиксации. Заложена основа для последующих закреплений.

3. Обработка с контролем деформации

Оптимизация режущих инструментов и параметров — во главе угла. Сила резания — один из главных факторов, влияющих на качество точных отливок. Она определяет тепло резания и деформацию, влияет на эффективность. При резании выбирают острый инструмент с большим передним углом и метод малослойной обработки с малой глубиной резания, снижая вероятность деформации. Второе — реализация безнапряженного шлифования. Под влиянием обработческих напряжений точность титановых отливок нарушается. Необходимо безнапряженное закрепление и шлифование. Когда крупная точная титановая отливка в свободном состоянии, под нижнюю поверхность позиционирующего упира подкладывают медные прокладки, обеспечивая закрепление без напряжений при прессовании, чтобы упир не деформировался, устраняя зажимные напряжения и деформацию отливки.

4. Схема контроля размерной точности

Перед началом ЧПУ-обработки необходимо всесторонне измерить обрабатываемые и необрабатываемые поверхности для облегчения последующего контроля деформации и припуска, определения припуска ЧПУ-программы по результатам проверки. В реальном процессе из-за явного ухода ножа на тонкостенных структурах крупных точных титановых отливок точность легко нарушается, приводя к локальной неровности и разнице размеров.

Особенности ЧПУ-титановых деталей

• Высокая прочность
• Коррозийная стойкость
<хорошее соотношение прочности к весу
• Дуктльность
• Хорошая обрабатываемость
• Варианты обработки поверхности
• Перерабатываемость

По этим причинам титан регулярно применяется в аэрокосмике, автопроме и медицине.

Профессиональный производитель ЧПУ-титановых деталей — JTR

JTR — опытный поставщик услуг ЧПУ-обработки, высокопрофессионален в производстве титановых деталей и прототипов. Получите бесплатную котировку сейчас.