Причины, почему титановый сплав трудно поддается обработке и как с этим бороться

Титан — важный конструкционный металл, разработанный в 1950-х годах. Титановые сплавы широко используются в различных областях благодаря своей высокой прочности, хорошей коррозионной стойкости и высокой термостойкости. Многие страны мира осознали важность материалов из титановых сплавов, последовательно провели их исследования и разработки и получили практическое применение. В 1950-1960-е годы в основном разрабатывались жаропрочные титановые сплавы для авиационных двигателей и конструкционные титановые сплавы для планеров. В 1970-х годах была разработана партия коррозионностойких титановых сплавов. С 1980-х годов получили дальнейшее развитие коррозионностойкие титановые сплавы и высокопрочные титановые сплавы. развивать.

Титановый сплав создал определенные проблемы для обрабатывающей промышленности из-за своей сложности в обработке.

Плотность титановых сплавов обычно составляет около 4,51 г/кубический сантиметр, что составляет всего 60% плотности стали. Плотность чистого титана лишь близка к плотности обычной стали. Некоторые высокопрочные титановые сплавы превосходят по прочности многие легированные конструкционные стали. Таким образом, удельная прочность (прочность/плотность) титанового сплава намного выше, чем у других металлических конструкционных материалов, и можно производить детали с высокой единичной прочностью, хорошей жесткостью и легким весом. Титановые сплавы используются в деталях авиационных двигателей, каркасах, обшивках, крепежных элементах и ​​шасси. Кроме того, титановые сплавы также широко используются в автозапчастях, медицинском оборудовании и электронной 3C-индустрии.

Сила резания при обработке титановых сплавов лишь немногим выше, чем у стали той же твердости, но физические явления обработки титановых сплавов гораздо сложнее, чем обработка стали, в результате чего обработка титановых сплавов сталкивается с огромными трудностями.
Теплопроводность большинства титановых сплавов очень низкая, всего 1/7 стали и 1/16 алюминия. Следовательно, тепло, выделяющееся при резке титанового сплава, не будет быстро передаваться заготовке или отводиться стружкой. Вместо этого он будет накапливаться в зоне резания, а возникающая температура может достигать более 1000 градусов, что приводит к быстрому износу режущей кромки инструмента, растрескиванию и образованию наростов, а режущая кромка быстро изнашивается, что приводит к быстрому износу режущей кромки инструмента. генерирует больше тепла в зоне резания и еще больше сокращает срок службы инструмента.

Высокая температура, образующаяся в процессе резки, также разрушает целостность поверхности деталей из титановых сплавов, что приводит к снижению геометрической точности деталей и явлению наклепа, которое серьезно снижает их усталостную прочность.
Эластичность титановых сплавов может быть полезна для производительности деталей, но в процессе резания упругая деформация заготовки является важной причиной вибрации. Давление резания заставляет «эластичную» заготовку отходить от инструмента и отскакивать, в результате чего трение между инструментом и заготовкой перевешивает режущее действие. В процессе трения также выделяется тепло, что усугубляет проблему плохой теплопроводности титановых сплавов.
Эта проблема становится еще более серьезной при обработке тонкостенных или кольцеобразных деталей, которые легко деформируются. Обработать тонкостенные детали из титановых сплавов с ожидаемой точностью размеров непросто. Поскольку, когда материал заготовки отталкивается инструментом, локальная деформация тонкой стенки превышает диапазон упругости и происходит пластическая деформация, прочность и твердость материала в точке резания значительно возрастают. В этот момент первоначально определенная скорость резания становится слишком высокой, что приводит к быстрому износу инструмента.

Поэтому основным виновником сложности обработки титановых сплавов является «нагрев».

Чтобы преодолеть эти проблемы и успешно обрабатывать титановые сплавы, можно использовать несколько подходов. К ним относятся:

(1) Используйте пластины с положительной геометрией угла, чтобы уменьшить силу резания, нагрев при резке и деформацию заготовки.
(2) Поддерживайте постоянную подачу, чтобы избежать затвердевания заготовки. Во время процесса резания инструмент всегда должен находиться в состоянии подачи. Радиальная величина резания ae должна составлять 30% радиуса во время фрезерования.
(3) Используйте смазочно-охлаждающую жидкость под высоким давлением и с большим расходом, чтобы обеспечить термическую стабильность процесса обработки и предотвратить деградацию поверхности заготовки и повреждение инструмента, вызванное чрезмерной температурой.
(4) Держите лезвие острым. Тупые инструменты являются причиной накопления тепла и износа, что может легко привести к выходу инструмента из строя.
(5) Обрабатывайте титановый сплав в максимально мягком состоянии, поскольку после закалки материал становится сложнее обрабатывать, а термообработка увеличивает прочность материала и увеличивает износ лезвия.
(6) Используйте большой радиус дуги или фаску на кончике инструмента, чтобы вставить в резку как можно большую часть кромки инструмента. Это снижает силу резания и нагрев в каждой точке и предотвращает локальные поломки. При фрезеровании титанового сплава среди параметров резания наибольшее влияние на стойкость инструмента vc оказывает скорость резания, за которой следует радиальное зацепление инструмента (глубина фрезерования) ae.

В общем, износ канавок лезвия, возникающий при обработке титановых сплавов, представляет собой локальный износ задней и передней части по направлению глубины резания. Это часто вызвано затвердевшим слоем, оставшимся от предыдущей обработки. Химическая реакция и диффузия между инструментом и материалом заготовки при температуре обработки, превышающей 800 градусов, также являются одной из причин износа канавок. Потому что в процессе обработки молекулы титана заготовки накапливаются перед лезвием и «привариваются» к лезвию под высоким давлением и температурой, образуя нарост на кромке. Когда нарост отслаивается от режущей кромки, он забирает с собой и твердосплавное покрытие пластины, поэтому обработка титана требует специальных материалов и геометрии пластин.

Условия резания, включая скорость резания, подачу и глубину резания, также играют жизненно важную роль в определении производительности режущего инструмента и качества готовой детали. Оптимальные параметры резания могут варьироваться в зависимости от типа обрабатываемого титанового сплава, но обычно рекомендуются более низкие скорости резания и более высокие подачи, чтобы уменьшить нагрев и предотвратить наклеп.

Использование правильной системы охлаждения имеет решающее значение для поддержания правильной температуры режущих инструментов и заготовок. СОЖ на водной основе, такие как эмульсии, широко используются при обработке титана, поскольку они обеспечивают эффективные охлаждающие и смазочные свойства, не вызывая химических реакций с материалом.
Несмотря на свои проблемы, титан остается очень востребованным материалом, который имеет решающее значение для многих современных применений. Используя правильные режущие инструменты, условия резания, системы подачи СОЖ и передовые методы обработки, можно преодолеть трудности обработки этого материала и полностью раскрыть его потенциал.