ООО “Токарная обработка” осуществит (от Вт1-0 и далее) на станках ЧПУ, партии от 1 шт, большой опыт работы.
Одной из основных специализаций нашей фирмы является токарная обработка титана всех возможных марок (основные вт1-0, вт3-1, от4-1, пт3в, вт16) и видов (пруток, плита, лист, труба, поковки). Так же осуществляем сварку и старение титана и деталей на его основе. Ниже на фото представлено весьма сложное изделие, изготовленное нашей фирмой из титана вт1-0 со сваркой и старением!
Для расчета стоимости токарной обработки титана пошлите запрос с чертежами на электронную почту . Звоните 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.
Токарная обработка титана сопровождается многочисленными трудностями, что отличает его от прочих металлов. Объясняется это тем, что титан имеет:
– высокую прочность и значительную массу;
– низкую теплопроводность и прекрасную антикоррозийную устойчивость.
Благодаря этим свойствам, титан обладает большой популярностью в среде производителей, которые занимаются токарной обработкой деталей. Одновременно с этим, данные характеристики делают этот металл очень неудобным для резки и обработки. Так, например, появляется вибрация. Режущий элемент быстро изнашивается.
В случае, если эти явления удается компенсировать, то процесс обработки становится чрезвычайно эффективным. Использование наиболее совершенных токарных и фрезеровочных станков, компрессорных установок и другого необходимого оборудования позволило намного облегчить процесс обработки.
Для обработки титана на токарном станке деталь надежно фиксируется на мощном станке. Правильно отбирается режущий блок. Однако, создание идеальных условий иногда невозможно осуществить, ибо детали могут обладать сложной формой и слишком тонкими стенками.
При таких сложностях агрегаты, на которых происходит токарная обработка титана, быстро приходят в негодность. Детали, имеющие сложную форму, порой, не удается закрепить должным образом.
Титан не теряет свои технические характеристики и в процессе обработки. При этом, выделяется немало тепла. Посему, велик риск возникновения дефектов на поверхности детали, а значит, правильно и грамотно подобрать режущий элемент ─ этап крайне ответственный. Практика показывает: отличным вариантом является использование в качестве сырья для создания резака мелкозернистых металлических сплавов. Таким образом, резка и сверление становятся эффективными.
Помимо этого, при обработке титана на токарном станке стружка задирается и налипает на режущие элементы. Данный недостаток устраняется оксидированием: титановая заготовка нагревается до 900 градусов Цельсия и выставляется в таком виде на открытый воздух. После этого, болванку нужно быстро охладить в воде и продолжить токарную обработку деталей из титана.
Свойства титана: именно вязкость и теплопроводность служит причиной того, что резец сильно нагревается. В результате, даже чрезвычайно прочные и качественные токарно-фрезерные инструменты быстро разрушаются. Из-за значительной вибрации, которая возникает в процессе работы с титаном, требуются мощные станки, рама коих надежно фиксируется на станине.
Изготовление титановых деталей
Чтобы изготовление титановых деталей на токарном станке ЧПУ проходила легко, необходимо, чтобы:
– использовались станки с большой мощностью, где есть возможность регулировать скорость вращения заготовок;
– инструменты и заготовки подавались с небольшим вылетом;
– движущиеся детали были надежно и идеально пригнаны.
Помимо этого, режущие инструменты и фиксирующие узлы должны обладать высокой термической стойкостью, ибо титан, оставаясь холодным, нагревает донельзя металл резца, вкупе с окружающим местом реза.
Большое внимание следует обратить на вибрацию деталей из титана, которая имеет место при обработке титана на токарном станке ЧПУ. Она возникает вследствие:
– небольших габаритов деталей;
– применение длинного режущего инструмента при токарной обработке деталей из титана;
– вязкости металла. Сильный нагрев и большие обороты приводят к тому, что стандартный конус шпинделя очень быстро становится негодным.
Сделаем оперативный расчет по вашим чертежам, пошлите их на электронную почту . Можно позвонить 8 3439 38 00 81, 8 3439 38 98 01, доставка по всей России.
Решить эту проблему можно,:
– уменьшив расстояние, которое разделяет деталь и шпиндель;
– точно подогнав движущиеся узлы станка;
– жестко закрепив и раму агрегата, на котором происходит токарная обработка титана, и его неподвижные узлы.
Соответственно, компенсация (устранение) вибрации возможна, если:
– аккуратно и точно настроить абсолютно все блоки станка;
– тщательно подобать небольших габаритов жаропрочный режущий инструмент;
– максимально приблизить друг к другу место крепления резца и саму деталь.
Благодаря этим мерам, станок сможет работать достаточно долго, если не увеличивать габаритные допуски на заготовке.
Существует ряд дополнительных способов, обеспечивающих стабильность процесса токарной обработки титана. Целесообразно уменьшить количество оборотов, точно отрегулировать положение резца, надежно закрепив его, ибо биение инструмента разрушает узел режущего инструмента полностью.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Упруго-пластическое деформирование при резании метал-лов весьма сложно. Оно находится во взаимной связи с дру-гими факторами и явлениями, сопутствующими процессу реза-ния. Поэтому более полная характеристика физических основ резания титановых сплавов может быть получена лишь при комплексном исследовании тепловых явлений, деформаций по-верхностных слоев, сил резания, износа режущего инструмента и качества обработанной поверхности.
ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ
Тепло, возникающее в процессе резания, оказывает влияние на состояние, слоя под обработанной поверхностью, шерохо-ватость поверхности, точность обработки, а также на износ и стойкость режущего инструмента. Под влиянием тепла изме-няются условия трения на передней и задней поверхностях ин-струмента, деформация срезаемого слоя, наростообразование и другие явления.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Исследованию был под-вергнут высокопрочный титановый сплав отечественного произ-водства ВТЗ-1. Химический состав, механические и теплофизи-ческие свойства заготовки этого сплава взяты в пределах, ука-занных в табл. 1 и 2. Выбор сплава ВТЗ-1 обусловлен тем, что он имеет (α +β)-структуру, т. е. занимает среднее положение между а- и β-сплавами, поэтому полученные при исследовании результаты являются наиболее типичными. Кроме того, сплав ВТЗ-1 получил наибольшее распространение.
Для получения сравнительных данных были исследованы также сплавы -на основе железа (ЗОХГСА) и никеля (ХН70ВМТЮ). Заготовки этих сплавов находились в состоянии поставки. Химический состав и физико-механические свойства их удовлетворяли техническим условиям.
ВТЗ-1 почти в 2 раза превышает температуру, возникающую при обработке стали 30ХГСА. Она близка к температуре, раз-вивающейся при точении в тех же условиях жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ, процесс резания которого характеризуется весьма напряженным тепловым режимом. Сравнение получен-ных результатов с данными, приведенными в работе , пока-зывает, что температура при резании титанового сплава ВТЗ-1 в среднем в 2 раза выше температуры резания стали 40Х и в 3—4 раза выше температуры, возникающей при обработке алюминиевых сплавов. Это свидетельствует о том, что резание титановых сплавов характеризуется весьма высокими темпера-турами, физическая сущность возникновения которых изложена ниже.
АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРЫ.
При резании пластичных материалов, к которым относится технический титан и его сплавы, работы упругих деформаций и диспергирования незначительны, поэтому основными источниками тепловыделения следует считать пла-стическую деформацию и трение.
Титановые сплавы по сравнению со сплавами на основе никеля и железа, как было показано выше, характеризуются меньшей пластической деформацией. Подобное заключение следует также из сравнения коэффициен-тов усадки стружки титановых и никелевых сплавов (рис. 19). Следовательно, можно предполо-жить, что при резании титановых сплавов выделяется меньшее ко-личество тепла, чем при обработ-ке сталей и сплавов на основе никеля.
Согласно приведенным данным интенсивность выделения тепла в деталь при обработке титановых сплавов ниже, чем при. обработке сплавов на основе никеля со сталью 45 выделении тепла у тита-нового сплава ВТ2 при точении сви-детельствуют и кривые на рис. 20. Можно было ожидать, что при реза-нии температура в деформированной зоне титановых сплавов должна быть ниже, чем у сталей. Однако рассмот-ренные ранее результаты эксперимен-тального исследования температуры резания показывают обратное. Темпе-ратура резания титанового сплава (см. рис. 17, б) достигает 800° С уже при υ = 40 м/мин, s = 0,17 мм/об и t — = 1,5 мм; при резании же стали 45, по данным исследования , анало-гичная температура возникает при значительно более высоких параметрах режима резания, а именно: v= 100 м/мин, s = = 0,29 мм/об и t=2 мм.
Таким образом, высокой температуре резания титановых сплавов, значительно превосходящей температуру три анало-гичной обработке сталей, соответствует сравнительно неболь-шое количество выделившегося тепла, меньшее, чем при резании в тех же условиях сплавов на основе железа и никеля.
ИЗНОС РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ПОЛУЧИСТОВОЙ И ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКЕ.
При чистовом и полулистовом непрерывном точении исследуемых титановых сплавов резцами, оснащенными пла-стинками из однокарбидного твердого сплава, процесс износа может быть представлен в следующем виде. В начальный пе-риод резания на задней поверхности резца, вдоль режущей кромки, наблюдается появление характерных штрихов износа, являющихся результатом трения между соответствующим кон-тактным участком резца и поверхностями обрабатываемой за-готовки. Износ по передней поверхности при этом представляет след сходящей стружки и имеет вид лунки, более или менее оформленной в зависимости от условий обработки (режима ре-зания и марки твердого сплава). При дальнейшем резании происходит развитие износа как по передней, так и особенно по задней поверхности (рис. 57, д—ж; 58, д). На передней поверх-ности развитие износа проявляется в окончательном оформлении лунки, увеличении ее размеров, сопровождающемся устранением перемычки между лункой и режущей кромкой (рис. 57,а), в возникновении местного прорыва кромки (рис. 57,6 и г) и, на-конец, в разрушении лунки, при котором по ее наружному кон-туру выкрашивается кромка (рис. 58,а), вследствие чего передний угол в зоне контакта оказывается отрицательным. Так как при выкрошенной режущей кромке требуемое качество об-работанной поверхности и. прилегающего к ней слоя не может быть гарантировано, то при чистовой обработке деталей из титановых сплавов износ передней поверхности, определяющий необходимость переточки резцов, следует характеризовать ста-дией исчезновения перемычки или началом образования местного прорыва кромки. Этим этапам износа по передней поверхно-сти, как показывают наблюдения и результаты исследования (рис. 57,6 и г), соответствует износ по задней поверхности, равный 0,3—0,4 мм. При получистовом точении, основываясь на результатах проведенных исследований остаточных напря-жений первого рода и наклепа, а также исходя из требований точности и чистоты обработки, оказывается возможным допу-щение большего износа по передней поверхности, определяе-мого прорывом перемычки и наличием выкрашиваний режущей кромки в зоне контактных поверхностей. Такому затуплению соответствует износ по задней поверхности, равный 0,4—0,5 мм (рис. 58, д).
Согласно приведенным данным (рис. 59—62) износ по зад-ней поверхности указанных резцов по мере увеличения продол-жительности резания характеризуется закономерным измене-нием, возрастанием от узкой, не всегда четко оформленной ленточки штрихов до явно выраженной фаски износа, величина которой не превосходит указанного значения, установленного в качестве критерия за-тупления. Дальнейшее резание сопровождается наиболее ин-тенсивным развитием износа. При этом происходит не только
истирание, но и выкрашивание кромки по наружному контуру разрушенной лунки (см. рис. 58, а) —наиболее характерное для резцов, оснащенных пластинками из твер-дых сплавов ВКЗМ, ВК4 и ВК6М (см. рис. 58,б и в), и приводящее их к катастрофическому износу по задней поверх-ности в виде отслаиваний и сколов (см. рис. 58, г).
Износ резцов, оснащенных пластинками из двух- и трехкарбидных твердых сплавов, по внешнему виду (см. рис. 57, а; 58, е и ж) аналогичен износу, наблюдаемому у резцов с пластинками из сплавов ВК2, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8Та, ВК12Та. Однако процесс износа у этих резцов протекает значительно интенсивнее. Это заключение следует из сравнения фотографий резцов (см. рис. 57, α, в; 58, д, е, ж) и кривых износа (см. рис. 60, а, б).
Резцы из быстрорежущей стали раз-личных марок (Р18, Р9Ф5 и др.), по-добно рассмотренным, характеризуются износом, происходящим на передней и задней поверхностях, причем преобла-дание износа на задней поверхности выражено более харак-терно (рис. 63). При средних скоростях резания для резцов с пластинками из сплавов ВК2 и,ВК4 быстрорежущие резцы подвергаются настолько значительному износу, что не могут быть сравнимы с указанными резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов. Поэтому быст-рорежущий инструмент находит применение лишь при работе на небольших скоростях резания, в среднем не превышающих 10—15 м/мин (см. рис. 61,6), причем в тех случаях, когда не представляется возможным изготовить режущий инструмент, оснащенный твердым сплавом. Проведенное исследование износа ин-струмента, применяемого при выполнении этих видов обработки, показало, что общей особенностью затупления сверл и раз-верток, оснащенных пластинками, из твердого сплава ВК8, а также быстрорежущих сверл, разверток, метчиков и протяжек является преобладание износа по задней поверхности (рис. 64). Однако у быстрорежущих инструментов наряду со значительным износом по задней поверхности происходит быстрое притупление режущих кромок, в то время как у сверл, разверток и протяжек, оснащенных пластинками из твердого сплава ВК8, режущие кромки практически остаются острыми и при наличии износа по задней поверхности. Притупление кромок приводит не только к увеличению износа по задней поверхности, но и к потере (уменьшению) размера развернутого отверстия или протяну-того паза. Указанное явление связано с низким модулем упру-гости титановых сплавов и, следовательно, значительной склон-ностью их к упругому деформированию. Вследствие этого воз-росшие при обработке затупленным инструментом силы резания вызывают существенные упругие деформации обрабатываемой детали.
На сегодняшний день выделяется группа металлов, для которых необходимо создать специальные условия, прежде чем приступить к работе с ними. Обработка титана относится к этой категории работ. Все сложности и особенности процесса связаны с тем, что этот материал характеризуется повышенной твердостью.
Описание
Титан характеризуется тем, что он очень прочный, имеет серебристый цвет, а также обладает огромной устойчивостью к процессу ржавления. Из-за того, что на поверхности металла образуется пленка TiO 2 , он обладает хорошей устойчивостью ко всем внешним воздействиям. Негативно на свойствах титана может сказаться лишь влияние веществ, которые содержат в своем составе щелочь. При контакте с этими химическими веществами сырье теряет свои прочностные характеристики.
Из-за того, что продукт обладает повышенной прочностью, при токарной обработке титана приходится использовать инструмент из сверхпрочного сплава, а также создать другие особые условия при работе на токарном станке с ЧПУ.
Что нужно учитывать при обработке?
При необходимости работы с титаном обязательно нужно учитывать следующие свойства:
- Первое - это налипание. При обработке титана с использованием токарного станка создается высокая температура, из-за которой материал начинает плавиться и прилипать к режущему инструменту.
- Во время обработки также возникает мелкая дисперсная пыль. Она может детонировать, а потому во время работы очень важно строго соблюдать все правила техники безопасности.
- Для того чтобы качественно осуществить процесс резки такого сверхпрочного металла, необходим инструмент, который может обеспечить подходящий режим.
- Специально подбирать инструмент для резки приходится еще и потому, что титан характеризуется низкой теплопроводностью.
После того как обработка титана заканчивается, готовая деталь обычно подогревается, после чего ей дают остыть на открытом воздухе. Таким образом создают защитную пленку на поверхности материала, о которой было написано выше.
Классификация способов обработки
Для того чтобы осуществить резку такого сырья, необходим специальный инструмент, а также токарный станок с ЧПУ. Сам процесс разделяется на несколько операций, каждая из которых осуществляется по собственной технологии.
Что касается самих операций, то они могут быть основными, промежуточными или предварительными.
При обработке титана на станках нужно помнить, что в это время возникает вибрация. Для того чтобы частично решить данную проблему, можно крепить заготовку многоступенчатым образом, а также делать это как можно ближе к шпинделю. Чтобы уменьшить влияние температуры на процесс обработки, рекомендуется использовать резцы из мелкозернистого твердого сплава без покрытия и пластин со специальным PVD. Здесь стоит обратить внимание на то, что во время обработки титана резанием от 85 до 90% всей энергии будет превращаться в тепловую, которая будет поглощаться стружкой, обрабатываемой заготовкой, резцами и жидкостью, которая предназначена для охлаждения. Обычно температура в зоне работ достигает 1000-1100 градусов по Цельсию.
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 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 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.
Инструмент для обработки
Требования, которые предъявляются к инструменту для обработки материала, довольно высоки. Чаще всего обработка титана и сплавов производится при использовании резцов, у которых имеются съемные головки, а устанавливаются они на станки с ЧПУ. Во время эксплуатации рабочий инструмент подвергается абразивному, адгезийному и диффузному изнашиванию. Особое внимание стоит уделить диффузному изнашиванию, так как в это время происходит процесс растворения и режущего материала, и заготовки из титана. Наиболее активно эти процессы протекают, если температура находится в пределах от 900 до 1200 градусов по Цельсию.
Требования к инструменту
Особенность обработки титана заключается еще и в том, что необходимо подбирать рабочий инструмент в зависимости от того, какой режим работы выбран.
Для работы в предварительном режиме чаще всего используются пластины с круглой или же квадратной формой марки iC19. Изготавливаются данные пластины из специального сплава, который маркируется как Н13А и не имеет покрытия.
Для того чтобы успешно обрабатывать титан промежуточным способом, необходимо уже использовать только круглые пластины из того же сплава Н13А или же из сплава GC1155 с покрытие PDV.
Для наиболее ответственного, основного способа обработки применяются круглые насадки со шлифовальными режущими кромками, которые изготавливаются из сплавов Н13А, GC 1105, CD 10.
Важно добавить, что при обработке на токарных станках с ЧПУ допускается самое минимальное отклонение от формы детали, которая была указана в техническом задании. Чаще всего элементы, изготовленные из такого сплава, не имеют отклонений от нормы вовсе.
Основная проблема при обработке
Основная проблема, с которой сталкиваются при обработке этого сырья, это налипание и задирание на инструмент. Из-за этого термическая обработка титана очень сложна. Кроме того, достаточно много проблем доставляет и тот факт, что металл отличается очень низкой теплопроводностью. Из-за того, что другие металлы сопротивляются нагреву гораздо слабее, при контакте с титаном чаще всего они образуют сплав. Это является основной причиной быстрого износа инструментов. Для того чтобы несколько уменьшить задирание и налипание, а также отвести часть выделяемого тепла, специалисты рекомендуют делать следующее:
- во-первых, нужно обязательно использовать охлаждающую жидкость;
- во-вторых, при проведении заточки заготовок, к примеру, должны использоваться инструменты из таких же сверхпрочных материалов;
- в-третьих, при обработке сырья при помощи резцов скорость значительно понижают, чтобы снизить нагрев.
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.
Соединение деталей
В некоторых случаях изделия из титана выступают частью большой конструкции. Это говорит о том, что возникает необходимость соединения разных материалов.
Для того чтобы соединять изделия из этого сырья используется четыре основных метода. Основной из них - это сварка, используется еще пайка, механический способ соединения, предполагающий использование заклепок и соединение при помощи болтового крепления.На сегодняшний день основной метод обработки для соединения изделий в одну конструкцию - это сварка в среде инертного газа или специальных бескислородных флюсов.
Что касается пайки, то этот метод применяется только в том случае, если сварка невозможна или же нецелесообразна. Данный процесс осложняется некоторыми химическими реакциями, которые возникают в результате пайки. Чтобы выполнить механическое соединение при помощи болтов или заклепок, придется также применить специальный материал.
Принято считать, что титан поддаётся механической обработке подобно нержавеющим сталям. Это значит, что обрабатывать титан в 4-5 раз труднее, чем обычную сталь, но это всё же не составляет неразрешимой проблемы.
Основные проблемы при обработки титана - это большая склонность его к налипанию и задиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, что практически все металлы и огнеупорны растворяются в титане, в результате чего представляет собой сплав титана и твёрдого материала режущего инструмента. Такая обработка вызывает быстрый износ резца.
Для уменьшения налипания и задирания и для отвода большого количества тепла, которое выделяется при резании, применяют охлаждающие жидкости. Точение заготовки производят спомощью резцов из твёрдых сплавов причём скорость обработки, как правило, ниже, чем при точении нержавеющей стали.
Если необходимо разрезать листы из титана, то эту операцию осуществляют на гильотинных ножницах. Сортовой прокат больших диаметров режут механическими пилами, применяяножовочные полотна с крупным зубом. Менее толстые прутки разрезают на токарных станках.
При фрезеровании титан остаётся верным себе и налипает на зубья фрезы. Фрезы тоже изготовляют из твёрдых сплавов, а для охлаждения применяют смазки, отличающиеся большой вязкостью.
При сверлении титана основное внимание обращают на то, чтобы стружка не скапливалась в отводящих канавках, так как это быстро повреждает сверло. В качестве материала для сверления титана применяют быстрорежущую сталь.
При использовании титана как конструкционного материала титановые детали соединяют друг с другом и с деталями из иных материалов разными методами.
Основной метод - сварка. Самые первые попытки сварить титанбыли неудачными, что объяснялось взаимодействием расплавленного металла с кислородом, азотом и водородом воздуха, ростом зерна при нагреве, изменениями в микроструктуре и другими факторами, приводимые к хрупкости шва. Однако все эти проблемы, ранее казавшиеся неразрешимыми, были решены в самые короткие сроки в наши дни сварка титана - обычная промышленная технология.
Но, хотя проблемы решены, сварка титана не стала простой и лёгкой. Основная её трудность и сложность заключается в необходимости постоянного и неукоснительного предохранения сварного шва от загрязнения примесями. Поэтому при сварке титана используют не только инертный газ высокой чистоты и специальные бескислородные флюсы, но и разнообразные защитные козырьки, прокладки, которые защищают остывающие.
Чтобы максимально снизить рост зерна и уменьшить изменения в микроструктуре, сварку ведут с большой скоростью. Почти все виды сварки производят в обычных условиях, применяя специальные меры для защиты нагретого металла от соприкосновение с воздухом.
Но мировая практика знает и сварку в контролируемой атмосфере. Такая защита сварного шва обычно необходима при выполнении особо ответственных работ, когда требуется стопроцентная гарантия того, что сварной шов не будет загрязнён. Если свариваемые части не велики, сварку ведут в специальной камере, заполненной инертным газом. Сварщик хорошо видит всё, что ему нужно через специальное окно.
Когда же сваривают большие детали и узлы, контролируемую атмосферу создают в специальных вместительных герметичных помещениях, где сварщики работают, применяя индивидуальные системы жизнеобеспечения. Разумеется, эти работы ведут сварщики самой высокой квалификации, но и обычную сварку титана должны проводить только специально обученные этому делу люди.
В тех случаях, когда сварка не возможна или попросту не целесообразна, прибегают к пайке. Пайка титана осложняется тем, что он при высоких температурах химически активен и очень прочно связан с покрывающей его поверхность - окисной плёнкой. Подавляющее большинство металлов непригодно для использования в качестве припоев при пайке титана, так как получаются хрупкие соединения. Только чистые серебро и алюминий подходят для этой цели.
Соединять титан с титаном, а также с другими металлами можно и механически - клепкой или при помощи болтов. При использовании титановых заклёпок время клёпки увеличивается почти вдвое по сравнению с применением высокопрочных алюминиевых деталей, а гайки и болты из нового промышленного металла непременно покрывают слоем серебра или синтетического материала тефлона, иначе при завинчивании гайки титан будет, как это ему неизменно присуще, налипать и задираться и резьбовое соединение не сможет выдержать больших напряжений.
Склонность к налипанию и задиранию, обусловленная высоким коэфициентом трения, - очень серьёзный недостаток титана. Это приводит к тому, что титановые сплавы быстро изнашиваются и их нельзя использовать для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения. При скольжении по любому металлу титан налипает на его поверхность, и деталь вязнет, схваченная липким слоем титана.
Впрочем, говорить, что титановые сплавы нельзя применять при изготовлении трущихся деталей, неверно. Существует немало способов, упрочняющих поверхность титана и устраняющих склонность к налипанию. Один из них - азотирование.
Процесс заключается в том, что детали, нагретые до 850-950 градусов, выдерживают в чистом газообразном азоте более суток. На поверхности металла образуется золотисто-жёлтая плёнка нитрида титана большой микротвёрдости. Износостойкость титановых деталей повышается во много раз и не уступает изделиям из специальных поверхностно упрочнённых сталей.
Другой распространённый метод устранения склонности титана к задиранию - оксидирование. При этом в результате нагрева на поверхности деталей образуется окисная плёнка. При низкотемпературном оксидировании свободный доступ воздуха к металлу затруднён и окисная плёнка получается плотной, хорошо связанной с основной толщей титана.
Высокотемпературное оксидирование заключается в том, что в течении 5-6 часов детали выдерживают на воздухе нагретыми до 850 градусов, а затем резко охлаждают в воде, чтобы удалить с поверхности рыхлую окалину. В результате оксидирования сопротивление износу возрастает в 15-100 раз.
В этих условиях процесс резания осуществляется только быстрорежущими инструментами из стали Р18 или быстрорежущей стали, легированной кобальтом.
Но так как, быстрорежущая сталь выдерживает температуру только до 600°, то обработку резанием (при прерывистом резании с ударами) ведут с ограниченной скоростью (до 7-10 м/мин). Повысить сколько-нибудь существенно скорость резания (против указанного) на сегодня не представляется возможным, поэтому исследователи этих процессов идут по пути увеличения стойкости, которая может быть осуществлена за счет:
1) геометрических параметров режущего инструмента;
2) применения смазочно-охлаждающих жидкостей;
3) способа их подвода;
4) изыскания метода термической обработки жаропрочных сплавов для получения структуры, наиболее легко поддающейся резанию.
В настоящее время ведутся изыскания новых инструментальных материалов для эффективной обработки жаропрочных сплавов резанием.
Титановые сплавы обладают малой пластичностью, что существенным образом сказывается на их деформации при резании.
Если характеризовать пластическую деформацию срезаемого слоя продольной усадкой стружки, то таковая может быть равна и даже меньше единицы. Это значит, что соприкосновение срезаемого слоя с передней поверхностью инструмента происходит по узкой контактной площадке и, принимая во внимание значительный предел прочности этих сплавов, значительный износ инструмента получается при наличии высокой температуры на контактной площадке.
Вследствие этого становится естественным применение режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом. Так как твердые сплавы группы ТК более хрупкие, чем группы ВК, то при обработке титановых сплавов применяют сплавы группы ВК, т.е. так же, как вообще при обработке всех малопластичных материалов. Скорость резания при этом может быть до 100 м/мин и больше.
Существенное влияние на обрабатываемость резанием титановых сплавов оказывают, как упоминалось выше, различные газовые примеси, из которых наиболее активными являются Н2, 02, т.е. с повышением содержания их в титановых сплавах обрабатываемость резанием ухудшается.
Многочисленные исследования над обычными углеродистыми и легированными конструкционными сталями показали, что глубина наклепанного слоя, степень упрочнения, величина и знак (растяжение или сжатие) остаточных напряжений зависят от пластичности обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии инструмента, смазочно-охлаждающих жидкостей, степени затупления инструмента и жесткости системы деталь - станок - инструмент.
Исследования показывают, что остаточные напряжения в слое под обработанной поверхностью появляются в результате воздействия тепла, образующегося:
1) от трения задних поверхностей инструмента об обработанную поверхность;
2) пластической деформации этого слоя.
Все эти положения относятся и к жаропрочным сплавам. Исследования, произведенные для установления влияния упрочнения на выносливость деталей, изменение предела усталостной прочности деталей углеродистых и легированных конструкционных сталей, показывают, что во многих случаях упрочнение повышает выносливость деталей, вследствие чего появились и различные упрочняющие методы.
Сказанное в той или иной степени относится к жаропрочным и титановым сплавам, но также следует, что наличие остаточных растягивающих напряжений отрицательно сказывается на прочностных свойствах жаропрочных и титановых сплавов. Если детали тонкостенные, как, например, лопатки турбин, когда наклепанный после обработки слой материала может быть значительным по отношению ко всей толщине детали, то в этих случаях возможно рекомендовать производить обработку резанием так, чтобы наклеп (упрочнение) был бы минимальным.
При механической обработке сплавов на основе титана (например ВТЗ и ВТ5) выделяется меньшее количество тепла. На этом основании можно было бы ожидать, что среднеинтегральная температура в деформированной зоне указанных сталей и никелевых сплавов должна быть выше, чем у сплавов на основе титана. Однако,результаты температурных исследований при резании титановых сплавов, проведенные в широком диапазоне режимов резания, при сравнении с температурными данными для сталей показывают обратное. Например, температура резания титанового сплава достигает 800° С уже при скорости резания v = 40 м/мин, подаче s = 0,ll мм/об и глубине резания V=1,5 мм; при резании же стали 45 аналогичная температура развивается при значительно более высоком режиме: v = 100 м/мин; s = 0,29 мм/об и t = 2 мм.
В зоне резания возникает сложное деформированное и напряженное состояние при наличии пластических деформаций сжатия, сдвига и растяжения, которые распространяются далеко впереди резца и под обработанную поверхность.
Характер изменения деформаций и напряжений по длине и толщине зоны стружкообразования остается одним и тем же как для жаропрочных и титановых сплавов, так и для углеродистых сталей. Имеет место лишь количественное различие.
Наибольшей величины при резании жаропрочных сплавов и углеродистых сталей достигают деформации сжатия, а при резании титановых сплавов-деформации сдвига.
При высоких температурах, возникающих в процессе резания титановых сплавов, проявляется свойство активности титана к кислороду и азоту воздуха. Это приводит к изменению структуры и физико-механческих свойств поверхностного слоя обработанной детали, что по всей вероятности может быть причиной снижения ее усталостной прочности.
Жаропрочные сплавы склонны к образованию налипов на передней поверхности резца, что вызывает необходимость применения смазывающе-охлаждающих жидкостей, обладающих высокой смазывающей способностью.
При обработке жаропрочных сплавов выделяется большое количество тепла, которое повышает температуру детали и вызыва¬т изменение её размеров и формы. Во избежание этого требуется обильный подвод охлаждающей жидкости.
Большая склонность жаропрочных сплавов к наклепу. Так, на многих производствах, жаропрочный сплав после получения наклепа не поддается обработке резанием; рекомендует перед обработкой резанием этот материал предварительно подвергнуть термической обработке.
Большие силы резания, в 3-4 раза превышающие силы при резании обычных конструкционных сталей, и высокий коэффициент трения требуют применения инструментов с высокой чистотой рабочих поверхностей и острой режущей кромкой.
Большинство жаропрочных сплавов вследствие особенностей кристаллографической структуры их фазовых составляющих являются весьма абразивными, поэтому применяемые для их обработки инструментальные материалы должны сопротивляться этому воздействию либо по своей природе, либо в результате соответствующей специальной обработки и созданных условий работы.
Жаропрочные сплавы сохраняют значительную твердость и прочность при кратковременном повышении температуры при резании. При внезапном повышении температуры и последующей быстровозникающей деформации предел прочности сплава оказывается более высоким, а вязкость более низкой.
Сплавы титана обрабатываются несколько хуже нержавеющих сталей, но лучше жаропрочных сплавов. Сравнительно быстрое изнашивание режущих кромок инструмента при обработке титановых сплавов зависит от высокой химической активности титана, легко вступающего в соединения со всеми соприкасающимися с ним металлами. Эта особенность титана при его низкой теплопроводности и небольшой поверхности контакта между резцом. И стружкой приводит к развитию высокой температуры в зоне резания. Титановые сплавы часто содержат включения в виде окислов нитридов и карбидов, которые обладают высокими абразивными свойствами и способствуют ускоренному износу режущего инструмента. Наклеп не оказывает существенного влияния на износ режущего инструмента.
Обработка титановых сплавов
Сверла рекомендуется затачивать с двойным заборным конусом: 2ф = 90 и 118°; угол наклона винтовой канавки = 28-35°; задний угол 12°. При образовании глубоких отверстий, в процессе сверления следует периодически вынимать сверла из отверстия для очистки от стружки.
Для охлаждения применяют сульфурированные или хлорированные масла.
Для нарезания резьбы применяют метчики со спиральными канавками; метчики для нарезания резьбы до б мм и шагом менее 1,25 мм делаются двухканавочными; для более крупных резьб трехканавочными. Режущие и калибрующие зубья метчиков рекомендуется затыловать. Резьбу следует нарезать не полную; уменьшение высоты резьбы с 75 до 65% способствует повышению срока службы метчиков в 2-3 раза.
При нарезании резьбы в технически чистом нелегированном титане применяется скорость резания v = 12 м/мин. При нарезании резьбы в сплавах титана v=7,6 м/мин. Для охлаждения метчиков применяются сульфурированные и хлорированные масла.
При протягивании технически чистого нелегированного титана скорость резания, допускаемая протяжками из быстрорежущей стали v = 7,6 м/мин.
При протягивании титановых сплавов v = 4,6 м/мин.
Подача на зуб протяжки для черновых зубьев 0,075 - 0,15 мм; для чистовых 0,038-0,15 мм.
Обработка сплавав с твердостью HRC>37 связана со значительными трудностями ввиду быстрого износа протяжек.
При обработке титановых сплавав следует следить за состоянием протяжки и не допускать налипания титана на зубья.
Охлаждение: обильной струей сульфурированного или хлорированного масла. Зубья протяжек выполняются с передним углом 8°; с задними углами 3° - для черновых протяжек и 2° - для чистовых.
Разрезка титана
Разрезка пруткового материала диаметром 50-90 мм успешно производится ножевками из быстрорежущей стали. Шаг зубьев полотен зависит от твердости разрезаемого материала. При НВ 275-350 шаг зубьев 4,2-6,2 мм; при НВ 350- 6,2 мм; при НВ >350-8,4 мм.
Натяжение полотен должно быть постоянное и достаточное.
Сплавы титана режутся при 45-70 двойных ходах ножовки в минуту с подачей 0,15-0,23 мм на двойной ход. Для охлаждения применяют сульфурированное или хлорированное масло.
Хорошие результаты при разрезке титана дает дисковая пила со вставными зубьями. Передний угол зубьев пилы -5°. Для удаления стружки, прилипшей к зубьям пилы, применяют стружкоулавливатель.
В настоящее время начинают широко использовать резку титана абразивными кругами с применением охлаждающих жидкостей.
