Обработка титана: сложности, инструмент и советы

Титан — превосходный материал для механообработки с широким набором свойств, который ценят в обработке на станках с ЧПУ за отличную коррозионную стойкость, жаростойкость, долговечность и хорошую биосовместимость, что делает его востребованным в аэрокосмической и медицинской отраслях. В этой статье рассмотрены ключевые аспекты обработки титана: как выбирать инструмент, почему титан сложно обрабатывать, советы по обработке титана на станках с ЧПУ и области применения.

Что такое титан?

Титан — переходный металл серебристо-белого цвета, открытый в Англии в 1791 году. Две важнейшие характеристики титана — удельная прочность и коррозионная стойкость. Кроме того, он обладает отличной биосовместимостью и безвреден даже при использовании в больших количествах, что делает его ценным в медицине. В производстве титан часто легируют алюминием, ванадием, цирконием и молибденом.

Почему для деталей обработки на станках с ЧПУ выбирают титан?

Хотя обработка титана обходится дорого, он остаётся популярным производственным материалом. Ниже перечислены основные преимущества титана как материала для механообработки:

Коррозионная стойкость: Титан легко реагирует с кислородом, образуя на поверхности тонкий оксидный слой, что обеспечивает естественную коррозионную стойкость.

Удельная прочность: Плотность титана составляет 4,51 г/см3 — 57% от плотности стали, поэтому он менее плотный; титан менее чем в два раза тяжелее алюминия и в три раза прочнее.

Биосовместимость: Титан обладает высокой биосовместимостью. В организме человека он устойчив к коррозии от выделений и нетоксичен, что делает его идеальным материалом для медицинской отрасли.

Долговечность: Титан обладает очень высокой прочностью: удельная прочность титанового сплава в 3,5 раза выше, чем у нержавеющей стали, в 1,3 раза выше, чем у алюминиевого сплава, и в 1,7 раза выше, чем у магниевого сплава.

Немагнитность: титан немагнитен, не подвержен магнитным помехам и является важным материалом для медицинских сканеров, самолётов, спутников и радаров.

Почему титан обрабатывают на станках с ЧПУ?

Из-за таких характеристик титанового сплава, как высокая прочность и низкая теплопроводность, возникают проблемы: сложность резания и механообработки, низкая производительность обработки и серьёзный износ инструмента, поэтому себестоимость высока. Однако с постоянным совершенствованием технологий обработки резанием, шлифованием и формообразованием на станках с ЧПУ затраты продолжают снижаться, а процесс обработки на станках с ЧПУ отработан и обеспечивает высокую точность — это по-прежнему основной современный способ обработки титанового сплава.

Почему титан сложно обрабатывать?

Концентрация температуры

Теплопроводность большинства титановых сплавов очень низкая — всего 1/7 от стали, 1/16 от алюминия и 1/25 от меди. Поэтому тепло, выделяющееся при резании титановых сплавов, не отводится быстро в заготовку или со стружкой, а концентрируется в зоне резания.

Температура на вершине инструмента может достигать 1 000°C, что приводит к быстрому износу и растрескиванию режущей кромки, наростообразованию и сокращению срока службы инструмента.

Упругая деформация

Модуль упругости титанового сплава не очень высок: например, модуль упругости Ti-6Al-4V (титан grade 5) составляет всего 110 ГПа, тогда как модуль упругости стали 45 — 210 ГПа, а модуль упругости нержавеющих сталей, таких как 304 и 316, также около 200 ГПа. Поэтому при обработке титанового сплава легко возникает упругая деформация.

Вибрация

Упругость титановых сплавов может быть полезной для эксплуатационных свойств детали, но упругая деформация заготовки в процессе резания — существенная причина вибрации.

При обработке титановых сплавов возникает примерно в 10 раз больше вибрации, чем при обработке стали. Поскольку тепло резания концентрируется в зоне резания, образуется зазубренная стружка и возникают колебания силы резания.

Полезные советы по обработке титана

Охлаждение

Используйте смазочно-охлаждающую жидкость для снижения высокой температуры резания. Нерастворимая масляная СОЖ подходит для низкоскоростного тяжёлого резания, а растворимая СОЖ — для высокоскоростного резания. Методы низкотемпературного резания, такие как использование жидкого азота (-180°C) или жидкого CO2 (-76°C) в качестве СОЖ, позволяют эффективно снизить температуру зоны резания, повысить качество обработанных поверхностей и продлить срок службы режущих инструментов.

Выбор подходящих режущих инструментов

Выбор подходящих режущих инструментов позволяет значительно повысить эффективность обработки. Поскольку тепло титанового сплава рассеивается в основном через режущую кромку и СОЖ, а не отводится со стружкой, как в случае со сталью, небольшая часть режущей кромки должна выдерживать большие термические и механические нагрузки. Сохранение остроты режущей кромки снижает силы резания. При необходимости можно использовать инструменты с покрытием, чтобы свести к минимуму прилипание сплава и измельчить чрезмерно длинную стружку.

Постоянная подача или увеличенная скорость подачи

Во время резания твёрдость титановых сплавов возрастает, что ускоряет износ инструмента. Поэтому поддержание постоянной подачи необходимо для минимизации наклёпа. Если характеристики оборудования позволяют, старайтесь увеличивать скорость подачи, чтобы свести к минимуму вероятность накопления тепла и наклёпа.

Как выбрать правильные режущие инструменты для обработки титана?

При обработке титана на станках с ЧПУ часто бывает сложно подобрать правильные режущие инструменты; вот факторы, которые следует учитывать:

Количество кромок на режущих инструментах

Для титана чем больше количество кромок, тем меньше вибрация. Чтобы сократить циклы обработки, необходимо увеличить количество стружечных канавок фрезерного инструмента. Например, концевая фреза с 10 канавками имеет низкую нагрузку на стружку для большинства материалов, но идеально подходит для титана. Это в первую очередь уменьшает радиальное врезание.

Геометрия инструмента

Выбор подходящей геометрии инструмента, включая угол резания, передний угол и задний угол, позволяет снизить силу резания и уменьшить теплоту резания. При обработке титанового сплава обычно следует выбирать меньший передний угол, что позволяет значительно повысить прочность режущей кромки и стойкость к выкрашиванию; выбор большего заднего угла позволяет уменьшить площадь контакта между задней поверхностью инструмента и переходной поверхностью, а также обрабатываемой поверхностью.

Фреза для высокоподачной обработки

Фрезы для высокоподачной обработки подходят для поддержания малого врезания при осевой и радиальной обработке титана. Фрезы для высокоподачной обработки идеально подходят для минимизации взаимодействия при радиальной обработке титана с использованием 5-осевой обработки на станках с ЧПУ.

Покрытия режущих инструментов

Покрытия могут эффективно снижать трение и повышать термостойкость режущих инструментов. TiAlN (нитрид титана-алюминия, PVD-покрытие) — превосходное покрытие, применяемое на широком спектре режущих инструментов. Оно обладает смазывающими свойствами, предотвращает налипание стружки, износ и приваривание стружки и идеально подходит для температур, характерных для фрезерования титановых сплавов с ЧПУ.

Сохранение остроты режущей кромки и предотвращение прерывания резания

Благодаря низкому модулю Юнга титан обладает высокой прочностью и упругостью. Это означает, что для эффективного удаления стружки с поверхности без трения необходимо использовать острые инструменты. Старайтесь избегать прерывистого резания, так как такой тип резания вдавливает стружку в острый инструмент и может привести к преждевременному выходу инструмента из строя.

Финишная обработка поверхности обработанных титановых деталей

• Электрофорез
• Дробеструйная обработка
• Полирование
• Хромирование
• Окрашивание
• PVD-покрытие
• Порошковая окраска

Применение обработанных титановых деталей

Обработанные титановые детали долговечны, коррозионно-стойки и эстетичны. Эти свойства делают их пригодными для использования в различных отраслях промышленности

Аэрокосмическая отрасль

Титан является незаменимым материалом в аэрокосмической отрасли благодаря своей лёгкости, превосходной низкотемпературной вязкости и термостойкости. В аэрокосмической отрасли титан используется при изготовлении корпусов ракетных двигателей, корпусов искусственных спутников, космических аппаратов, сверхнизкотемпературных контейнеров и резервуаров для хранения на пилотируемых космических кораблях. В авиастроении титан и его сплавы играют важную роль в производстве дисков авиационных турбин, лопаток, заклёпок, корпусов, элементов конструкции фюзеляжа и т. д.

Химическая промышленность

Титан часто используется в нефтехимической промышленности для изготовления теплообменников, реакторов, резервуаров для хранения и другого оборудования благодаря высокой коррозионной и термической стойкости. Особенно в случаях, где требуется высокая коррозионная стойкость, титан применяется ещё шире.

Медицина

Титан широко применяется в медицинских изделиях благодаря отличной биосовместимости, немагнитности и коррозионной стойкости. Медицинский титан используется для изготовления искусственных суставов, искусственных костей, зубных имплантатов, кардиостимуляторов и других медицинских изделий. Такие титановые изделия хорошо совместимы с костями и тканями человека и могут длительное время находиться в организме без негативных реакций.

Автомобилестроение

Титан обладает малым весом, хорошей термостойкостью и коррозионной стойкостью, поэтому он всё шире применяется в автомобильной промышленности, в том числе для изготовления компонентов двигателей, шатунов, коленчатых валов, выхлопных систем, деталей кузова и шасси. Применение титановых сплавов для изготовления деталей позволяет существенно снизить массу автомобиля, повысить топливную экономичность и продлить срок службы.

Морская отрасль

Коррозионная стойкость титана позволяет ему стабильно работать в морской воде длительное время. Подводные лодки из титана не только противостоят коррозии в морской воде (по данным экспериментов, титан, погружённый на морское дно на 20–50 лет, не корродирует), но и выдерживают давление на большой глубине: глубина погружения на 80% превышает показатели подводных лодок из нержавеющей стали. Кроме того, титан немагнитен, его не обнаруживают мины, что обеспечивает отличную защиту. Он часто используется для изготовления оборудования для опреснения воды, оборудования для морского бурения нефти и электростанций, работающих на преобразовании тепловой энергии океана.

Спорт и товары повседневного спроса

Коррозионная стойкость и эстетичность титана делают его идеальным для спортивных товаров и товаров общего назначения. В мировом производстве гольф-оборудования титан расходуется в огромных объёмах: ежегодно на изготовление титанового гольф-оборудования уходит более 6 000 тонн титана. Кроме того, титан широко применяется в теннисных и бадминтонных ракетках, лыжных палках, снеговых лопатах, альпинистских палках, треккинговых кошках, санях, масках для фехтования, удилищах, велосипедах, оправах для очков, столовых приборах, часах, изделиях ручной работы и других предметах быта.

Титан имеет широкий спектр применения, охватывающий аэрокосмическую, химическую, медицинскую, автомобильную, морскую отрасли, спорт и товары повседневного спроса. По мере непрерывного развития науки и техники и совершенствования свойств титановых материалов области применения титана будут и дальше расширяться.

Распространённые марки титана для обработки на станках с ЧПУ

В обработке на станках с ЧПУ виды титана и титановых сплавов в основном классифицируются по составу и назначению; распространённые виды: титан Grade 1, титан Grade 2, титан Grade 3, титан Grade 4, титан Grade 5, титан Grade 6, титан Grade 7, титан Grade 23 и др. Если вы хотите узнать больше о титане, обязательно загляните в наш блог – что такое титан: полное руководство .

Выберите DEK для обработки титановых деталей

DEK — профессиональная и опытная компания по обработке на станках с ЧПУ, специализирующаяся на обработке титановых сплавов. Благодаря современным 5-осевым обрабатывающим центрам и команде высококвалифицированных конструкторов и инженеров мы предлагаем качественную обработку титановых сплавов на станках с ЧПУ по конкурентным ценам для самых разных отраслей. Среди наших успешных проектов – рабочее колесо, крепления антенн и крепёжные изделия.

Заключение

Прочитав этот блог, вы наверняка получили полное представление об обработке титана на станках с ЧПУ. Обработка титана и его сплавов требует особого внимания и деликатного подхода для обеспечения оптимального изготовления детали. В отличие от распространённых металлов, таких как сталь и медь, обработка титана имеет свои уникальные сложности и требует правильного инструмента, специальных методов и достаточного терпения. По этой причине часто лучше передать проекты обработки титана на станках с ЧПУ специализированной команде, такой как DEK, где мы можем обеспечить высокое качество и точность деталей.

Часто задаваемые вопросы

Какова стоимость обработки титана на станках с ЧПУ?

Стоимость обработки титана на станках с ЧПУ может варьироваться в зависимости от ряда факторов, таких как сложность детали, её размер, требуемые допуски, производимое количество и используемая марка титана.

Какие виды режущего инструмента обычно применяются для обработки титана?

Инструмент из быстрорежущей стали (HSS); твердосплавные пластины; керамические пластины и инструмент из поликристаллического алмаза (PCD)

Какова скорость резания титана?

При обработке титана на станках с ЧПУ рекомендуются низкие скорости резания. Более высокие скорости резания легко повышают температуру на вершине инструмента, что может вывести инструмент из строя.

Коробится ли титан при механической обработке?

Титан может коробиться при механической обработке из-за низкой теплопроводности и высокой прочности, которые вызывают накопление тепла и остаточные напряжения. Для минимизации коробления необходимы надлежащее охлаждение и правильные методы обработки.