Высший пилотаж в механической обработке титана

В резании на тяжелых режимах существуют особые требования к станку, инструменту и техпроцессу. А если речь идет о таком сложном в обработке материале, как титан, необходимо обладать особым know-how, чтобы их удовлетворить. WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG имеет собственное решение задачи изготовления деталей самолетных шасси из титана, которое подчеркивает компетентность фирмы в данной области.

Австрийская станкостроительная фир­ма WFL Millturn Technologies GmbH & Co. KG является ведущей в мире в области ком­плексной механообработки. Это уникальное предприятие концентрируется исключи­тельно на производстве мультифункцио- нальных токарно-сверлильно-фрезерных центров, а также предлагает своим заказ­чикам технологии комплексной обработки. Вместе со станками поставляется необхо­димое программное обеспечение, вклю­чая адаптированные стратегии обработки, а также разрабатывается техпроцесс и про­изводится обучение.

Одним из важных сегментов рынка WFL является авиастроение. «В этой отрасли промышленности все чаще используются материалы, сложные в обработке», — говорит Райнхард Колль, главный инженер WFL. — Обработка титана является той областью, где мы можем показать лучший результат, используя собственные know-how», — про­должает он, указывая на профессионализм сотрудников WFL.

Титан при обработке всегда предъ­являл особые требования к инструменту. Будучи очень легким, но при этом очень прочным материалом благодаря своим прекрасным свойствам, он стал широко востребован, и прежде всего в авиа- и ра­кетостроении, а также при производстве медицинских изделий. Титан Ti6Al4V— один из часто используемых сплавов — содержит 6% алюминия и 4% ванадия. Он характери­зуется низкой теплопроводностью, корро­зионной стойкостью и высокой удельной прочностью. Несмотря на то, что для этого материала имеется хорошая база экспери­ментальных данных, его обработка до сих пор считается королевской дисциплиной.

Для специального назначения, зачастую по требованию заказчика, разрабатываются все новые титановые сплавы. Так, например, титан 5553 (Ti5Al5V5Mo3Cr) ВСМПО (россий­ское предприятие, являющееся крупнейшим в мире производителем титановых материа­лов) рекомендуется для производства само­летных шасси. Сплав отличается повышенной прочностью и вязкостью. Он более устойчив к изменению структуры при нагреве. Этот материал в металлообработке оправдывает свое название, которое получил в честь мо­гучих титанов из древнегреческой мифоло­гии, поскольку выдерживает повышенные нагрузки.

Ti 5553 относится к самым сложным в обработке материалам, представленным на рынке. Дело в том, что скорость его об­работки не должна превышать 45 м/мин, так как уже при 60 м/мин происходит его упроч­нение и повышается допускаемое напряже­ние при срезе до 2780 Н/мм2.

Перегрев вследствие плохой теплопро­водности и связанное с этим изменение фи­зических свойств: повышенная хрупкость, а также образование наростов на режущей кромке инструмента, при обработке этого материала возникают чаще, чем у других титановых сплавов. Поэтому при резании Ti 5553 следует обращать особенное внимание на то, чтобы скорость и подача инструмента точно соответствовали друг другу. Кроме того, важную роль здесь играет использо­вание соответствующей СОЖ и стратегии охлаждения. Также должно обеспечиваться быстрое отделение стружки, так как отвод тепла происходит в основном через ин­струмент. Еще одной сложностью в работе с данным материалом является устранение оксидной пленки, называемой экспертами «слоновьей кожей», т. к. она имеет очень вы­сокую твердость.

Титан склонен к налипанию на резец. Поэтому, как указывалось выше, обработка должна проходить при низкой скорости ре­зания, но при относительно быстрой и рав­номерной подаче. Следует обратить внима­ние на то, чтобы инструмент был острым, а вибрация минимизирована. Режущие пластины должны быть изготовлены из бы­строрежущей стали с высоким содержанием кобальта, твердого сплава или стеллита.

При черновой обточке передний угол резца твердосплавных инструментов дол­жен быть в пределах от -6° до +6°, а при чистовой обточке: 0°-15°. При этом задний угол всегда должен равняться приблизи­тельно 7°. Угол наклона должен составлять -4° у твердосплавного инструмента и 0°-5° у инструмента из быстрорежущих сталей.

Титан склонен привариваться к инстру­менту, поэтому попутное фрезерование предпочтительнее встречного. При этом стружка в форме запятой отделяется в са­мом тонком месте, что уменьшает повреж­дения фрезы. Передний угол резания для фрезы из быстрорежущих сталей должен составлять от 0° до 10°, а из твердого сплава и стеллита — 0°. При этом задний угол дол­жен составлять 12°.

Особые свойства титана проявляют­ся в первую очередь при шлифовании. Так как он имеет довольно высокий коэффици­ент трения, при его шлифовании возникает высокая температура и происходит хими­ческое взаимодействие между металлом и абразивом, что приводит к обгоранию и засаливанию поверхности абразивно­го инструмента. В результате перегрева абразивные зерна относительно быстро затупляются и проскальзывают. Даже если на отшлифованной поверхности обгорание не заметно, может возникать поверхностное напряжение, которое приводит к трещинам и снижению прочности при длительной на­грузке.

В качестве СОЖ обычно используются растворы на водной основе. В частности, применяются водные растворы нитрида на­трия или масляные эмульсии. При темпера­турах ниже 200 °С можно использовать суль­фированное масло (в таком случае после механообработки деталь нужно вымыть).

Из сказанного выше ясно, что при обра­ботке титана необходим опыт как в выборе и использовании инструмента, так и в стра­тегии обработки.

Для решения задачи обработки узлов шасси пассажирских самолетов заказчик, как правило, требует от поставщика станков предоставления концептуального проекта, содержащего основные этапы обработки. Заготовкой для таких деталей обычно бы­вает поковка больших размеров, нередко очень дорогостоящая.

Уже на этапе разработки концепции специалистам WFL необходимо доказать, что будут учтены все проблемные аспекты. Так, например, следует учесть, что заготовка различной конфигурации требует различ­ной стратегии обработки. Учтены должны быть как зоны термического влияния, так и возникающие усилия резания. А послед­ние в «слоновьей коже» на 70-80% выше чем у закаленной стали.

«Такие сложные в механообработке ма­териалы, как титан, оказали влияние на кон­струкцию станков WFL. Именно для таких сложных случаев обработки мы поставляем индивидуальные решения, которые наря­ду с собственно станком охватывают также вопросы охлаждения и стратегию изготов­ления», — так характеризует Дитер Шатцл, директор по маркетингу WFL, одну из клю­чевых профессиональных возможностей станкостроительного завода из г. Линц. «Мы можем адаптировать станки MILLTURN точ­но в соответствии с потребностями заказ­чика. Например, система аварийного отвода режущего инструмента от детали в случае отключения электроэнергии предотвраща­ет ее повреждение», — дополняет Колль.

На WFL особое внимание уделяется тому, чтобы реализация требований заказ­чиков становилась неотъемлемой частью общей концепции. Например, благодаря специальной конструкции направляющих и шпинделей существует возможность ре­агировать на специальные требования за­казчиков и адаптировать узлы станков под конкретные индивидуальные нагрузки. При обработке титана важную роль играет ох­лаждение. Так как при температурах выше 880 °С титан горит, необходимо обеспечить соответствующую противопожарную защи­ту и взрывобезопасность. Преимущество собственной конструкции шпинделя стано­вится очевидным на примере системы под­вода СОЖ. Под давлением до 200 бар она может подаваться через фрезерный шпин­дель непосредственно на резец.

Кроме того, на станках для комплексной обработки фирмы WFL возможно измерение детали в процессе ее обработки. «Заказчик хочет получить надежный в эксплуатации станок. Сюда входит оказание помощи в вы­боре инструмента, но прежде всего оказа­ние помощи в выборе стратегии обработки, так как в случае таких крупногабаритных де­талей только одна ушедшая в брак — несет за собой значительные экономические по­тери», объясняет в заключение Дитер Шатцл высокие требования заказчиков.

Оборудование и инструмент для профессионалов | металлообработка 13/2014127