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
Далее в разделе "Новости": Компания Haas выпустила 150-тысячный станок