Механообработка титановых сплавов сопровождается рядом сложностей. Титан обладает высокой прочностью и твердостью, что приводит к увеличению длины контакта режущий инструмент – деталь, снижению скорости стружки относительно режущей кромки, повышению вероятности образования кратерного износа на передней поверхности, первичной и вторичной деформации, образованию циклической нагрузки на режущую кромку, образованию склонной к пластической деформации тонкой стружки.
Более того в процессе резания происходит высокое упрочнение, возрастание сил резания в 2-4 раза, снижение относительного удлинения до 5-10%, а низкая теплопроводность титана (в 13 раз меньше Al, в 4 раза меньше Fe) препятствует отводу тепла, что приводит к повышению температуры в зоне контакта, активизации адгезии и диффузии, схватывание и разрушение режущих поверхностей фрезы или материала детали. Так как титан сохраняет прочность и твердость при высоких температурах, то существенно возрастают удельные нагрузки на контактные поверхности. В итоге порядка 80% тепловой энергии переходит в пластину, и всего 15...20% тепловой энергии в стружку.
Химическое растворение проявляется в истирающей способности титана, вторая фаза образует интерметаллидные и карбидные включения, в результате пластической деформации происходит выпадение карбидов, титан с углеродом образует тугоплавкие карбиды, резко повышается коэффициент трения и материал оказывает абразивное действие на режущий инструмент. Для безопасности процесса фрезерования частицы твердого сплава не должны оставаться в заготовке и должен использоваться адаптированный твердый сплав.
Неравномерность пластического деформирования и переменные силовые и тепловые нагрузки обуславливают резкое снижение виброустойчивости процесса резания.
Обработка титановых сплавов происходит в следующей последовательности:
• Первоначальный контакт с мягким неупрочненным материалом
• Пластическая деформация с поглощением механической энергии
• Упрочнение срезаемого слоя
• Сдвиг - разрушение - образование элемента стружки
• Малая теплопроводность - вся энергия в зоне контакта
• Активизация процессов адгезии и диффузии - налипание стружки
• Разрушение режущих кромок
• Интенсификация разрушения от вибраций, истирания при высокой прочности
При наличии высоких требований к геометрическим размерам проводится термообработка титановых сплавов, обеспечивающая стабилизацию размеров деталей приборов, типовые технологические процессы термической обработки устанавливает ГОСТ 17535 [3]. Фрезерование твердых материалов (после термообработки) и мягких материалов (без термообработки) имеет различия:
Твердые материалы (после термообработки):
– высокие температуры в процессе резания
– проточины в зоне максимальной глубины резания
– требования к инструменту:
• малый угол в плане
• твердый субстрат
• термостойкое покрытие
Мягкие материалы (без термообработки):
– обрабатываемость близка к нержавеющим сталям
– требования к инструменту:
• прочность пластин
• стойкость к высоким температурам
• ломание стружки
Кроме того, имеет значение тип заготовки:
• Поковки (средняя обрабатываемость)
– уменьшение скорости резания
– увеличение подачи
• Отливки (плохая обрабатываемость)
– тонкая стружка – 0,1 мм
– уменьшение скорости резания
• Прокат (хорошая обрабатываемость)
– сравнительная легкость обработки
– уменьшение скорости резания
– увеличение подачи
В результате, обработка титана предъявляет жесткие требования к технологическому процессу обработке и к выбору режущего инструмента. Требования к технологическому процессу:
• Толщина стружки> 0.1 мм
• Минимальное биение фрезы для постоянной нагрузки на зуб
• Максимальное количество зубьев фрезы для производительности
• Кромки должны быть острыми с оптимальным округлением
• Рекомендуется обработка круглыми пластинами
• Геометрия инструмента всегда положительная
• При черновой обработке угол в плане <45°
При для обработки изделий из титана и его сплавов используют:
– инструмент без покрытия, это обеспечит избавления от загрязнения заготовки частицами покрытия, но он имеет стойкость существенно ниже инструментов с покрытием.
– инструмент с покрытием из специального сплава (типа Т6310), это ультрасубмикронный субстрат со сравнительно низким содержанием Co, обеспечивает превосходное сопротивление росту термических трещин и стабильные условия резания, подходит для чистовой и получистовой обработки, имеет мелкозернистую основу с высоким содержанием кобальта. Многослойное PVD покрытие AlTiN + TiAlSiN гарантирует высокую эксплуатационную надежность (самая высокая прочность серии 83XX), а финишная обработка после нанесения покрытия обуславливает высокую точность инструмента, что в свою очередь позволяет использовать его для нестабильных условий обработки, в том числе для черновой обработки.
Качество обрабатываемых поверхностей и скорость износа режущего инструмента в процессе механической обработки изделий из титана и его сплавов во многом зависят от способа и режимов подачи СОЖ в зону реза.
