Фрезерная обработка титана

Использование титана в производстве самолётов постоянно росло в течение последних двух десятилетий. В настоящее время титановые сплавы, такие как титан 6Al-4V, наряду с INCONEL 718, NIMONIC, сплавами Waspaloy и нержавеющей сталью 316 широко используются для производства деталей, как для коммерческих, так и для военных самолётов. Эти детали бывают различной конфигурации, например, конструкции крыла, элементы шасси, крепёжные элементы, пружины и гидравлические трубки. Поскольку в аэрокосмической промышленности используются новые сплавы и методы производства, ожидается, что их использование будет быстро расти и в дальнейшем. А сохраняющийся спрос на эти материалы требует разработки новых технологий обработки, направленных на то, чтобы помочь металлообрабатывающим производствам быть более конкурентоспособными и производительными. Были разработаны новые типы фрез, марки твёрдого сплава, геометрические формы и ломающие стружку режущие кромки для облегчения производства сложных форм при сохранении жёстких допусков, требуемых промышленностью. Теперь уже можно фреза по металлу купить в виде специальной серии, предназначенной именно для обработки именно этих авиационных материалов. Например, титан 6Al-4V является наиболее распространённым материалом для аэрокосмического производства, потому что он обладает лёгким весом при высокой прочности. Возрастает потребность в деталях и компонентах, изготовленных на основе этих материалов, но их очень трудно быстро механически обработать стандартными фрезами по металлу. Это подтолкнуло современных производителей фрезерного инструмента к разработке новых твердосплавных фрез и корпусных фрез со сменными твердосплавными пластинами для решения конкретных задач по фрезерованию этих труднообрабатываемых материалов. Новая геометрия режущей кромки и передовая конструкция формы сочетаются с термостойким многослойным покрытием из нитрида титана и алюмо-нитрида титана (TiN/TiAlN). Все эти особенности позволяют минимизировать трение и вибрации, а также эффективно эвакуировать из зоны резания более короткую стружку, что особенно важно при фрезеровании прочных и труднообрабатываемых металлов, в процессе обработки которых обычно формируется длинная стружка. Специальная фреза по металлу с переменными углами наклона винтовых канавок и зубчатым профилем со стружколомами вдоль режущей кромки может обеспечивать непревзойдённые скорости удаления материала и впечатляющие значения качества обрабатываемой поверхности Ra как при чистовом, так и при черновом фрезеровании, обеспечивая при этом минимальный износ и высокую стойкость.

Особенности фрезерования титана

Использование этих материалов в аэрокосмической промышленности обусловлено специфическими свойствами, связанными с металлами. К ним относятся высокое отношение прочности к массе, коррозионная стойкость и низкое тепловое расширение. Из всех материалов, используемых в аэрокосмическом производстве, один отличается от остальных по популярности - это титан 6Al-4V. Для фрезерования титановых сплавов требуются усилия резания, превышающие те величины, которые необходимы для фрезерования сталей. Сплавы также имеют структурные характеристики, которые делают их более прочными, чем стали эквивалентной твёрдости. Титан очень легко самоупрочняется, что может создать тонкую стружку, которая контактирует с относительно небольшой поверхностью режущих кромок, даже когда его обрабатывает фреза твердосплавная. Трение, создаваемое при отделении стружки по поверхности обрабатываемой заготовки, приводит к увеличению тепла в локализованной части твердосплавной фрезы. Тепло, генерируемое при фрезеровании титана, не рассеивается быстро в воздух из-за его плохой проводимости, так что значительное количество тепла удерживается между режущей кромкой твердосплавной фрезы и поверхностью фрезеруемой заготовки. Это сочетание высоких режущих сил и тепла приводит к износу поверхности твердосплавной фрезы в предельной близости от режущей кромки, что, соответственно, приводит к быстрому разрушению самой фрезы. Что ещё хуже, так то, что титановые сплавы имеют сильную тенденцию к химической реакции с материалами покрытия и основы твердосплавной фрезы, а также к приварке стружки к режущим кромкам фрезы. Во-вторых, нагрузка на зуб от титановой стружки, как правило, распределяется неравномерно. Она выше в точке, где режущая кромка твердосплавной фрезы врезалась дальше всего в титановую заготовку, и ниже в других областях резания. Наконец, когда фреза для ЧПУ заполняет большую часть ширины паза, остаётся мало места для удаления стружки, так что вероятность повторного фрезерования титановой стружки очень высока.

Трохоидальное фрезерование

Использование трохоидального фрезерования, когда это возможно, для удаления большого объёма стружки при обработке титана, является самым современным методом фрезерной обработки. Признанием потенциала трохоидального фрезерования для обработки этих авиакосмических материалов являются разработанные в последние годы новые фрезы по металлу, такие как фреза концевая твердосплавная или а также удлинённые корпусные фрезы со сменными твердосплавными пластинами. Трохоидальное или спиральное фрезерование перемещает фрезу CNC по круговой траектории, при этом каждая окружная траектория продвигается вперёд в направлении общего движения. Одним из ключевых преимуществ трохоидального фрезерования является то, что одновременно в зацеплении участвует только небольшая площадь фрезы по металлу. Величина подачи также всегда постоянна. Кроме того, трохоидальное фрезерование позволяет использовать твердосплавную фрезу диаметром меньше ширины обрабатываемого кармана, что крайне важно для обеспечения возможности надёжного удаления титановой стружки. Несмотря на свой потенциал, трохоидальное фрезерование также создаёт некоторые проблемы. Фреза твердосплавная должна подвергаться сложному движению, которое нужно специально программировать в обеспечении ЧПУ. Кроме того, сам металлорежущий станок вместе с его шпиндельной оснасткой должен быть достаточно жёстким и достаточно быстрым, чтобы его можно было использовать для трохоидального фрезерования. Твердосплавная фреза также должна иметь конфигурацию, чтобы быть способной фрезеровать на высоких скоростях резания и высокой величине подачи. Однако, именно жёсткость металлорежущего оборудования определяет, насколько полноценно может быть использовано трохоидальное фрезерование. К другим факторам относятся размер самой твердосплавной фрезы, материал обрабатываемой заготовки и глубина резания. Основная идея трохоидального фрезерования заключается в существенном увеличении скорости резания и величины подачи. Стружка фрезеруется от максимальной толщины при первоначальном зацеплении зубьев твердосплавной фрезы с заготовкой к малой толщине на выходе из этого зацепления. Траектория фрезы по металлу оптимизирована на основе результатов предыдущих разработок и позволяет исключить лишнее фрезерование воздуха и свести к минимуму движение отгибания от вертикальной оси. Испытания показали, что трохоидальный метод фрезерования быстрее, чем обычный способ фрезерования пазов, поскольку могут быть достигнуты гораздо более высокие режимы резания.

Дополнительную техническую информацию можно прочитать в разделе "Статьи".