Обработка титана на станке с ЧПУ: как правильно указать детали

Титан занимает узкую, но чрезвычайно важную позицию в точном производстве. Его соотношение прочности к весу превышает соотношение прочности к весу большинства сталей, его биосовместимость делает его предпочтительным материалом для имплантируемых медицинских устройств и хирургических инструментов, его коррозионная стойкость в морской воде и многих химических средах является исключительной, а его высокотемпературные характеристики удовлетворяют требовательным требованиям. аэрокосмические приложения . Но титан также действительно трудно обрабатывать: он более требователен, чем алюминий, более требователен, чем большинство сталей, и чувствителен к условиям обработки, что делает его непростым делом при выборе инструмента, параметрах резания и креплении заготовки. Понимание того, что делает титан трудным для обработки, какие марки доступны, когда каждый из них подходит, и как правильно определять титановые детали с ЧПУ, важно для любого, кто ищет эти компоненты для требовательных приложений.

Почему титан трудно обрабатывать

Некоторые свойства титанового материала, которые делают его ценным в эксплуатации, создают проблемы при механической обработке. Титан имеет низкую теплопроводность — примерно 7 Вт/м·К для класса 5 по сравнению с 50 Вт/м·К для стали и 200 Вт/м·К для алюминия. Когда режущий инструмент генерирует тепло на границе раздела инструмент-заготовка, это тепло не может передаваться в объемную заготовку с той скоростью, с которой оно генерируется. Тепло накапливается на режущей кромке, достигая температуры, которая ускоряет износ инструмента и может привести к повреждению поверхности заготовки. Агрессивное охлаждение (проточная СОЖ или СОЖ под высоким давлением, подаваемая на поверхность раздела инструмента и стружки) имеет важное значение для обработки титана, чего нельзя сказать о алюминии.

Титан также имеет высокое соотношение прочности к модулю упругости — он прочен, но относительно эластичен. Под действием сил подрезания титановые заготовки отклоняются сильнее, чем стальные заготовки того же сечения, что приводит к тому, что заготовка отскакивает от режущего инструмента, а затем пружинит обратно при прохождении инструмента, создавая эффект «трения» после первичного резания. Такое трение генерирует дополнительное тепло без удаления материала, что еще больше ускоряет износ инструмента. Жесткая фиксация заготовки и пристальное внимание к глубине траектории инструмента более важны для титана, чем для большинства других материалов.

Наконец, титан химически реагирует с материалами режущего инструмента при повышенных температурах. При температурах, возникающих при резке титана, материал заготовки легко приваривается к твердосплавным основам инструмента (наросты) и вступает в реакцию с инструментальными материалами без покрытия. Эта адгезия переносит материал заготовки на режущую кромку, нарушая геометрию инструмента и приводя к резкому разрушению кромки, а не к постепенному износу, наблюдаемому при обработке стали или алюминия. Твердосплавные инструменты с покрытием и соответствующим химическим составом покрытия (PVD-покрытия, такие как AlTiN или TiAlN, которые сохраняют твердость при повышенных температурах) являются стандартными для обработки титана.

Марки титана и их применение

Класс 1 и класс 2 — технически чистый титан.

Марки с 1 по 4 представляют собой коммерчески чистый титан, отличающийся только содержанием кислорода и железа (которые определяют прочность). Марка 1 имеет наименьшую прочность и наибольшую пластичность; Сорт 4 имеет самую высокую прочность среди чистых сортов. Марка 2 является наиболее широко используемой коммерчески чистой маркой, сочетающей в себе хорошую коррозионную стойкость, достаточную прочность для многих конструкционных применений и разумную обрабатываемость по сравнению с более прочными титановыми сплавами.

Титан CP используется в химическом оборудовании, теплообменниках, морском оборудовании и медицинских имплантатах, где максимальная коррозионная стойкость важнее максимальной прочности. Его обрабатываемость лучше, чем у более прочных сплавов — более низкая прочность означает меньшие силы резания и меньшее тепловыделение — но применяются те же общие меры предосторожности (острые инструменты, большой поток СОЖ, консервативная глубина резания).

5 класс — Ти-6Ал-4В

Ti-6Al-4V на сегодняшний день является наиболее широко используемым титановым сплавом, на который приходится большая часть всех титановых деталей, подвергаемых механической обработке. Добавки 6% алюминия и 4% ванадия создают двухфазную альфа-бета-микроструктуру со значительно более высокой прочностью, чем у технически чистых марок (предел прочности обычно 900–1000 МПа в отожженном состоянии, выше в состаренном состоянии), сохраняя при этом хорошую коррозионную стойкость и биосовместимость. Сочетание его свойств — высокой прочности, низкой плотности, коррозионной стойкости и продемонстрированной биосовместимости — делает его стандартным материалом для компонентов аэрокосмической конструкции, крепежа планера, ортопедических имплантатов (заменителей бедра и колена, костных винтов), зубных имплантатов и высокопроизводительных автомобильных компонентов.

Ti-6Al-4V значительно сложнее обрабатывать, чем технически чистый титан. Его прочность и абразивная природа мелких частиц TiC в альфа-фазе ускоряют износ инструмента, а склонность к образованию наростов требует частой смены инструмента или высокопроизводительной оснастки. Скорость подачи и глубина резания должны быть консервативными по сравнению с алюминием — при типичной продуктивной обработке Ti-6Al-4V используется 25–40% скоростей резания, используемых для алюминия при эквивалентном сроке службы инструмента.

23 класс — Ти-6Ал-4В ЭЛИ

ELI означает «Extra Low Interstitial» — пониженное содержание кислорода, азота и железа по сравнению со стандартным классом 5. Более низкое содержание междоузлий улучшает вязкость разрушения и сопротивление распространению усталостных трещин при сохранении того же профиля прочности. Класс 23 указан для имплантируемых медицинских устройств — протезов бедра и колена, спинальных имплантатов, костных пластин, устройств для фиксации переломов — где улучшенная вязкость разрушения и несколько более высокая химическая чистота по сравнению с классом 5 отвечают более строгим требованиям к материалам, предъявляемым к несущим нагрузкам имплантатам. Для немедицинских, аэрокосмических и промышленных применений подходит стандарт класса 5, который дешевле.

9 класс — Ти-3Ал-2,5В

Класс 9 представляет собой промежуточный уровень прочности между технически чистым и классом 5, с хорошей формуемостью и свариваемостью. Он используется в гидравлических трубках и линиях аэрокосмической отрасли (заменяет более тяжелые стальные трубки в приложениях с критическим весом), велосипедных рамах премиум-сегмента и спортивном оборудовании. Его характеристики обработки являются промежуточными между титаном CP и классом 5.

Бета-сплавы — Ти-6242, Ти-15-3.

Титановые сплавы с бета-фазой достигают более высокой прочности, чем альфа-бета-сплавы, за счет термической обработки (обработка на раствор и старение), достигая предела прочности на разрыв 1200–1400 МПа. Они используются в самых требовательных конструкциях аэрокосмической отрасли — компонентах шасси, лонжеронах крыльев, конструкциях ракет — где преимущество по соотношению прочности к весу по сравнению с классом 5 оправдывает повышенную стоимость и еще более сложную обработку. Бета-сплавы требуют специальных знаний в области механической обработки и обычно не поставляются поставщиками прецизионной механической обработки общего назначения.

Основные характеристики титановых деталей с ЧПУ

Обработка поверхности и постобработка титана

Титановые детали с ЧПУ для аэрокосмического и медицинского применения обычно требуют обработки поверхности после механической обработки для достижения необходимой целостности и чистоты поверхности. Для медицинских имплантатов пассивация — погружение в раствор азотной кислоты в соответствии с ASTM F86 удаляет свободные металлические загрязнения с обработанной поверхности и создает стабильный, устойчивый к коррозии пассивный слой оксида титана, который имеет решающее значение для биосовместимости. Этот этап пассивации не является обязательным для имплантируемых устройств; это стандартный, документированный этап производственного процесса.

В аэрокосмической отрасли анодирование (электрохимическая обработка поверхности с образованием цветного слоя оксида титана) используется для идентификации деталей и обеспечения определенной степени защиты от коррозии. Дробеструйная обработка компонентов из авиационно-космического титана создает сжимающее остаточное напряжение на поверхности, что увеличивает усталостную долговечность, что важно для структурных компонентов самолетов, подвергающихся циклическим нагрузкам, где усталость является видом разрушения, ограничивающим срок службы.

Размерные допуски для титановых деталей обычно находятся в том же достижимом диапазоне, что и для стали — ±0,025 мм по прецизионным элементам достижимы при обработке на станке с ЧПУ. Однако поведение упругого возврата и термические эффекты при обработке титана требуют более тщательного контроля процесса для достижения стабильных результатов при жестких допусках, чем работы с аналогичными допусками при обработке алюминия или стали.

Часто задаваемые вопросы

Титан прочнее стали и влияет ли это на конструкцию деталей?

Прочность титана 5-го класса на разрыв сопоставима со многими сталями средней прочности (900–1000 МПа), но плотность титана составляет примерно 60% от плотности стали (4,5 г/см³ против 7,8 г/см³). Это придает титану удельную прочность (прочность, разделенную на плотность), которая превосходит практически все конструкционные стали и большинство алюминиевых сплавов. При проектировании деталей это позволяет инженерам достичь той же несущей способности, что и стальная деталь, при использовании значительно более легкого компонента — или, наоборот, добиться более высокой несущей способности в том же диапазоне, что и алюминиевая деталь. При проектировании подразумевается, что титановые детали часто являются более геометрически сложными и более тонкостенными, чем их стальные аналоги, поскольку конструктор оптимизирует их для минимального веса. Эти тонкие сечения и сложная геометрия усложняют фиксацию заготовки и контроль вибрации во время обработки и требуют более тщательного проектирования приспособлений, чем более простые геометрии, типичные для стальных деталей эквивалентной прочности.

Какие сертификаты необходимы для титановых деталей, используемых в медицинских приборах?

Для имплантируемых медицинских устройств сертификация материалов начинается с марки материала, соответствующей ASTM F136 (для Ti-6Al-4V ELI) или ASTM F67 (для марок CP), с полной документацией по отслеживанию материала (сертификаты испытаний материала, отслеживание номера плавки). Производственное предприятие должно работать в соответствии с системой управления качеством ISO 13485. Для готовых деталей требуется документация по контролю размеров, записи шероховатости поверхности и записи процесса пассивации в соответствии с ASTM F86. Производитель имплантатов (производитель медицинского оборудования) несет ответственность за оценку биосовместимости конкретной конструкции детали и качества поверхности по стандарту ISO 10993 — титан, обработанный с помощью пассивации, установил данные о биосовместимости для обычных марок, но производитель устройства не может просто предполагать соответствие без документированной оценки.

Можно ли сваривать титановые детали и влияет ли сварка на необходимость обработки на станках с ЧПУ?

Титан можно сваривать — сварка TIG (GTAW) с аргоновой защитой является стандартным процессом, — но сварка требует строгого контроля загрязнения, поскольку титан поглощает кислород, азот и водород из воздуха при температурах сварки, охрупчивая зону сварки. За сваркой классов 5 и 23 обычно следует термообработка для снятия напряжений, чтобы минимизировать остаточные напряжения в сварном шве. Для большинства прецизионных компонентов предпочтительнее механическая обработка, чем сварка, поскольку она обеспечивает более точную геометрию и позволяет избежать микроструктурных изменений и потенциального загрязнения зоны сварки. Для крупных конструкций, где обработка монолитной детали потребует чрезмерного удаления материала (обычная ситуация в авиакосмических компонентах), стандартным подходом является сочетание кованых или сварных заготовок почти чистой формы с последующей чистовой обработкой прецизионных поверхностей на станке с ЧПУ.

Детали с ЧПУ для аэрокосмической отрасли | Детали с ЧПУ для медицинского оборудования | Детали с ЧПУ для энергетического оборудования | Прецизионные детали с ЧПУ | Свяжитесь с нами