Schneiden und Bearbeiten von Titan

Relevanz

Dabei kommen verschiedene Bearbeitungsarten zum Einsatz: Strukturen und Teile aus Titanlegierungen: Schleifen, Drehen, Bohren, Fräsen, Polieren.
Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und anderer spezifischer Eigenschaften von Titan ist das Schleifen als letzte Bearbeitungsstufe schwierig. Beim Schleifen kann es sehr leicht zu Verbrennungen, Fehlstrukturen und Eigenspannungen sowie zu Dehnungen in der Randschicht kommen, die sich erheblich auf die Reduzierung der Dauerfestigkeit von Produkten auswirken. Daher wird das Schleifen von Titanteilen zwangsläufig bei niedrigen Geschwindigkeiten durchgeführt und kann bei Bedarf durch die Bearbeitung mit Spezialklingen ersetzt werden. Das Schleifen sollte nach streng regulierten Verfahren und anschließender Kontrolle der Oberfläche der Teile auf das Vorhandensein von Verbrennungen erfolgen und mit einer Verbesserung der Qualität der Oberfläche des Teils aufgrund der Härtung durch plastische Verformung (PPD) einhergehen.

Vergleichende Analyse

Der Prozess der Kaltumformung von Titanlegierungen ist drei- bis viermal aufwändiger als die Verarbeitung von Kohlenstoffstählen und fünf- bis siebenmal schwieriger als die Verarbeitung von Aluminium. Laut MMPP Salyut haben die Titanlegierungen VT5 und VT5−1 im Vergleich zu Kohlenstoffstahl (mit 0,45% C) einen relativen Bearbeitbarkeitskoeffizienten von 0,35 — 0,48, und bei den Legierungen VT6, VT20 und VT22 ist dieser Indikator sogar noch geringer und beträgt 0,22−0,26. Es wird empfohlen, eine niedrige Schnittgeschwindigkeit und eine große Menge Kühlmittel zu verwenden. Schneidwerkzeuge werden aus verschleißfestem Schnellarbeitsstahl verwendet, wobei harte Legierungssorten bevorzugt werden. Die Schnittgeschwindigkeit sollte im Vergleich zur Stahlbearbeitung um mindestens das 3−4-fache reduziert werden, dies ist besonders wichtig bei Arbeiten an CNC-Maschinen.

Mahlen

Aufgrund des hohen Kraftaufwands bei der Bearbeitung von Titanlegierungen werden meist große Maschinen eingesetzt (FP-7, FP-27, FP-9, VFZ-M8 usw.). Das Fräsen ist der zeitaufwändigste Prozess bei der Herstellung von Teilen. Ein besonders großer Teil dieser Arbeiten entfällt auf die Herstellung von Antriebsteilen von Flugzeugrahmen: Rippen, Rahmen, Träger, Holme, Traversen.

Leistungsdetails

Das Fräsen von Teilen wie «Traverse», «Träger», «Rippe» erfordert den Einsatz mehrerer Methoden. 1) Der Einsatz spezieller hydraulischer oder mechanischer Kopierer auf Universalfräsmaschinen. 2) Durch Kopierer auf hydraulischen Kopierfräsmaschinen. 3) Auf CNC-Maschinen wie MA-655S5, FP-11, FP-14. 4) Mit Hilfe von Drei-Koordinaten-CNC-Maschinen. Es empfiehlt sich die Verwendung von: speziellen vorgefertigten Fräsern mit variablem Winkel während der Bearbeitung; geformte konkave und konvexe Fräser des Strahlungsprofils; Schaftfräser mit Führung zur zylindrischen Oberfläche des Teils der Tischebene im erforderlichen Winkel.

Werkzeugmaschinen

Das Schneiden und Bearbeiten von Luftfahrtmaterialien erfolgt auf Werkzeugmaschinen, von denen einige im Ausland keine Entsprechungen haben. Zum Beispiel die CNC-Maschine VF-33 (Längsfräsen mit drei Spindeln und drei Koordinaten), deren Zweck die gleichzeitige Bearbeitung von Platten, Einschienenbahnen, Rippen, Trägern und anderen derartigen Teilen für schwere und leichte Flugzeuge mit drei Spindeln ist.
Die Maschine 2FP-242 V, die über zwei bewegliche Portale und CNC (Längsfräsen mit drei Spindeln und vier Koordinaten) verfügt, ist für die Bearbeitung von Gesamtholmen und Paneelen von Schwer- und Großraumflugzeugen konzipiert. Maschine FRS-1, ausgestattet mit einer beweglichen Säule, horizontalem Fräsen und Bohren, 15-Koordinaten-CNC — konzipiert für die Bearbeitung der Stoßflächen des Mittelteils und des Flügels von Großraumflugzeugen. SGPM-320, ein flexibles Produktionsmodul, das eine Drehmaschine, CNC AT-320, ein Magazin für 13 Werkzeuge und einen automatischen Manipulator zum Entfernen und Installieren von Teilen von CNC-Maschinen umfasst. Flexibler Produktionskomplex ALK-250, geschaffen für die Herstellung von Präzisionsteilen für den Körper von Hydraulikaggregaten.

Werkzeug

Um optimale Schnittbedingungen und eine hohe Oberflächenqualität der Teile zu gewährleisten, ist es notwendig, die geometrischen Parameter von Werkzeugen aus Hartlegierungen und Schnellarbeitsstählen strikt einzuhalten. Geschmiedete Rohlinge werden mit Fräsern mit VK8-Hartlegierungsplatten geschärft. Bei der Bearbeitung einer gasgesättigten Kruste werden folgende geometrische Parameter der Fräser empfohlen: Hauptwinkel im Grundriss φ1 =45°, Nebenwinkel im Grundriss φ =14°, Spanwinkel γ=0°; Freiwinkel α = 12°. Bei folgenden Schnittbedingungen: Vorschub s = 0,5 — 0,8 mm/U, Schnitttiefe t nicht kleiner als 2 mm, Schnittgeschwindigkeit v = 25 — 35 m/min. Das Schlichten und Halbschlichten des kontinuierlichen Drehens erfolgt mit Werkzeugen aus den Hartlegierungen VK8, VK4, VKbm, VK6 usw. Bei einer Schnitttiefe von 1−10 mm beträgt die Schnittgeschwindigkeit v = 40−100 mm/min Der Vorschub sollte s = 0,1−1 mm/U betragen. Es können auch Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl (R9K5, R9M4K8, R6M5K5) verwendet werden. Für Fräser aus Schnellarbeitsstahl wurde folgende geometrische Konfiguration entwickelt: Spitzenradius r = 1 mm, Freiwinkel α = 10°, φ = 15°. Zulässige Schnittbedingungen beim Drehen von Titan werden bei einer Schnitttiefe t = 0,5−3 mm, v = 24−30 m/min, s <0,2 mm erreicht.

Hartmetall

Die Arbeitsflächen der Fräser bestehen aus den Hartlegierungen VK8, VK6M, VK4 und den Schnellarbeitsstählen R6M5K5, R9K5, R8MZK6S, R9M4K8, R9K10. Für das Fräsen von Titan mit Fräsern mit VK6M-Legierungseinsätzen wird die Verwendung des folgenden Schnittmodus empfohlen: t = 2−4 mm, v = 80−100 m/min, s = 0,08−0,12 mm/Zahn.

Bohren

Das Bohren von Titan ist schwierig, da Späne an der Arbeitsfläche des Werkzeugs haften bleiben und sich in den Rückzugsnuten des Bohrers verstopfen, was zu einem erhöhten Schnittwiderstand und einem schnellen Verschleiß der Schneidkante führt. Um dies zu verhindern, wird empfohlen, das Werkzeug beim Tiefbohren regelmäßig von Spänen zu reinigen. Zum Einsatz kommen Bohrer aus Schnellarbeitsstahl R12R9K5, R18F2, R9M4K8, R9K10, R9F5, F2K8MZ, R6M5K5 und der Hartlegierung VK8. In diesem Fall werden folgende Bohrergeometrieparameter empfohlen: für den Spiralnutwinkel von 25−30, 2φ0 = 70−80°, 2φ = 120−130°, α = 12−15°, φ = 0−3°.

Kühlmittel

Um die Produktivität bei der Bearbeitung von Titanlegierungen durch Schneiden zu steigern, werden Flüssigkeiten vom Typ RZ SOZH-8 verwendet. Sie gehören zu den galloidhaltigen Schmier-Kühlmitteln. Die Kühlung der Werkstücke erfolgt durch reichliche Bewässerung. Der Einsatz von halogenidhaltigen Flüssigkeiten bei der Bearbeitung führt zur Bildung einer Salzkruste auf der Oberfläche von Titanteilen, die durch Erwärmung und gleichzeitige Spannungseinwirkung zu Salzkorrosion führen kann. Um dies zu verhindern, werden die Teile nach der Bearbeitung mit RZ SOZH-8 einer Veredelungsätzung unterzogen, bei der eine bis zu 0,01 mm dicke Oberflächenschicht entfernt wird. Bei Montagearbeiten ist der Einsatz von RZ SOZH-8 nicht gestattet.

Schleifen

Die Bearbeitbarkeit von Titanlegierungen wird maßgeblich von ihrer chemischen und Phasenzusammensetzung, Art und Parametern der Mikrostruktur beeinflusst. Am schwierigsten ist die Bearbeitung von Titanhalbzeugen und Teilen mit rauer Lamellenstruktur. Diese Art von Struktur ist bei geformten Gussteilen vorhanden. Darüber hinaus weisen geformte Titangussteile eine gasgesättigte Kruste auf der Oberfläche auf, die den Werkzeugverschleiß stark beeinflusst.

Schleifschwierigkeiten

Das Schleifen von Titanteilen ist aufgrund der hohen Neigung zur Kontakteinstellung bei Reibung schwierig. Der oxidische Oberflächenfilm wird bei der Reibung unter Einwirkung bestimmter Belastungen leicht zerstört. Bei der Reibung an den Berührungspunkten der Oberflächen kommt es zu einer aktiven Materialübertragung vom Werkstück auf das Werkzeug («Fressen»). Dazu tragen auch andere Eigenschaften von Titanlegierungen bei: geringere Wärmeleitfähigkeit, erhöhte elastische Verformung bei relativ niedrigem Elastizitätsmodul. Durch die Wärmeabgabe an der Reibfläche verdickt sich der Oxidfilm, was wiederum die Festigkeit der Oberflächenschicht erhöht.

Schleifband und Kreise

Beim Schleifen von Teilen aus Titan kommen Bandschleifen und Schleifen mit Schleifscheiben zum Einsatz. Für Industrielegierungen werden Schleifscheiben am häufigsten aus grünem Siliziumkarbid verwendet, das eine hohe Härte und Sprödigkeit mit stabilen physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie eine höhere Schleiffähigkeit als schwarzes Siliziumkarbid aufweist.

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