Тріщин, яких слід уникати при обробці титанового сплаву з ЧПК, і як їм запобігти

Чому титанові сплави так легко тріскаються під час обробки з ЧПУ

Титан і його сплави широко вибираються для аерокосмічного, хімічного, медичного та морського обладнання через їхню високу питому міцність і видатну стійкість до корозії. Ці ж властивості ускладнюють їх різання. Титан погано проводить тепло, його теплопровідність становить приблизно 7 Вт/(м·К) для класу 5 (Ti-6Al-4V), тому тепло, що виділяється ріжучою кромкою, не відводиться стружкою. Натомість він концентрується у вузькій смузі на кінчику інструменту та в поверхневому шарі заготовки, де місцеві температури можуть піднятися набагато вище об’ємної температури деталі. Титан також має низький модуль пружності, близько 110 ГПа, тому він відхиляється під дією сили різання та пружинить назад у бік інструменту. Разом ці дві характеристики пояснюють, чому контроль над тріщинами, а не лише точність розмірів, визначає продуктивність процесу обробки титану.

Чотири групи тріщин складають більшість утилізованих титанових компонентів: термічні тріщини, холодні тріщини, тріщини втоми та тріщини концентрації напруг. Кожна з них має різне походження, а отже, й різні ліки, і магазин, який розглядає їх як одну проблему, зазвичай закінчується надмірно{1}}консервативним щодо одних параметрів і все ще втрачає частини щодо інших.

Термічні тріщини

Термічні тріщини є прямим результатом надмірного місцевого нагрівання. Коли швидкість різання, подача або глибина різання перевищують надходження тепла, яке можуть видалити інструмент і охолоджуюча рідина, уражений поверхневий шар розширюється проти більш холодного металу під ним. Як тільки індукована деформація перевищує локальну пластичність, відкривається мережа тонких поверхневих тріщин. Тріщини, як правило, неглибокі, але вони не нешкідливі: вони є місцем ініціації втомних тріщин під час експлуатації.

Типовий зовнішній вигляд:дрібні, близько розташовані поверхневі розтріскування, часто на боці або на лицьовій стороні готового надрізу.

Профілактика:зменшіть швидкість поверхні, збільште подачу на зуб, щоб перенести тепло в стружку, використовуйте високий{0}}тиск через-охолоджуючу рідину інструмента та тримайте інструменти гострими, щоб не відбувалося тертя замість зрізу.

Холодні тріщини

Холодні тріщини утворюються після різу, поки заготовка остигає. Титан сильно стискається при охолодженні, а його низький модуль пружності означає, що обмеження навколишнього матеріалу створює високу внутрішню напругу. Якщо ця напруга перевищує місцеву межу текучості, деталь тріскається. Звичайними кандидатами є тонкі стінки, довгі стрункі вали, деталі з важким видаленням заготовки лише з одного боку, а також заготовки, які загартовані чи -повітряно{3}}оброблені занадто швидко після обробки.

Типовий зовнішній вигляд:гострі, прямі тріщини на тонкій ділянці або на переході між механічно обробленою поверхнею та необробленим полотном.

Профілактика:збалансуйте видалення матеріалу навколо деталі, залиште рівномірний припуск на чистову обробку, уникайте швидкого охолодження після чорнової обробки та-зніміть навантаження з важких або асиметричних деталей перед остаточною обробкою.

Втомні тріщини

Кожне перерване різання застосовує до заготовки циклічне навантаження. Пластини, які входять у матеріал і виходять із нього, проходи фрезерування, які перетинають попередньо оброблений паз, і будь-який процес, під час якого інструмент стукає, створює змінне навантаження на поверхневий шар. Оскільки титан не-зміцнюється належним чином, на поверхні накопичуються мікро-пошкодження, доки не з’явиться втомна тріщина. Знос інструменту, нестабільне закріплення, непідкріплений виступ і неправильна послідовність траєкторії інструменту підвищують циклічну амплітуду.

Типовий зовнішній вигляд:одна тріщина, що поширюється перпендикулярно до основного циклічного напруження, часто починаючись від позначки інструмента.

Профілактика:контролюйте знос інструменту, змінюючи пластини на визначеному інтервалі, мінімізуйте нависання, збільшуйте жорсткість пристосування, застосовуйте фрезерування підйому з плавною дугою входу та уникайте слідів зупинки.

Тріщини концентрації напруг

Тріщини, пов’язані з концентрацією напруг,-зумовлені геометрією. Гострі внутрішні кути, вузькі щілини, просвердлені отвори, що виходять на криволінійну поверхню, і грубі сліди механічної обробки — все це в декілька разів збільшує номінальне напруження на елементі. Для титану чутливість надрізу є високою, тому радіус кута, прийнятний для м’якої сталі, може бути джерелом тріщини в компоненті класу 5.

Типовий зовнішній вигляд:тріщина, що походить від гострого кута, скруглення, шпонкової канавки або сліду від інструменту.

Профілактика:вказуйте значні радіуси скруглення, інтерполюйте внутрішні кути замість заглиблення, видаляйте сліди інструменту за допомогою контрольованої чистової обробки та знімайте задирки з усіх країв у визначеному напрямку.

Порівняння чотирьох типів тріщин

Контроль процесу, який зменшує всі чотири типи тріщин

Хоча кожна група тріщин має свій власний засіб, невеликий набір цехових-елементів керування знижує ризик у всіх сферах.

Фрезерування за допомогою різця з позитивною геометрією.Гострий передній край швидше зрізає, ніж натирає, зберігаючи тепло в стружці та знижуючи силу різання, яка спричиняє відхилення.

Охолоджуюча рідина спрямована на зону різання.Титан потребує заливки або високого{0}}тиску, спрямованого точно на край, а не загального промивання деталі.

Стійке робоче утримання з повною підтримкою.Мінімальний звис і жорсткі опори усувають джерело вібрації, що живить втомне розтріскування.

Задокументовані терміни служби інструментів-.Заміна вставок за лічені хвилини, а не на слух, усуває одну з найпоширеніших причин як втоми, так і термічного розтріскування.

Перевірка після чорнової обробки, а не тільки в кінці.Пенетралізаційна перевірка критичних поверхонь після грубої механічної обробки виявляє термічні розтріскування та розтріскування від концентрації напруги, у той час як деталь ще можна переробити.

Для комерційно чистих марок, таких як Grade 2 і Grade 4, застосовуються ті самі принципи, але нижча міцність означає, що прогин, а не термічна деградація, має тенденцію домінувати, тому подача на зуб і жорсткість опори заслуговують найбільшої уваги. Для сортів альфа-бета, таких як клас 5, баланс зміщується в бік контролю температури та різкості країв.

Часті запитання

З: Який тип тріщин найбільш поширений при обробці титанового сплаву з ЧПУ?
Термічне розтріскування є проблемою, про яку найчастіше повідомляють, оскільки титан переносить тепло в заготовку, а не в стружку. Зменшення швидкості поверхні та збільшення подачі на зуб вирішує більшість випадків.

З: Чи можуть холодні тріщини з'явитися після того, як деталь вже пройшла перевірку розмірів?
так Холодні тріщини виникають під час охолодження або під час подальшого використання та зняття напруги, тому тонкостінні титанові деталі слід перевіряти знову після того, як вони досягнуть кімнатної температури, а не одразу після останнього різання.

Питання: чи балаканина є лише проблемою обробки поверхні?
Ні. Шкід створює змінну напругу, яка ініціює втомні тріщини під поверхнею, тому деталь, яка виглядає прийнятно, але зазнала сильного стуку, повинна розглядатися як ризик утворення тріщин.

З: Як визначити, чи достатньо великий радіус кута?
Встановіть радіус на основі товщини профілю та прикладеного навантаження та інтерполюйте кут фрезою замість занурення. Слід уникати гострих внутрішніх кутів у титані, де це дозволяє конструкція.

З: Чи завжди зняття напруги запобігає холодному розтріскуванню?
Він зменшує залишкове напруження, але не усуває його, і його потрібно застосувати до того, як деталь досягне остаточних розмірів. Збалансоване видалення запасів і контрольоване охолодження залишаються першою лінією захисту.

З: Чи відрізняються ці правила для комерційно чистого титану?
Механізми ідентичні, але чисті сорти є м’якшими та більш пластичними, тому прогин і нарощування інструменту- мають більше значення, ніж термічна деградація, а деталі класу 2 або 4 зазвичай витримують дещо агресивнішу подачу.