Как сверлить титан? От проектирования сверления до настройки параметров

Титановые сплавы, незаменимый материал в аэрокосмической промышленности, медицинских имплантатах и химическом оборудовании, пользуются большим спросом благодаря высокой прочности и коррозионной стойкости. Однако при сверлении титановых сплавов многие инженеры сталкиваются с серьезными проблемами: быстрый износ сверла, поломка инструмента и низкая эффективность обработки являются общими проблемами.

На самом деле, решение этих проблем не является чем-то из ряда вон выходящим. В этой статье будет представлен систематический анализ полного технического решения для сверления титановых сплавов, от конструкции инструмента до практических параметров, что поможет вам полностью преодолеть трудности, связанные с обработкой титановых сплавов.

Четыре основные проблемы при бурении титановых сплавов

Экстремально высокие температуры резания являются основной проблемой при обработке титановых сплавов. Титановые сплавы обладают крайне низкой теплопроводностью - всего 1/5 теплопроводности железа и 1/14 теплопроводности алюминия. Это означает, что тепло, выделяющееся в зоне резания, трудно отводить, что приводит к локальным температурам, превышающим 1000°C. Это не только сокращает срок службы инструмента, но и легко вызывает термическую деформацию заготовки.

Еще одной серьезной проблемой является значительный откат пружины. Титановые сплавы имеют низкий модуль упругости (примерно в два раза ниже, чем у стали), что приводит к упругому восстановлению стенок отверстия после сверления, в результате чего возникает “эффект пружины”, приводящий к усадке отверстия и отклонениям размеров.

Титановые сплавы обладают высокой химической реактивностью, вступая в реакцию с инструментальными материалами при высоких температурах, образуя отложения и диффузионные сплавы, которые негативно сказываются на обработке. Это явление прилипания особенно ярко проявляется при твердости ниже HB300.

Кроме того, стружка титанового сплава имеет тенденцию слипаться и трудно удаляться, легко образуя нарастающие кромки на кончике инструмента. Эти скопившиеся кромки периодически отрываются, унося с собой материал инструмента и царапая обрабатываемую поверхность.

Усовершенствованная конструкция обработки титановых сверл

Выбор материалов для сверл

Цементированный карбид типа YG является предпочтительным выбором для обработки титановых сплавов, особенно марки YG8 (карбид вольфрама (WC) 92% и кобальт (Co) 8%). Избегайте использования цементированного карбида типа YT (карбид титана), так как содержащийся в нем титан будет взаимодействовать с заготовкой, ускоряя износ инструмента.

Для отверстий диаметром менее 5 мм или в случаях, требующих повышенной прочности, можно использовать высококобальтовую быстрорежущую сталь (например, M42 или W2Mo9Cr4VCo8) с твердостью более 63 HRC.

Танталсодержащие цементируемые карбиды (такие как YA6 (94% WC, около 6% Co, с небольшим количеством карбида ниобия (NbC)) показывают хорошие результаты. Добавление небольшого количества редких элементов повышает износостойкость инструмента, а его прочность на изгиб и твердость также выше, чем у YG6X.

Оптимизация геометрических параметров

Геометрические параметры сверла напрямую влияют на производительность резания и срок службы инструмента:

• Угол заострения (2φ): Увеличьте до 135°-140° (118° для стандартных сверл). Это увеличивает толщину реза, улучшает удаление стружки и повышает жесткость сверла, снижая вибрацию.
• Угол спирали: Большой угол спирали 25°-30° способствует плавному удалению стружки; канавка спирали должна быть отполирована.
• Угол зазора: Увеличьте внешний угол зазора до 12°-15°, чтобы уменьшить трение об обрабатываемую поверхность.
• Кромка долота: Для значительного снижения осевого усилия отшлифуйте кромку долота до диаметра, в 0,08-0,1 раза превышающего диаметр бура.

Инновационная конструкция кромки стамески

Кромка долота является ключевым фактором, влияющим на осевое усилие при сверлении и точность центрирования. Исследования показали, что S-образная форма кромки долота может снизить осевое усилие при сверлении до 28% и одновременно уменьшить погрешность округлости отверстия на 58,9%.

Для обработки глубоких отверстий с большим отношением длины к диаметру можно использовать четырехзвенную комбинированную S-образную кромку резца, которая повышает плавность обработки и предотвращает поломку инструмента. Такая конструкция обеспечивает образование “С-образной” стружки, снижает силы резания и смягчает закалку.

Двухугловая конструкция (основной угол 130°-140°, второй угол 70°-80°) эффективно улучшает стабильность центрирования и уменьшает прилипание ножа.

В таблице ниже приведены схемы оптимизации основных геометрических параметров титановых буровых коронок:

Имя параметра	Стандартное сверло	Титановое сверло	Эффект оптимизации
Точечный угол (2φ)	118°	135°-140°	Повышает жесткость и улучшает удаление стружки
Угол спирали	20°-25°	25°-35°	Улучшает плавность удаления стружки
Угол зазора по внешнему краю	8°-10°	12°-15°	Уменьшают трение об обрабатываемую поверхность.
Длина кромки зубила	0.2d	0.08-0.1d	Снижение осевого усилия более чем на 28%.
Форма кромки зубила	Прямой	S-образная, X-образная	Повышение точности центрирования и снижение погрешности округлости.

Научный выбор параметров бурения

Рекомендуемые параметры резки

В зависимости от материала титанового сверла, параметры резки должны быть соответствующим образом скорректированы:

• Твердосплавные сверла: Скорость резания v = 9-15 м/мин, скорость подачи f = 0,05-0,2 мм/р
• Сверла из быстрорежущей стали: Скорость резания v = 4-5 м/мин, скорость подачи f = 0,05-0,3 мм/r
  Для сверления глубоких отверстий в титановом сплаве TC4 наиболее оптимальные результаты дает скорость подачи 0,12-0,16 мм/об и скорость резания 30-40 м/мин.

Взаимосвязь между скоростью подачи и качеством поверхности

Скорость подачи оказывает значительное влияние на качество поверхности стенок отверстия. Для достижения шероховатости поверхности Ra 1,6 мкм скорость подачи необходимо контролировать на уровне менее 0,16 мм/об. При увеличении скорости подачи шероховатость поверхности значительно ухудшается.

Ниже приведены рекомендуемые параметры резания для сверл различных диаметров.

Диаметр сверла (мм)	Скорость вращения шпинделя (об/мин)	Скорость подачи (мм/об)
＜3	1000-600	0.05
＞3-6	650-450	0.06-0.12
＞6-10	450-300	0.07-0.12
＞10-15	300-200	0.08-0.15
＞15-20	200-150	0.11-0.15
＞20-25	150-100	0.11-0.2
＞25-30	100-65	0.13-0.2

Охлаждение, смазка и техника эксплуатации

Выбор и использование охлаждающей жидкости

Хлорсодержащие охлаждающие жидкости запрещены для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением. Рекомендуется использовать смесь машинного масла N32 и керосина в соотношении 3:1 или 3:2 или специальное сернистое масло для резки.

Для сверления глубоких отверстий необходимо внутреннее охлаждение под высоким давлением. Оно подает охлаждающую жидкость непосредственно в зону резания, обеспечивая охлаждение, смазку и удаление стружки. Давление охлаждения обычно выбирается в диапазоне 1,5-3 МПа; для особо глубоких отверстий или труднообрабатываемых материалов оно может быть увеличено до 6 МПа.

При сверлении глубоких отверстий в качестве охлаждающих жидкостей следует использовать эмульсии или смазочно-охлаждающие жидкости под высоким давлением, чтобы обеспечить хорошее охлаждение и смазку.

Ключевые моменты работы

Регулярно втягивайте сверло, чтобы удалить стружку: Это предотвращает забивание стружкой и поломку сверла. Извлекайте сверло для удаления стружки через каждые 2-3 мм сверления.

- Не допускайте заклинивания сверла в отверстии: В противном случае оно будет тереться об обработанную поверхность, вызывая закалку и затупление сверла.

- Повышает жесткость системы обработки: Закрепите сверлильную оснастку рядом с обрабатываемой поверхностью, чтобы уменьшить свес сверла.

- Обработка глубоких и мелких отверстий: Для лучшего контроля процесса резки можно использовать ручную подачу.

- Предварительно обработайте пилотное отверстие: Для обработки глубоких отверстий сначала можно обработать пилотное отверстие диаметром, аналогичным диаметру сверла, и глубиной около 10 мм, при этом зазор должен составлять 0,003-0,008 диаметра отверстия.

Контрмеры для обработки в особых условиях труда

Методы обработки глубоких отверстий

При обработке глубоких отверстий с отношением длины к диаметру более 5 следует использовать технологию сверления с внутренним охлаждением. Сверла с внутренним охлаждением изготавливаются из цельного куска твердого сплава, аналогично спиральной структуре стандартного спирального сверла. Режущая жидкость подается к режущей кромке через внутреннюю спиральную полость и выводится из отверстия вместе со стружкой.

Для глубоких отверстий диаметром менее 30 мм можно выбрать систему обработки DF, а для отверстий большего диаметра - систему обработки BTA.

Ключевые моменты при обработке тонкостенных деталей

При обработке тонкостенных деталей из титанового сплава необходимо учитывать следующие меры:

• Увеличьте количество процессов термообработки для устранения закалки и снижения деформации под напряжением.
• Применяйте технологический маршрут, при котором сначала обрабатывается внутреннее отверстие, а затем используется оправка для внутреннего отверстия для позиционирования и обточки наружного диаметра.
• При токарной обработке наружного диаметра добавьте внутрь отверстия оправку из закаленной стали, чтобы повысить жесткость детали и предотвратить деформацию, вызванную болтанкой.

Обработка ламинированных материалов

При обработке композитов из углеродного волокна и слоистых титановых сплавов оптимизация структуры кромки резца имеет особое значение. Исследования показали, что оптимизированная структура кромки резца может значительно снизить осевые силы резания и крутящий момент, тем самым улучшая качество сверления.

Изучение реальных примеров и проверка результатов

Пример 1: сверление деталей из титанового сплава для аэрокосмической компании

Заготовки из титанового сплава TC4 обрабатывались с помощью сверла из молибденовой быстрорежущей стали. Диаметр сверла составлял 6,35 мм, глубина отверстия - 12,7 мм. Выбранные параметры: скорость резания 11,6 м/мин, скорость подачи 0,127 мм/об, эмульсионное охлаждение.

Результаты: Каждое сверло могло обработать 260 отверстий (стандарт износа 0,38 мм), что значительно повысило эффективность обработки.

Пример 2: Ремонт тонкостенных конструкций из титанового сплава в самолетах

При сверлении отверстий для защиты от растрескивания кожи из титанового сплава самолета использовалось долото с S-образной кромкой из быстрорежущей стали в сочетании со смазкой микромасляным туманом. Результаты показали, что по сравнению со стандартным долотом с прямой кромкой, долото с S-образной кромкой уменьшило осевое усилие сверления на 28% и погрешность округлости отверстия на 58,9%.

Пример 3: Обработка глубоких глухих отверстий во втулках с железным сердечником

Глубокие глухие отверстия (отношение длины к диаметру близко к 20) в титановом сплаве TC4 были обработаны с использованием технологии сверления с внутренним охлаждением при скорости вращения шпинделя 1500 об/мин, подаче 0,03 мм/об и давлении охлаждения 6 МПа. Результаты: Время обработки сократилось с 40 минут на деталь до 6 минут на деталь, что увеличило эффективность почти в 7 раз. Шероховатость поверхности отверстия достигла Ra0,8, прямолинейность составила 0,01-0,019 мм, а ресурс сверла позволил обработать более 80 деталей.

Будущие тенденции развития

С ростом зрелости технологии обработки титановых сплавов и постоянным совершенствованием технологического оборудования и режущего инструмента, в настоящее время достигнута стабильная обработка сверхкрупных конструкционных элементов и прецизионных сложных деталей. В будущем технология обработки титановых сплавов будет развиваться в следующих направлениях:

1. Высокие эксплуатационные характеристики: Разработка сплавов с более высокими рабочими температурами, более высокой удельной прочностью, более высоким удельным модулем упругости, лучшей коррозионной и износостойкостью.
2. Низкая стоимость: Разработка сплавов, содержащих мало или совсем не содержащих элементов из драгоценных металлов, с добавлением недорогих элементов, таких как железо, кислород и азот.
3. Новые технологии: Внедрение новых технологий обработки, таких как технология холодной штамповки, для повышения эффективности производства, выхода и производительности титановых сплавов.
4. Интеллектуальная обработка: Использование передовых компьютерных технологий для моделирования процесса деформации заготовки и прогнозирования развития микроструктуры металла.

Заключение

Обработка титановых сплавов - это не просто вопрос выбора инструмента, а системный инженерный проект. Каждый аспект - от материала и геометрии инструмента до параметров резания и методов охлаждения - требует тщательной проработки. Использование цементированного карбида типа YG, оптимизация геометрии сверла, инновационная структура кромки резца и применение научных параметров обработки позволяют преодолеть трудности, связанные со сверлением титановых сплавов, повысить эффективность производства и качество продукции.

Цель данной статьи - оказать практическую помощь в решении реальных проблем, возникающих при обработке титановых сплавов. Правильная конструкция инструмента в сочетании с научно обоснованными параметрами обработки повысит эффективность обработки титановых сплавов более чем на 30% и продлит срок службы инструмента более чем на 50%. Если у вас есть конкретные сценарии обработки, которые вы хотите обсудить, пожалуйста, оставьте комментарий в разделе комментариев, чтобы обменяться идеями или свяжитесь с нами.

Конкретные параметры должны быть точно отрегулированы в соответствии с реальными условиями.