Почему обработка титановых сплавов представляет сложность и какие инструменты для этого подходят?

Титан является аллотропным веществом. При температуре ниже 882 °C он имеет плотноупакованную гексагональную альфа-структуру; при температуре выше 882 °C — объемно-центрированную кубическую бета-структуру. Легирование изменяет температуру фазового перехода и фазовый состав, в результате чего получаются альфа-, бета- и альфа-бета-сплавы титана.

Факторы, влияющие на процесс механической обработки

Почему титан трудно резать

• Коэффициент деформации при резании близок к единице или ниже единицы, что усиливает скольжение стружки вдоль передней поверхности режущей кромки и ускоряет износ.
• Температура резания высока, поскольку тепло концентрируется вблизи небольшой зоны контакта инструмента со стружкой. При сопоставимых условиях температура резания Ti-6Al-4V может превышать температуру резания углеродистой стали марки 45 более чем в два раза.
• Хотя основное режущее усилие может быть примерно на 20% ниже, чем у конструкционной стали, давление в зоне контакта может достигать 130–150% от значения для стали марки 45, что приводит к концентрации напряжений на кромке.
• Поглощённый газ и продукты реакции образуют твёрдый, хрупкий, неоднородный поверхностный слой, который снижает усталостную прочность и способствует образованию надрезов, сколов и отслоений.
• Высокая адгезия, температура и давление приводят к сильному прилипанию и образованию нагара на инструменте.
• Низкая жесткость приводит к прогибу заготовки и пружинному возврату, что уменьшает эффективный угол зазора и ухудшает точность.

Выбор материалов для инструментов

Обычно в качестве материала выбирают быстрорежущую сталь с добавками кобальта, алюминия или ванадия; вольфрамо-кобальтовый твердый сплав, иногда с небольшими добавками других карбидов; а также отдельные виды карбида с PVD/CVD-покрытием. Марки вольфрамо-титанового карбида и многие пластины с покрытием, как правило, не подходят для данного применения.

Инструменты из алмаза и поликристаллического кубического нитрида бора демонстрируют высокую эффективность при финишной и сверхточной обработке. Алмаз обладает твердостью до примерно 10 000 HV и превосходной теплопроводностью, однако при его использовании необходимо поддерживать температуру ниже примерно 700–800 °C, обеспечивая надлежащее охлаждение и смазку. PCBN обладает меньшей твёрдостью, но термической стабильностью при температурах выше 1 200 °C и высокой химической инертностью по отношению к титану, что делает его пригодным для высокотемпературной сухой резки.