Obróbka cienkich-części o ścianach ze stopu tytanu TC4

Dlaczego tytan TC4 jest trudny w obróbce

Stop tytanu TC4, zapisywany także jako Ti-6Al-4V i UNS R56400, to najczęściej stosowany stop tytanu w sprzęcie lotniczym, medycznym i-najwyższej klasy sprzęcie sportowym. Jego gęstość wynosi tylko około 4,43 g/cm3, a wytrzymałość na rozciąganie sięga około 895-950 MPa, co daje stosunek wytrzymałości do masy, którego stal nie może dorównać. Te same właściwości, które czynią stop atrakcyjnym, utrudniają również jego skrawanie: przewodność cieplna wynosi tylko około 7 W/(m·K), czyli mniej więcej jedną czwartą przewodności cieplnej stali węglowej, więc ciepło skrawania koncentruje się na krawędzi, a nie jest odprowadzane przez wiór. Moduł sprężystości wynosi około 110 GPa, zatem obrabiany przedmiot ugina się i odskakuje pod obciążeniem, a materiał reaguje chemicznie z powłokami narzędzi w podwyższonej temperaturze.

Cienkie-części jamy ustnej pogarszają każdy z tych efektów. Gdy grubość ścianki spadnie do około 2 mm, część jest sztywna w kierunku skrawania, ale elastyczna wszędzie indziej, więc duża część siły skrawania wygina przedmiot obrabiany, zamiast tworzyć wiór. Rezultatem są drgania, nierówna grubość ścianki i powierzchnia montażowa, która nie będzie uszczelniać. W tym artykule jako przypadek odniesienia wykorzystano reprezentatywną część pokrywy TC4 ze ścianą wnęki w kształcie łuku- o grubości 2 mm i występami o grubości 6 mm oraz określono przebieg procesu, parametry oprzyrządowania i cięcia, które zapewniają płaską powierzchnię montażową z dokładnością do 0,1 mm.

Geometria części odniesienia i docelowe wartości tolerancji

Pokrywa referencyjna to pojedyncza wnęka w kształcie- dużego łuku ograniczona cienką ścianką, z dwoma cięższymi ramionami łączącymi i przykręcanym kołnierzem montażowym. Materiałem półfabrykatu jest płyta TC4 dostarczana zgodnie z ASTM B265, a pręty zgodne z ASTM B348 są stosowane do elementów mocujących. Naddatek na obróbkę musi pozostawiać wystarczającą ilość naddatku na przejścia wykańczające, przy jednoczesnym utrzymaniu obciążenia zgrubnego na wystarczająco niskim poziomie, aby uniknąć trwałego odkształcenia ścianki o grubości 2 mm.

Droga procesu: frezowanie zgrubne do docierania

Stabilna trasa oddziela usuwanie metalu od generowania dokładności. Obróbka zgrubna usuwa większość materiału przy części w jej najsztywniejszym stanie; półwykańczające i wykańczające są następnie wykonywane ze zmniejszonym zaangażowaniem promieniowym, dzięki czemu siła skrawania pozostaje niska. Poniższa sekwencja dotyczy okładki referencyjnej.

Op 10 – Przygotowanie ślepe:przepiłować i zmierzyć płytę TC4, odprężyć półfabrykat przed obróbką końcową, aby usunąć naprężenia resztkowe powstałe podczas walcowania.

Op 20 – Frezowanie zgrubne i wykańczające wnęki wypukłej:najpierw ustal profil zewnętrzny i otwory montażowe, aby późniejsze operacje miały niezawodny punkt odniesienia i prawidłowe wykończenie powierzchni po stronie wypukłej.

Op 30 – Frezowanie zgrubne wklęsłego wgłębienia:wydrążyć wnękę łukową za pomocą frezu palcowego o wysokiej-wysokiej zawartości kobaltu lub węglika, pozostawiając 0,5 mm na ścianie i 0,3 mm na podłodze.

Op 40 – Relaksacja stresu:pozostaw część do osadzenia, a następnie-zaciśnij ponownie tylko ramiona. Ten krok powoduje uwolnienie naprężeń wewnętrznych, podczas gdy pozostaje jeszcze zapas na przejścia wykańczające.

Op 50 – Frezowanie wykańczające wklęsłych wgłębień:obrysuj ścianę za pomocą frezu z{{0}kulistym czubkiem, wykonując ciągłe-kroki, a następnie-przestaw-oprzyrządowanie przedmiotu obrabianego dwa lub trzy razy, tak aby siła zaciskająca nigdy nie przechodziła przez cienką ściankę.

Op 60 – Wykończenie powierzchni montażowej:wykończyć, następnie przeszlifować powierzchnię i ręcznie docisnąć powierzchnię montażową, aby osiągnąć całkowitą płaskość 0,1 mm przy Ra 0,8 µm lub lepszym.

Op 70 – Inspekcja:zmierzyć grubość ściany za pomocą ultradźwiękowego lub-miernika grubości ścian na stałej siatce i sprawdzić płaskość na płycie powierzchniowej przed ostatecznym montażem.

Projektowanie oprzyrządowania i dobór narzędzi

Oprzyrządowanie wymaga większego budżetu na dokładność niż obrabiarka w przypadku cienkościennego-tytanu. Uchwyt musi podpierać część blisko strefy cięcia i przykładać siłę zaciskania tylko do grubych występów, nigdy w poprzek ściany o grubości 2 mm. Mocowanie próżniowe z profilowaną wkładką podporową lub masą mocującą o niskiej-stopności jest odpowiednie dla wklęsłej wnęki, ponieważ umożliwia wykonanie cięcia niemal bez mechanicznej siły zaciskania.

Dwie zasady są ważniejsze niż liczby. Po pierwsze, narzędzie nie może nigdy pozostać w nacięciu. - Stacjonarna obróbka krawędzi tytanowej-utwardza ​​powierzchnię w ciągu kilku sekund. Po drugie, frezowanie współbieżne o umiarkowanie dodatniej geometrii natarcia generuje mniejsze tarcie niż frezowanie konwencjonalne i utrzymuje siłę skrawania skierowaną na podpartą grubą sekcję.

Kontrolowanie drgań i deformacji

Zmniejsz zaangażowanie promieniowe zamiast posuwu:promieniowa szerokość cięcia wynosząca 10-15% przy pełnej głębokości rozkłada obciążenie wzdłuż krawędzi i oddala częstotliwość wzbudzenia od rezonansu ściany.

Podeprzyj ścianę od tyłu:wypełnij wnękę profilowaną podporą, woskiem lub-stopem niskotopliwym, aby ściana nie mogła odsunąć się od frezu.

Zmień powierzchnię mocowania pomiędzy przejściami:obracanie styku zaciskowego pomiędzy ramionami utrzymuje równowagę naprężeń szczątkowych wokół części, zamiast wyciągać ją z płaskości.

Trzymaj płyn chłodzący na krawędzi:Chłodzenie zalewowe pod wysokim-ciśnieniem wydłuża żywotność narzędzia i stabilizuje temperaturę skrawania, co ogranicza odkształcenia termiczne ścianki o grubości 2 mm.

Skorzystaj z wiosennej przepustki:końcowe przejście światła przy tym samym ustawieniu usuwa odzysk sprężystości pozostawiony przez poprzednie cięcie i często stanowi różnicę między błędem płaskości wynoszącym 0,15 mm a 0,05 mm.

Kontrola i akceptacja

Grubość ścianki sprawdzana jest na stałej siatce, tak aby wszelkie pocienienia były wykrywane w miejscu ich wystąpienia, a nie uśredniane. Płaskość sprawdza się na granitowej płytce za pomocą czujnika zegarowego, a pomiar powtarza się po wyjęciu części z uchwytu i pozostawieniu jej do osiągnięcia temperatury pokojowej, ponieważ zmierzona na gorąco pokrywa TC4 będzie miała lepszy odczyt niż w rzeczywistości. Części, które przejdą oba testy, są następnie montowane przed wypuszczeniem na rynek w ramach kontroli suchego uszczelnienia.

Często zadawane pytania

P: Dlaczego stop tytanu TC4 drga bardziej niż stal na tej samej maszynie?
Ponieważ TC4 ma mniej więcej jedną czwartą przewodności cieplnej stali i niższy moduł sprężystości, ciepło skrawania pozostaje na krawędzi, a część ugina się pod obciążeniem. Zmniejszenie sprzężenia promieniowego i podparcie ściany od tyłu eliminuje większość wibracji.

P: Jaką prędkość skrawania należy zastosować przy frezowaniu zgrubnym TC4?
Narzędzia węglikowe zazwyczaj pracują z szybkością 40-60 m/min w przypadku obróbki zgrubnej i 60-80 m/min w przypadku półwykańczającej z chłodzeniem zalewowym. Wykańczanie za pomocą frezu CBN z kulistym czołem można zwiększyć do 100-150 m/min, ponieważ cięcie wykańczające usuwa bardzo mało materiału.

P: W jaki sposób zapobiega się deformacji cienkiej ściany o grubości 2 mm?
Zaciskaj tylko na grubych ramionach, podeprzyj ubytek za pomocą profilowanej płytki lub-masy topliwej, zwolnij naprężenia po obróbce zgrubnej i wykończ ścianę wieloma lekkimi przejściami zamiast jednego ciężkiego.

P: Czy po obróbce zgrubnej konieczne jest odprężanie?
Tak. Obróbka zgrubna powoduje odcięcie dużej ilości materiału i zaburza równowagę naprężeń wewnętrznych płyty. Pozostawienie części przed obróbką wykańczającą zapobiega przesuwaniu się ściany po ostatnim cięciu.

P: W jaki sposób uzyskuje się płaskość 0,1 mm na powierzchni montażowej?
Po frezowaniu wykańczającym następuje szlifowanie powierzchni i docieranie ręczne. Wymagana jest ciągła-kontrola procesu, a część jest mierzona w temperaturze pokojowej po wyjęciu z uchwytu.

P: Jakie normy mają zastosowanie do materiału TC4?
TC4, czyli Ti-6Al-4V, jest objęty normą ASTM B265 dla blach i płyt, ASTM B348 dla prętów i kęsów oraz AMS 4911 dla blach. Specyfikacje zakupu powinny określać formę produktu i wymagane warunki obróbki cieplnej.