Jak efektivně řešit problém řezání slitiny titanu

Vysokotlaké chlazení se používá ke zlepšení účinnosti řezání slitiny titanu

V leteckém průmyslu musí pro strukturu slitiny titanu dosáhnout odstranění materiálu 90%. Velká letadla jako Boeing's b-787 jsou vyrobena z více než 90 tun slitiny titanu do mnoha různých částí o hmotnosti asi 11 tun. Aby se však minimalizovaly náklady na zpracování, je vhodné sledovat vyšší rychlost odstraňování materiálu. V posledním desetiletí se však rychlost odstraňování titanu pouze zdvojnásobila, zatímco hliník se pětkrát zvýšil. V současné době dosahuje rychlost odstraňování hliníku 10 l / min nebo vyšší, zatímco řezná rychlost titanu právě dosáhla 0,5 l / min.

S ohledem na poslední roky, zejména v leteckém průmyslu, roste podíl částí z titanové slitiny a spojovacích komponentů z titanové slitiny / uhlíkových vláken. Zvyšování účinnosti výroby řezání materiálů z titanové slitiny je stále důležitější.


Je těžké řezat materiály z titanové slitiny

Tyto výhody materiálů ze slitiny titanu se však staly obtížemi při řezání. Jedním z hlavních důvodů, proč je slitina titanu obtížně řezatelná, je nízká tepelná vodivost a vysoká měrná tepelná kapacita. Tím se zabrání přenosu řezného tepla z oblasti řezu přes třísky a obrobek. Většina tepla (asi 75 procent) jde na špičku. Vysoká teplota podporuje difúzi a lepení na povrchu čepele za vzniku čipových uzlů a současně díky vysoké pevnosti materiálu z titanové slitiny vzniká během řezání větší řezná síla. Řezný nástroj je proto v procesu obrábění vystaven vysokému tepelnému a mechanickému zatížení. Za druhé, modul pružnosti slitiny titanu je nízký. Působením řezné síly se komponenty deformují a poté odpruží, což ovlivní přesnost obrábění součástí.

Jak je zde vidět, hlavním problémem při řezání slitin titanu je to, že řezné teplo absorbované nástrojem je příliš velké, což vede k rychlejšímu opotřebení nástroje, což nutí použití nižší řezné rychlosti, což zjevně sníží efektivitu zpracování a zvýšit cenu jednoho kusu. Například 50% výrobních nákladů na turbo kompresorové kolo Ti6Al4V se utratí za řezání.

Není těžké vidět, že řešením problému řezání materiálu z titanové slitiny je použití řezných nástrojů z tvrdokovu odolných vůči vysokým teplotám a účinné chlazení procesu řezání. Za účelem zlepšení účinnosti řezání a spolehlivosti zpracování slitiny titanu provedlo mnoho výrobců řezných nástrojů a univerzity plodný výzkum a experimenty. V Německu, zejména jako Darmstadtská technická univerzita, RWTH aachenská univerzita, Braunschweigská technická univerzita, leibnizská univerzita v Hannoveru a Dortmundská univerzita technologie a další vysoké školy a univerzity v mechanismu řezání titanové slitiny, analýza konečných prvků, simulace, úhly geometrie nástroje , řezný test a různé způsoby chlazení atd. provedla řadu studií, včetně obráběcího stroje univerzitní laboratoře RWTH aachen (WZL) s Iscarem (Iscar), kovářského kovu (Kennmetal), Mountain high cutting tools (Seco Tools) a Nástrojárna Sandvik (Sandvik) v úzké spolupráci při provádění technologického výzkumu, včetně technologie vysokotlakého chlazení a výroby leibnizů a institutu pro výzkum obráběcích strojů na univerzitě v Hannoveru (IFW) leteckým dopravcem Airbus Germany, kenner metal, Paul Horn a Lehmann nástrojová společnost pro financování, prováděná „vývojem řezných nástrojů, zvyšuje rychlost odstraňování materiálu z titanového mlýna g "projektová výzkumná práce."


Vysokotlaké chlazení je účinným řešením

Výzkum ukazuje, že chladicí nástroj je účinným způsobem řešení problému řezání slitiny titanu. V současné době existují dva způsoby, jak vyvinout technologii účinného chladicího nástroje. Jedním je použití vysokotlakého chladicího mazání, druhým je použití chlazení studeným vzduchem, tj. Použití kapalného dusíku (-196 ℃) nebo kapalného oxidu uhličitého (CO2) (-65 ℃) pro chlazení, zejména kapalný dusík, což je velmi slibná metoda chlazení pro chlazení frézy. Je třeba zdůraznit, že řezání podporované chlazením dusíkem nebo oxidem uhličitým je druh suchého obrábění, které může nejen ochlazovat řezný nástroj, pomáhá rychle rozbít třísky a prodloužit životnost řezného nástroje, ale má také mnoho ekonomických výhod , technické a ekologické výhody suchého obrábění.

V současné době, vzhledem k dobrému chladícímu účinku vysokotlakého chlazení, jakož i existující zpracovatelské centrum a soustružnické centrum jsou vybaveny chladicím a mazacím zařízením, existuje mnoho výrobců řezných nástrojů a může toto vysokotlaké chlazení řezání zajistit nástroj, a nashromáždil spoustu praktických zkušeností s (soustružení i frézování), proto je používán buď vysokotlakým chlazením mazivo se bezpochyby stalo první volbou.

U konvenčního chlazení s velkým průtokem nemůže chladicí mazivo dosáhnout řezné oblasti mezi řeznou hranou a čipem, takže řeznou hranu nelze účinně chladit. Pro dosažení účinného chlazení nástroje by měl být přívod chladicího maziva přesně vyrovnán s kontaktní oblastí mezi řeznou hranou a třískem při vysokém tlaku a přiměřeném průtoku. V kontaktní oblasti pro vytvoření vysokoenergetického nárazového klínu, čímž se zkracuje doba kontaktu mezi čipem a čepelí, snižuje teplota řezné zóny, současně se štěpka tříští, ochlazováním superpozice a mechanickým nárazem těchto dvou efekt, rychle provést spolehlivé lámání a vybíjení třísek, čímž se výrazně zvyšuje spolehlivost zpracování, takže je výhodné realizovat automatizaci procesu řezání.


Vysokotlaké chlazení pomáhá zvyšovat produktivitu

Praxe ukazuje, že trvanlivost nástroje může být zvýšena o 50% vysokotlakým chlazením. Úpravou tlaku chladicí a mazací tekutiny lze ovlivnit tvar třísky, aby se zlepšilo rozbití třísky. Podle Iscara vidíte proces formování třísky při různých tlacích chladicí a mazací tekutiny. Když je čip ochlazován velkým průtokem při tlaku 2 MPa, roste čip na navinutý čip. Když se aplikuje vnitřní chlazení při tlaku 8 MPa, štěpky se rozbijí na malé zakřivené štěpky při vysokém tlaku. Pokud je použití 30 MPa ultra vysokého tlaku pro vnitřní chlazení, když se z čipů stanou jehly ve tvaru čipů. Z těchto tří příkladů není obtížné vidět, že vysokotlaké chlazení může řídit formování třísky, čímž se zvyšuje spolehlivost procesu řezání, a může zlepšit řezné množství zpracování slitiny titanu.

Zde je třeba poznamenat, že při tlaku chladicího maziva nižším než 7 MPa se chladicí kapalina odpařila před řeznou hranou a vytvořila bublinu, čímž bránila přenosu tepla. Když je tlak chladicí kapaliny vyšší než 7 MPa, může být bublina odstraněna a chladicí kapalina může být rozprašována přímo na místo řezání. Kromě toho je třeba zdůraznit, že použití tradičních mazacích olejů s minerálním olejem, vysokotlaké chlazení řezání, oleje snadno dýchat hodně vzduchu, což má za následek špatnou účinnost odvádění tepla. Za tímto účelem vyvinula německá mazací společnost Fuchs Europe chladicí mazivo (Ecocool TN2525 HP) s výkonem výfukových plynů na bázi syntetického maziva ke zlepšení chladicího účinku chladicího maziva.

Při zpracování slitiny titanu jsou hlavními nástroji mechanické upnuté vyměnitelné kusy a pevné karbidové nástroje. Obecně lze říci, že řezná rychlost hrubého obrábění je asi 50 m / min a řezná rychlost dokončovacího obrábění je (200-300) m / min. Po vysokotlakém chlazení lze řeznou rychlost zvýšit o 20%. V tomto okamžiku se teplota nezvýší v důsledku zvýšení řezné rychlosti. Pokud se při použití nástroje CBN použije vysokotlaké chlazení, lze řeznou rychlost dále zlepšit. Používaná ultravysokotlaká chladicí a mazací zařízení však musí být speciálně vybavena. Z důvodu obráběcího centra, soustružnického centra a multifunkčního komplexního stroje vybaveného chladicím mazacím tlakem je tlak obecně (7-10) MPa.


Porovnání efektů obrábění konvenčním chlazením a vysokotlakým chlazením (data od firmy Sandvik)

Ze srovnání účinků obrábění různých způsobů chlazení vyplývá, že vysokotlaké chlazení poskytuje podmínky pro zlepšení řezných parametrů. Vysoké řezné parametry mohou výrazně zlepšit efektivitu výroby a výrazně snížit náklady na jeden kus. Přestože trvanlivost nástroje může být zvýšena o 50% vysokotlakým chlazením, lze ji snížit pouze o 1,5% na jednotku, protože náklady na nástroje obvykle představují pouze 3% výrobních nákladů.

Používejte vysokotlaké chlazení, věnujte pozornost přesné koordinaci tlaku, průtoku a otvoru trysky. Podle Sandvika například použití trysky s otvorem 1 mm na nástroji vyžaduje pro udržení tlaku průtokovou rychlost chladicí a mazací tekutiny 5 l / min. Velikost otvoru trysky by proto měla být zvolena tak, aby vytvořila nejvyšší tlak a nejlepší využití toku chladicího maziva.

Pro zpracování frézováním, v případě použití více než jedné lopatky, existuje odpovídající počet trysek, v tomto okamžiku vyžaduje velký tok chladicí a mazací tekutiny, pokud tok mazacího systému není dostatečný, ovlivní to výstupní tlak trysky. V tomto bodě zvažte použití trysky s malým průměrem trysky pro snížení průtoku a udržení rozprašovacího tlaku chladicího maziva.


Používejte vhodné řezné nástroje a obráběcí stroje

V leteckém průmyslu se většina složek slitiny titanu zpracovává z hrubých na hotové výrobky s odstraněním velkého množství materiálu. Stěna hotového výrobku je velmi tenká, tvar je velmi složitý a často se při procesu frézování hluboké drážky setkává. Proto je velmi důležité zlepšit rychlost odstraňování materiálu. Omezujícím faktorem pro zlepšení rychlosti odstraňování materiálu je opotřebení nástroje. Výzkum ústavu technologie výroby a obráběcích strojů (IFW) na univerzitě v Leibniz Hannoveru ukazuje, že frézování titanových slitin (TiAl6V4) se součástmi s menším zadním úhlem (alfa = 6o) a relativně velkým čelním úhlem (gama = 14o) se snižuje opotřebení nástroje.

Díky nízkému modulu pružnosti titanu se při frézování snadno vyskytují vibrace. Vzhledem k této situaci plánuje konstrukce frézy používat frézu s nerovnými zuby a úzký pás kotouče brzdy s nulovým zadním úhlem. Chcete-li zlepšit odstraňování třísek, vyleštěte přední část nástroje.

Ke zlepšení řezné rychlosti materiálu se proto často používá vyšší množství řezu zezadu a z boku, při zpracování se tedy vytvoří větší řezné zatížení. Titan je náchylný k vibracím díky svému nízkému modulu pružnosti. Z těchto důvodů by měl mít stroj vysokou tuhost, dobrý tlumicí výkon, vysoký točivý moment vřetena a hnací zařízení s vysokým výkonem. Pro čelní frézování a kruhové frézovací drážky nebo štěrbiny je zvláště důležité spolehlivé odstranění třísky, a proto by měl stroj používat horizontální konfiguraci vřetena

V současné době lze ke zpracování komponent titanové slitiny použít zpracovatelská centra, jako jsou zpracovatelská centra Ecoforce 2035 a 2060 korporace DST, pětiosá zpracovatelská centra C 60U společnosti Hermle a Makino T4 společnosti Makino. Včetně Makino T4 je speciálně navržen pro zpracování slitiny titanu, kromě obráběcího stroje má vysokou tuhost, zejména stabilitu konstrukce obráběcího stroje, horizontální konfiguraci vřetena a vysoký výkon vřetena a účinný chladicí systém, stroj má také aktivní tlumicí systém , díky inovaci tlumení vibrací systému může bránit zejména při hrubém obrábění. Systém ACTS na vodicí kolejnici je úměrný řezné síle třením, aby bylo dosaženo rovnováhy řezné síly třením. Makino T4 tak může dosáhnout hlubší hloubky řezu, dosáhnout vyšší rychlosti odstraňování materiálu (přibližně 500 cm3 / min při hrubém obrábění) a snížit opotřebení nástroje.


Závěr

Technologie vysokotlakého chlazení má mnoho výhod, jako je prodloužení životnosti nástroje, řízení tvorby třísek, zvýšení řezné rychlosti a zlepšení kvality povrchu obrobku, a tím zvýšení efektivity výroby.

V současné době je vysokotlaká chladicí technologie vyspělou technologií, v praktickém použití, vysokotlakou kapalinou pro mazací mazivo, dostatečným průtokem a vytvářením přesného zarovnání řezné hrany a kontaktní oblasti třísek vysokotlaké trysky, což je řezný nástroj pro efektivní chlazení a efektivní ovládání čipu je základní podmínkou. Aby se dosáhlo co nejlepších výsledků při zpracování součástí z titanové slitiny, je nutné kombinovat vysokotlaké chlazení s racionálním výběrem a konstrukcí materiálů nástrojů, povlaků, geometrických úhlů a řezných parametrů.

Proto volba řezných nástrojů vhodných pro zpracování titanové slitiny, vysoká tuhost, vysoký tlumicí výkon a obráběcí stroj je další důležitou podmínkou pro uskutečnění ekonomického řezání komponentů ze slitiny titanu.