Низкая теплопроводность титана (6,7 Вт/м·К — примерно 1/8 от показателя стали) удерживает тепло, образующееся при резании, на острие инструмента, вместо того чтобы рассеивать его в заготовку. Это сконцентрированное тепло в сочетании с кристаллической структурой титана (HCP) вызывает упрочнение заготовки, когда скорость подачи становится слишком низкой или сверло задерживается в заготовке. Решение этой проблемы противоречит интуиции: следует поддерживать умеренные скорости (50–230 SFM в зависимости от сплава и материала инструмента), но при этом обеспечивать достаточно агрессивную подачу, чтобы сверло всегда резало, а не просто скользило по поверхности. В данном руководстве приведены параметры сверления для конкретных сплавов, технические характеристики геометрии сверл с рекомендациями по нанесению покрытий, требования к давлению охлаждающей жидкости, стратегия сверления с пробиванием, а также таблица устранения неисправностей — все данные получены от компаний Carpenter Technology, Kennametal, Sandvik, Guhring и из рецензируемых научных исследований в области производства.
Почему титан — один из самых трудносверлимых металлов
Сложность сверления титана сводится к одному числу: 6,7 Вт/м-К. Такова теплопроводность Ti-6Al-4V — основного сплава, используемого в аэрокосмической отрасли. Для сравнения: теплопроводность углеродистой стали составляет примерно 50 Вт/м·К, а алюминия 6061-T6 — 167 Вт/м·К.
При сверлении алюминия большая часть тепла, выделяющегося на режущей кромке, отводится в стружку и заготовку. При сверлении титана это соотношение резко меняется. Исследование, проведенное в Канзасском государственном университете на основе множества исследований по сверлению, показало, что примерно 60% или более тепла, выделяющегося при сверлении титана, поглощается режущим инструментом — по сравнению с примерно 15% при сверлении стали. Стружка отводит тепло очень медленно; заготовка практически не поглощает его. Всё сосредоточено на границе раздела «инструмент-стружка-заготовка».
Результат предсказуем: даже при умеренных скоростях резания температура на границе раздела при сверлении сплава Ti-6Al-4V может превышать 900 °C (IntechOpen, глава 32761 — рецензируемое резюме исследований по обрабатываемости титана при сверлении). При таких температурах одновременно происходят три негативных явления:
- Износ в результате диффузии — Атомы титана мигрируют в кобальтовую связующую вашего карбида WC-Co, растворяя связующую матрицу на режущей кромке.
- Наслоеная кромка (BUE) — Титан, обладающий сильной химической аффинностью ко многим материалам режущего инструмента, начинает привариваться к режущей кромке. Когда этот материал отрывается, он уносит с собой часть материала кромки.
- Упрочнение приповерхностного слоя — Чрезвычайная термическая нагрузка, действующая на материал непосредственно под режущей кромкой, приводит к упрочнению кристаллической структуры титана с кубической гармонически сопряженной (HCP) решеткой в результате деформации.
Этот третий механизм требует более подробного объяснения, поскольку именно он застаёт машинистов врасплох.
Альфа-фаза титана имеет гексагональную плотноупакованную (HCP) кристаллическую структуру. В отличие от металлов с FCC-структурой (алюминий, медь) или BCC-структурой (большинство сталей), HCP-структура имеет меньшее количество активных систем скольжения — кристаллографических плоскостей, вдоль которых могут перемещаться дислокации для снятия напряжений. Когда режущая кромка пластически деформирует приповерхностный материал, эти дислокации накапливаются, а не скользят свободно, что приводит к постепенному упрочнению поверхностного слоя. Чем тверже становится этот слой, тем больше силы требуется для его резания — что приводит к выделению большего количества тепла, которое, в свою очередь, вызывает дальнейшее упрочнение.
Практический результат: Титановые сверла, которые задерживаются, скользят или работают с недостаточной скоростью подачи, образуют зону с постепенно увеличивающейся твердостью на дне отверстия, и при последующих проходах режут всё более твёрдую поверхность. Сверла ломаются. Отверстия получаются с превышением номинального размера. Развертки вибрируют.
Ничто из этого не является неизбежным. Все зависит исключительно от того, как вы будете проводить сокращения.
Упрочнение металла при сверлении титана: причины, выявление и предотвращение
Упрочнение титана в результате механической обработки не является дефектом материала — это следствие технологического процесса. Каждый оператор станка, с которым я разговаривал и который сталкивается с этой проблемой, допускает как минимум одну из трёх ошибок: устанавливает слишком низкую скорость подачи, использует цикл «пек» с кодом G83 без обнуления времени выдержки или слишком долго держит изношенное сверло в зоне резания.
Три причины
Причина 1: Недостаточная скорость подачи (трение вместо резания)
У каждого сверла есть минимальная нагрузка на стружку, ниже которой режущая кромка перестает резать и начинает скользить по поверхности. При обработке титана такое скольжение вызывает нагрев без удаления материала — именно такие условия и способствуют упрочнению поверхности. В руководстве по обработке коммерчески чистого титана компании Carpenter Technology это четко сформулировано: “Важно не допускать скольжения сверла по поверхности титана, поскольку возникающее в результате упрочнение за счет деформации затрудняет восстановление реза”.”
Именно поэтому стандартная рекомендация “работайте медленно” относится только к скорости резания, а не к подаче. Скорость подачи должна оставаться достаточно высокой, чтобы режущая кромка всегда контактировала со свежим материалом, не полируя предыдущий проход.
Причина 2: Задержка в нижней точке циклов пека
Стандартные циклы сверления с пошаговым продвижением в ЧПУ (G83 в большинстве диалектов систем управления) включают опциональный параметр выдержки (P-команда), который приостанавливает инструмент в нижней точке каждого пошагового продвижения перед отводом. Такая пауза приводит к катастрофическим последствиям при обработке титана. При нулевой скорости подачи вращающееся сверло соприкасается с дном отверстия в течение всего времени, на которое установлен параметр выдержки — происходит трение, стружка не образуется, а тепло накапливается. Когда начинается следующий удар, сверло режет закаленную поверхность.
Решением проблемы является нулевая задержка при выполнении команды G83 (установить P=0 или опустить параметр P) либо переход на цикл разрубления стружки (команда G73 в большинстве ПК, совместимых с Fanuc), который выполняет короткий отвод вместо отвода на полное расстояние. Подробнее об этом — в разделе, посвящённом сверлению методом «пек».
Причина 3: Износ инструмента, превышающий срок службы
Тупая режущая кромка сначала отклоняется и трется, прежде чем начать резать. Как только износ боковой поверхности превышает примерно 0,3 мм (обычно указываемый порог замены инструмента при обработке титана), сверло при каждом обороте выделяет больше тепла, чем удаляет. Большинство предприятий узнают об этом на собственном горьком опыте: первые 40 отверстий получаются нормальными, а последние 10 — с упрочнёнными стенками и увеличенным диаметром.
Как определить упрочнение при деформации
Чтобы заметить происходящее упрочнение, не нужен прибор для измерения твердости. Наблюдаемые признаки на станке:
- Внезапное увеличение нагрузки на шпиндель в середине отверстия на той же заготовке — сверло режет материал, который по твердости превосходит тот, в который оно вошло
- Изменение цвета сверла — сине-золотистый оттенок на канавках сверла свидетельствует о накоплении тепла, которое приведет к упрочнению материала в следующем цикле
- Сверхразмерные отверстия — тепловое расширение нагретого сверла в сочетании с более твёрдой стенкой отверстия приводит к превышению номинального диаметра. В научном исследовании Селика (2014, «Материалы и технологии») этот феномен был последовательно зафиксирован для всех типов сверл из быстрорежущей стали (HSS), изготовленных из сплава Ti-6Al-4V.
- Расширитель вибрирует или заклинивает — если при финишной обработке в развернутом отверстии возникают вибрации, то, скорее всего, просверленное отверстие подверглось упрочнению
- Всплески крутящего момента при простукивании — для нарезания резьбы на титане, подвергшемся упрочнению при деформации, требуется значительно больший крутящий момент
Профилактика: три правила
- Обеспечьте достаточно интенсивную подачу, чтобы образовывалась стружка, а не пыль или порошок — стружка должна быть короткой и скрученной, а не порошкообразной (порошок свидетельствует о трении)
- Устранить все время выдержки на острие сверла — во время цикла пробивания, при смене инструмента, а также, в особенности, следует избегать остановки шпинделя в момент соприкосновения сверла с титаном
- Смените сверло, пока оно не затупилось — При работе с титаном износ боковых граней сверла до 0,3 мм может привести к упрочнению материала. Более короткие интервалы между заменами инструмента позволяют этого избежать.
Скорости и подачи сверления титана в зависимости от сплава
Это таблица, аналогов которой нигде больше нет. Приведенные ниже параметры взяты из технических паспортов Carpenter Technology (CP Grade 4 и Ti-6Al-4V ELI), каталога Kennametal KSEM (группа материалов ISO S), технического паспорта материала Ti-6Al-4V от Machining Doctor и руководства по обработке HonTitan для Grade 9. Используйте их в качестве отправной точки — ваши фактические оптимальные параметры будут варьироваться в зависимости от жесткости станка, давления подачи охлаждающей жидкости, геометрии сверла и соотношения глубины отверстия к его диаметру.
Таблица параметров бурения по сплавам
| Сплав | Класс / Спецификация | Материал инструмента | Скорость резания (SFM) | Скорость резания (м/мин) | Скорость подачи (IPR) | Скорость подачи (мм/об.) | Обрабатываемость |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Титан CP класса 1–2 | ASTM B265, класс 1/2 | HSS (M-7, M-10) | 50–80 | 15–24 | 0,002–0,005 | 0,05–0,13 | Группа 1: ~46%; Группа 2: ~40% |
| Титан CP класса 1–2 | ASTM B265, класс 1/2 | Карбид (C-2) | 80–130 | 24–40 | 0,003–0,006 | 0,08–0,15 | Группа 1: ~46%; Группа 2: ~40% |
| Титан CP марки 3–4 | ASTM B265, класс 3/4 | HSS (M-7, M-10) | 40–55 | 12–17 | 0,002–0,012* | 0,05–0,30* | 3-я группа: ~35%; 4-я группа: ~28% |
| Титан CP марки 3–4 | ASTM B265, класс 3/4 | Карбид (C-2) | 60–100 | 18–30 | 0,003–0,008 | 0,08–0,20 | 3-я группа: ~35%; 4-я группа: ~28% |
| Ti-3Al-2.5V | 9-й класс / AMS 4943 | Карбид | 100–200 | 30–60 | 0,002–0,006 | 0,05–0,15 | ~28% |
| Ti-6Al-4V | 5-й класс / AMS 4928 | HSS (T-15, M-42) | 30–35 — отжиг; 25–30 — старение | 9–11 | 0,003–0,012* | 0,08–0,30* | ~20% |
| Ti-6Al-4V | 5-й класс / AMS 4928 | Цельносплавный карбид | 160–230 | 50–70 | 0,004–0,010 | 0,10–0,25 | ~20% |
| Ti-6Al-4V ELI | Класс 23 / AMS 4956 | Цельносплавный карбид | 160–230 | 50–70 | 0,003–0,010 | 0,08–0,25 | ~22–24% |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo | Ti-6242 | Цельносплавный карбид | 98–164 | 30–50 | 0,003–0,007 | 0,08–0,18 | ~24% |
| Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr | Ti-5553 (близкий к бета-состоянию) | Цельносплавный карбид | 65–115 | 20–35 | 0,002–0,005 | 0,05–0,13 | ~15% |
*Скорость подачи при сверлении высокоскоростной сталью (HSS) материалов CP Grade 4 и Ti-6Al-4V зависит от диаметра в соответствии с рекомендациями Carpenter Technology: 0,001–0,002 IPR для диаметров 1/16″–1/8″; 0,004–0,010 IPR для диаметров 1/4″–1″; 0,012–0,025 IPR для диаметров 1-1/2″–2″. Скорость подачи зависит от диаметра сверла, что позволяет поддерживать надлежащую нагрузку на стружку.
Как читать эту таблицу
Прежде чем вводить эти цифры в систему управления, обратите внимание на несколько важных моментов:
Правило скорости 10%. При обработке титана превышение рекомендуемого диапазона скорости на 10% сокращает срок службы инструмента на 30–50% из-за крутого хода зависимости «Тейлор — срок службы инструмента». Если вы работаете на верхней границе диапазона и сталкиваетесь с коротким сроком службы инструмента, сначала снизьте скорость на 10–15%, прежде чем регулировать какие-либо другие параметры.
Минимальные значения скорости подачи имеют большее значение, чем максимальные. Нижняя граница диапазона подачи — это опасная зона, а не верхняя. Работа при подаче 0,002 IPR, когда диаметр сверла требует подачи 0,005 IPR, приводит к упрочнению материала. Если вы сомневаетесь, лучше выбрать значение ближе к верхней границе диапазона подачи — это продлит срок службы инструмента, а не сократит его.
Точка безубыточности HSS по сравнению с твердосплавными инструментами. Для мелкосерийного производства, где за один цикл просверливается менее 20–30 отверстий, сверла из быстрорежущей стали (HSS) или кобальто-HSS являются экономически выгодным решением и позволяют работать даже при переменной жесткости станка. При серийном производстве с объемом 50 и более отверстий преимущество твердосплавных сверл в скорости (в 3–5 раз выше, чем у HSS) быстро окупается, а сверла из твердого сплава с внутренним охлаждением обеспечивают более стабильное качество отверстий. Указанные выше скорости работы сверл из быстрорежущей стали подтверждены руководством по обработке компании Carpenter Technology — если ваше сверло из быстрорежущей стали достигает этих скоростей без вибрации, ваша настройка верна.
Сюрприз для девятиклассников. Ti-3Al-2.5V (марка 9) обрабатывается быстрее, чем марка 5, при одинаковых настройках инструмента. Теплопроводность у него немного выше (8,3 Вт/м·К против 6,7 Вт/м·К у сплава класса 5), а микроструктура в некоторой степени более поддается механической обработке (рейтинг обрабатываемости ~28% против ~20% по сравнению с эталонной легкорежущей сталью). Многие предприятия по умолчанию используют параметры для марки 5 при обработке всех титановых сплавов — это приводит к потере производительности при обработке труб и гидравлических фитингов из марки 9, широко используемых в авиастроении.
Геометрия сверла, которая действительно эффективна при обработке титана
Титан гораздо сильнее, чем почти любой другой материал, реагирует на неправильную геометрию. Угол наклона, который отлично подошёл бы для стали, при работе с титаном приведёт к смещению сверла и упрочнению материала. Вот как должна выглядеть геометрия и почему.
Таблица технических характеристик по геометрии
| Параметр | Рекомендуемый диапазон | Примечания |
|---|---|---|
| Угол точки | 130°–140° | С разъемной точкой или с утоньшением в промежуточной части; уменьшите кромку долота, чтобы свести к минимуму толкающее усилие |
| Угол закрутки | 28°–35° | Скрученная спираль (35°+) для отверстий глубиной более 3×D |
| Первичная очистка (очищение) | 10°–14° | Критическое — недостаточный зазор приводит к трению о закаленную стенку |
| Вторичный досмотр | 15°–20° | — |
| Угол наклона | 10°–15° для чистовой обработки; 5°–10° для черновой обработки | Положительный угол наклона режущей кромки снижает режущее усилие и тепловыделение |
| Кромка долота | Заточенный / с раздвоенным острием | Стандартная заостренная кромка создает чрезмерную толкающую силу; исключает самоцентрирование |
Угол точки: Стандарт NAS 907 по сверлению (используемый при сверлении титана в аэрокосмической отрасли, описанный в отчете DTIC № AD0620508) устанавливает угол 118°±5° для ручного сверления и 133°–135° для сверления с ЧПУ со стационарной подачей. Современная производственная практика в основном остановилась на угле 130°–140° для сверления титановых сплавов на станках с ЧПУ с использованием сверл с раздвоенным острием или с операцией утоньшения перемычки. Более большой угол вершины сверла уменьшает осевую тяговую силу, которая пытается вытолкнуть сверло из патрона, а раздвоенная вершина устраняет «мертвую зону» долота, которая генерирует тепло, не обеспечивая резания в центре сверла.
Угол закрутки: Стандартным для серийного производства является угол наклона спирали 28°–35°. Более высокие углы наклона спирали (35°+) улучшают отвод стружки при сверлении глубоких отверстий за счет увеличения шага спирали и сокращения расстояния, которое стружка преодолевает по канавке. При глубине отверстия в титане, превышающей 3×D, следует перейти на сверла с параболической канавкой или с высоким углом наклона спирали — они значительно уменьшают скопление стружки, которое приводит к поломке сверла. В отчете DTIC по сверлению титана для сверл для титана стандартной нагрузки указан угол наклона спирали 29°; большинство современных твердосплавных сверл имеют угол наклона спирали в диапазоне 30°–35°.
Угол выхода: Это параметр, который чаще всего указывается с недостаточной точностью. Угол отвода должен быть достаточно большим, чтобы боковая поверхность сверла не соприкасалась со упрочнённой стенкой отверстия. При слишком малом угле отвода (менее 8°) сверло полирует отверстие вместо того, чтобы резать его, что приводит к выделению тепла, возникновению вибрации и постепенному упрочнению стенок. Согласно спецификации DTIC, для сверл NAS 907 типов C и B предусмотрен основной угловой зазор 10°–14°; при значении менее 10° при обработке титана возникают проблемы.
Покрытие: почему TiN — не лучший выбор для титана
Этому вопросу стоит посвятить отдельный раздел, поскольку сверла с TiN-покрытием по-прежнему продаются и используются для обработки титановых заготовок на предприятиях, где об этом не знают.
TiN (нитрид титана) не рекомендуется использовать для сверления титановых заготовок. Две причины:
- Химическая аффинность: Титан, входящий в состав TiN-покрытия, обладает высокой химической аффинностью к титановой заготовке. При повышенных температурах, возникающих при сверлении титана (более 900 °C на границе раздела), адгезия «титан-титан» приводит к сцеплению покрытия с материалом заготовки, в результате чего фрагменты покрытия отрываются от рабочей поверхности сверла, ускоряя его износ. Это тот же механизм, что и при образовании наплавленного края, но на уровне слоя покрытия.
- Термическая стабильность: TiN окисляется при температуре примерно 550 °C. Температура на границе резания при сверлении сплава Ti-6Al-4V регулярно превышает 900 °C. При температуре выше температуры окисления TiN разрушается, а не защищает подложку. Вы используете покрытие, которое выходит из строя при температуре, на 60% превышающей ту, которую оно должно выдерживать.
Правильные варианты покрытия
| Покрытие | Температура окисления | Твердость (HV) | Примечания |
|---|---|---|---|
| TiN | ~550 °C | ~2,300 | Не применять к заготовкам из титана |
| TiAlN | ~700 °C | 2,800-3,300 | Образует теплозащитный слой из Al₂O₃; наиболее распространённое производственное покрытие для титана |
| AlTiN | ~800–900 °C | 4 000–4 500 | Чем выше соотношение Al:Ti, тем лучше тепловой барьер; предпочтительно использовать для агрессивной резки и при более высоких скоростях |
| Твердый сплав без покрытия | Н/Д | — | Острый, тонкий резец; рекомендуется использовать на низких скоростях (<50 м/мин); компания Sandvik рекомендует использовать сталь марки H13A без покрытия для обработки титановых слоистых конструкций |
На практике: TiAlN — это наиболее широко используемое покрытие для сверления при производстве титана — именно его компании Kennametal, Guhring и Sandvik применяют в своих линейках сверл, предназначенных специально для титана. Покрытие AlTiN целесообразно использовать в верхней части диапазона скоростей резания твердосплавных инструментов (200+ SFM), где дополнительная термическая стабильность обеспечивает заметное увеличение срока службы инструмента. Твердосплавные инструменты без покрытия иногда превосходят инструменты с покрытием при очень низких скоростях, поскольку более острая режущая кромка (отсутствие толщины покрытия на кромке) снижает усилие, необходимое для начала резания — компания Sandvik рекомендует свой марку H13A без покрытия специально для титаново-углепластиковых (CFRP) слоистых материалов.
Стратегия использования охлаждающей жидкости при сверлении титана
Ошибка, которую допускают большинство мастерских при работе с титановой смазочно-охлаждающей жидкостью, заключается не в типе жидкости, а в давлении. Большинство универсальных обрабатывающих центров подают смазочно-охлаждающую жидкость под давлением 150–400 PSI. Этот диапазон подходит для алюминия и стали, но не справляется с титаном при скоростях выше примерно 100 SFM.
Порог в 1 000 PSI
В зоне резания при сверлении титана температура обычно превышает 500 °C даже при умеренных скоростях. При таких температурах охлаждающая жидкость, попадая в зону резания, мгновенно испаряется, образуя паровой барьер, который препятствует контакту жидкой охлаждающей жидкости с инструментом или заготовкой. Эта паровая оболочка изолирует режущую кромку от охлаждающей жидкости так же эффективно, как и полное отсутствие смазочно-охлаждающей жидкости.
Журнал CTE Magazine зафиксировал физический порог: примерно 1 000 PSI (70 бар) Для проникновения через паровую пленку на границе резания и обеспечения контакта жидкости с зоной резания необходимо определенное давление подачи охлаждающей жидкости. Если давление ниже этого порогового значения, подаваемая охлаждающая жидкость испаряется, не успев коснуться вершины сверла.
В техническом руководстве по сверлению компании Sandvik Coromant в качестве стандартного параметра для сверления титана и материалов HRSA рекомендуется “высокое давление до 70 бар (~1 015 PSI)”. Система CoroDrill 860 этой компании рассчитана на давление до 80 бар (1 160 PSI). Это не маркетинговая фраза — это физическое требование.
Что это означает на практике:
- Предприятия, использующие стандартные обрабатывающие центры с ЧПУ без системы подачи охлаждающей жидкости под высоким давлением (HPU), при обработке титана ограничены небольшой глубиной отверстий и низкими скоростями резания
- Для отверстий размером до 2×D при скорости 100–150 SFM можно использовать обливу охлаждающей жидкостью под давлением 400–600 PSI, если поток жидкости точно направлен на вход в канавку
- Для отверстий размером 3×D и глубиной более 3×D, а также при скорости резания свыше 150 SFM сквозное смазочно-охлаждающее подача под высоким давлением (800–1 000+ PSI) является обязательным условием
Проходное охлаждение и затопление охлаждающей жидкостью
| Способ доставки | Соответствующая глубина | Давление | Примечания |
|---|---|---|---|
| Охлаждающая жидкость с потоком (внешняя) | До 2×D | Не менее 400–600 PSI | Стружка должна удаляться исключительно за счет геометрии; подходит для коротких отверстий |
| Охлаждающая жидкость, подаваемая через инструмент | 3×D и далее | 800–1 000+ PSI | Предпочтительный вариант для сверления титана в любых производственных условиях; обеспечивает подачу охлаждающей жидкости непосредственно на режущую кромку |
| Сухое бурение | Никогда | — | Не рекомендуется для использования с титановыми сплавами на любой глубине; компания Sandvik прямо указывает: “ни в коем случае не рекомендуется для материалов категории ISO S” |
Химия охлаждающей жидкости: проблема хлора
Вот такие рекомендации, которые почти никто не публикует. При обработке титана запрещается использовать хлорированные смазочно-охлаждающие жидкости. Присадки на основе хлора, обеспечивающие защиту от экстремального давления (EP) — широко используемые в старых сульфохлорированных смазочно-охлаждающих жидкостях — вызывают коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) в титановых сплавах, особенно в деталях, подвергающихся нагрузкам в процессе эксплуатации. Это особенно критично для титана, используемого в конструкциях авиакосмической отрасли (Ti-6Al-4V, Ti-6242), где микроскопическая трещина SCC, возникшая во время механической обработки, может расти под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Допустимые категории охлаждающих жидкостей для сверления титана:
- Полусинтетические и синтетические водорастворимые жидкости (концентрация 10%+) — большинство современных универсальных охлаждающих жидкостей не содержат хлора и являются безопасными
- Серосодержащие жирные смазочно-охлаждающие жидкости (без сульфохлорирования) — для низкоскоростного сверления с использованием быстрорежущей стали (HSS)
- Чистые масла без хлорсодержащих присадок EP — проверьте паспорта безопасности (SDS) и технические спецификации (TDS), предоставленные поставщиком охлаждающей жидкости
Ознакомьтесь с техническим паспортом поставщика охлаждающей жидкости на предмет наличия пометки “без хлора” или обратите внимание на раздел, посвящённый присадкам EP. Если в списке указаны “хлорированные присадки EP” или “хлорированный парафин”, не используйте данную жидкость для обработки титана.
Peck Drilling Titanium: G83 против G73 и стратегия постепенного увеличения глубины
При сверлении титана методом «пек» обязательно использовать отверстия глубиной более примерно 2×D — однако стандартный подход, который отлично работает при сверлении стали, при сверлении титана приводит к серьезным проблемам. Проблема заключается в задержке на дне каждого хода сверла.
Проблема задержки G83
G83 (цикл ступенчатого сверления глубоких отверстий с полным отводом) является циклом по умолчанию на большинстве ЧПУ, совместимых с Fanuc. Цикл включает опциональное P-слово (время выдержки в миллисекундах на глубине ступенчатого сверления). Многие программисты оставляют время выдержки — иногда копируя его из программы для обработки стали, иногда потому, что “это способствует удалению стружки”.”
При обработке титана такая пауза совершенно недопустима. При нулевой скорости подачи вращающееся сверло соприкасается с поверхностью заготовки в течение всей паузы — происходит трение, стружка не образуется, возникает исключительно тепло. К моменту, когда сверло втягивается и снова входит в зацепление, нижняя часть сверла уже начинает упрочняться. Следующий удар прорезает поверхность, более твёрдую, чем исходный материал.
Исправление для G83: Установите P=0 (нулевая задержка) или просто опустите слово «P» в цикле G83. Отвод и повторное включение должны происходить мгновенно.
G73: Цикл стругования (рекомендуется для титана)
Операция G73 (высокоскоростное пробивное резание с отводом стружки) предусматривает очень короткий отвод при каждой глубине пробивания — расстояние задается параметром станка (параметр Fanuc 5114), как правило, 0,1–0,5 мм, а не полный отвод для освобождения зоны резания. Это позволяет отламывать стружку, не удаляя её полностью из отверстия — быстрее, чем при использовании G83, и, что особенно важно, без выдержки на глубине пробива. Резец немедленно возобновляет резку.
Для отверстий в титане размером до 8×D обычно предпочтительнее использовать G73, а не G83. Для очень глубоких отверстий (10×D+), где для удаления стружки требуется полный отвод инструмента, следует использовать G83 с параметром P=0 и полагаться на сквозное охлаждение для удаления стружки.
Таблица прогрессивной глубины прокола
| Peck # | Приращение глубины | Примечания |
|---|---|---|
| Первый поцелуй | 1× диаметр сверла | Полный диаметр для формирования канавки для стружки |
| Пекс 2–5 | 0,5× диаметр сверла | Поддерживать нагрузку на стружку без нагрева |
| Пекс у самого дна | 0,25× диаметр сверла | Сохранение уровня риска по мере роста риска прорыва |
| Любой пик | 0 задержки | Никогда не останавливайтесь на глубине «пека» |
Начальная глубина при сверлении методом «пек»: В большинстве случаев обработка титана начинается с циклов «пек» с глубиной реза 2×D. При использовании очень агрессивных твердосплавных инструментов с отличной подачей охлаждающей жидкости некоторые предприятия работают с глубиной реза до 3×D, прежде чем переходить к циклам «пек», однако 2×D является безопасной отправной точкой.
Проверка внешнего вида микросхемы: При каждом цикле втягивания стержня в первом отверстии новой установки обращайте внимание на стружку. Титановая стружка должна представлять собой короткие скрученные полоски (2–4 мм), слегка посиневшие от воздействия высокой температуры. Наличие порошка или пыли означает, что происходит скорее трение, чем резка. Длинная волокнистая стружка свидетельствует о том, что подача слишком мала по сравнению со скоростью — увеличьте подачу.
Устранение типичных неполадок при сверлении титана
Если при сверлении титана возникают проблемы, их причиной почти всегда является одна из пяти основных причин: слишком высокая скорость, слишком низкая подача, недостаточное количество охлаждающей жидкости, неправильная геометрия инструмента или износ инструмента. В этой таблице приведены наиболее распространенные ситуации, возникающие на производстве.
| Симптом | Вероятная причина | Корректирующие меры |
|---|---|---|
| Сверло сломалось в середине скважины | Слишком низкая подача (материал скользит, а не режется); скопление стружки; упрочнённая поверхность от предыдущего прохода | Увеличьте скорость подачи; проверьте глубину проходки; убедитесь, что время выдержки равно 0; перед повторным входом в отверстие проверьте сверло на износ |
| Отверстия постоянно получаются слишком большими | Тепловое расширение сверла; упрочнённая в процессе обработки стенка выталкивает сверло наружу | Уменьшите скорость резания на 10–15%; увеличьте давление охлаждающей жидкости; заменяйте сверло раньше |
| Короткий срок службы инструмента (ниже ожидаемого) | Слишком высокая скорость; недостаточное давление охлаждающей жидкости; неправильное покрытие (TiN) | Сверьте значение SFM с таблицей сплавов; убедитесь, что давление сквозного охлаждения составляет 800+ PSI; перейдите на покрытие TiAlN или AlTiN |
| Сине-черный оттенок на канавках сверла | Накопление тепла — слишком высокая температура на границе резания | Уменьшите скорость резания; увеличьте давление охлаждающей жидкости; сократите интервал пробива |
| Шум при сверлении | Недостаточная подача (пропуск сверла вместо резания); низкая жесткость зажимного устройства | Увеличьте подачу; убедитесь, что заготовка надежно закреплена; проверьте биение сверла (максимум 0,002″ TIR для титана) |
| Наплавленная кромка (BUE) на вершине сверла | Покрытие TiN (химическая аффинность); слишком высокая скорость; изношенная кромка | Заменить покрытие на TiAlN/AlTiN или использовать твердый сплав без покрытия; проверить скорость резания; заменить сверло |
| Расширитель вибрирует после сверления | Упрочненное в процессе сверления отверстие | Анализ первопричин на этапе сверления: перед проходом развертки проверьте скорость подачи, время выдержки и износ инструмента |
| Всплески крутящего момента при простукивании | Поверхность отверстия, подвергшаяся упрочнению при сверлении из-за неблагоприятных параметров сверления | То же, что и выше — исправьте этап сверления, а не этап нарезания резьбы |
| Чрезмерные заусенцы на входе в отверстие | Угол наклона слишком мал; подача при входе слишком высокая | Уменьшите подачу 50% на первых 2× диаметра на входе; снимите фаску на входе или сначала используйте точечное сверло |
| Раслоение на выходе из отверстия (в титановых слоях) | Подача не уменьшается при прорыве | Уменьшите подачу до 50%, начиная с момента, когда глубина проходки превысит диаметр сверла на одну длину |
Сверление тонкостенных и углепластиковых (CFRP) и титановых блоков
Титан часто используется в аэрокосмических узлах в виде тонкостенных деталей (толщина стенок 0,5–3 мм) или в многослойных конструкциях из углепластика и титана, где слои углеродного волокна и титана просверливаются за одну операцию. Оба случая требуют корректировки параметров, выходящей за рамки приведённых выше стандартных рекомендаций.
Тонкостенный титан
Проблема: Тонкие стенки изгибаются под действием силы давления при бурении, что приводит к вибрации, расширению отверстия в виде раструба и отслоению материала на стороне выхода.
Корректировки:
- Уменьшить подачу на 30–50% по сравнению со значениями, указанными в таблице сплавов
- Перед началом сверления используйте центровочное сверло или сверло с углублением, чтобы точно определить начальную точку
- Используйте опорный блок (жесткую опорную пластину) на выходной поверхности, чтобы предотвратить отрыв материала
- Перед финишной обработкой выполнить пилотное сверление до конечного диаметра 50–60% — это снижает давление на тонкую стенку
- Слегка увеличьте частоту вращения шпинделя, чтобы компенсировать снижение подачи (поддержите нагрузку на режущую кромку, увеличив значение SFM на 10–15%)
Сверление слоев из углепластика и титана (аэрокосмическая отрасль)
Это одна из самых сложных задач сверления в аэрокосмической промышленности. К этим двум материалам предъявляются противоречивые требования: для углепластика (CFRP) необходимы высокая скорость вращения и низкая подача, чтобы избежать вырыва волокон и расслоения; для титана — низкая скорость вращения и высокая подача, чтобы избежать упрочнения материала и прилипания к инструменту.
Оптимальные значения параметров для слоистых инструментов из углепластика и титана (из руководства по применению Sandvik CoroDrill 452 и CoroDrill 863):
| Слой | Скорость (SFM) | Лента (IPR) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Запись о CFRP | 500–700 | 0,001–0,003 | Низкая скорость подачи для предотвращения вырывания волокон |
| Переходная зона | Снизьте скорость перед въездом на трассу Ti | 0,003–0,005 | Снизьте скорость перед входом в титановый участок |
| Титановый слой | 130–200 | 0,004–0,008 | Скорость резания; предпочтительно использовать твердосплавные инструменты без покрытия |
| Выход через CFRP | 500–700 | 0,001–0,002 | При выходе снова уменьшите подачу |
Примечание по поводу охлаждающей жидкости: Компания Sandvik рекомендует использовать свой карбидный сорт H13A без покрытия для обработки слоёных материалов из титана и углепластика (CFRP) именно потому, что более острая режущая кромка (отсутствие толщины покрытия) сводит к минимуму образование заусенцев на границах раздела слоёв CFRP и снижает склонность к прилипанию к титановому слою.
Опорные пластины: На выходной поверхности из углепластика обязательно должны быть установлены жесткие опорные пластины. Без опоры последний слой углеродного волокна отслаивается при прорыве.
Рекомендуемые линейки твердосплавных сверл для обработки титана
Для начала вам не понадобится специальное сверло для титана — указанные выше скорости и подачи подходят для любого твердосплавного сверла с подходящей геометрией. Однако если вы выполняете серийную обработку титана (50 и более отверстий за один проход), эти линейки инструментов от конкретных производителей имеют геометрию и покрытия, специально оптимизированные для данного материала.
Модульное сверло Kennametal KSEM
Модульная система для диаметров 12,5–101,6 мм со сменными режущими пластинами из карбида. Марка материала группы ISO S (титан, HRSA) — KC7315 — представляет собой многослойное PVD-покрытие на основе TiAlN на подложке из ультрамелкозернистого карбида. Рекомендуемые параметры для группы материалов ISO S: 50–80 м/мин (165–260 SFM), 0,09–0,20 мм/об в зависимости от диаметра. Модульная конструкция позволяет заменять только режущие лезвия, а не всё сверло целиком, что имеет большое значение при обработке титана с использованием сверл большого диаметра, где каждое сверло стоит значительно дороже, чем небольшое цельнокарбидное сверло.
Sandvik Coromant CoroDrill 860-SM
Сверло из цельносплавного карбида, диаметром 3–16 мм, с геометрическим вариантом “-SM”, специально предназначенным для обработки титана (материал ISO S). Имеет внутренние каналы для подачи охлаждающей жидкости, укрепление углов для уменьшения сколов на внешнем углу и оптимизированную двойную кромку для обеспечения устойчивости стенок отверстия. Обеспечивает допуск отверстия H8–H9 без развертки при стабильной настройке оборудования. Пропускная способность системы смазочно-охлаждающей жидкости 70–80 бар (1 015–1 160 PSI) соответствует проектным требованиям.
Guhring RT 100 T (серия 6513)
Сверло для глубокого сверления в титане и нержавеющей стали, рассчитанное на глубину до 30×D. Покрытие TiAlN, угол наклона вершины 135°, стандартное сквозное охлаждение. Разработано специально для глубокого сверления в материалах классов ISO S и M, где основной проблемой является отвод стружки. Возможность сверления на глубину до 30×D является исключительной — у большинства конкурентов максимальная глубина сверления твердосплавными сверлами, предназначенными специально для титана, не превышает 10×D.
Guhring RT 100 US (серия 5741)
Сверла из титана и нержавеющей стали стандартной глубины (3×D) с покрытием nano-A компании Guhring (наноструктурированный вариант AlTiN с твердостью ~4 500 HV). Угол вершины 140°, без сквозного охлаждения (с наружным обливом). Покрытие nano-A обеспечивает превосходную термозащиту без ухудшения радиуса кромки, характерного для более толстых PVD-покрытий.
Серии PDC и ADC компании Mikron Tool
Линейки микросверл компании «Микрон», предназначенные специально для обработки титана (диаметр 1–6,35 мм), представлены в двух вариантах геометрии: PDC для марок коммерчески чистого титана (задокументированные показатели: 45 м/мин, 0,030 мм/об. при обработке коммерчески чистого титана марки 4 с ресурсом 2 200 отверстий при изготовлении медицинских костных пластин) и ADC для титановых сплавов, включая марку 5 (60 м/мин, 0,020 мм/об.). Эти сверла являются оптимальным выбором для производства медицинского оборудования и в области высокоточной аэрокосмической промышленности, где диаметр отверстий не превышает 6,35 мм.
Часто задаваемые вопросы
Какую скорость резания следует использовать при сверлении титана?
Это зависит от сплава и материала инструмента. Для Ti-6Al-4V (марка 5) при использовании твердосплавного сверла стандартный диапазон составляет 160–230 SFM (50–70 м/мин). Для коммерчески чистого титана (марки 1–2) с карбидом подходит скорость 80–130 SFM. Сверление по HSS-сталям происходит значительно медленнее — 30–55 SFM в зависимости от сплава. Всегда сочетайте скорость с соответствующей скоростью подачи; медленная подача при низкой скорости приводит к упрочнению заготовки.
Почему титан подвергается упрочнению при сверлении?
Упрочнение при сверлении титана является следствием технологического процесса, а не неизбежным свойством материала. Оно возникает, когда сверло задерживается, трется или режет при слишком низкой нагрузке на стружку. Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура титана имеет ограниченные системы скольжения дислокаций — когда приповерхностный слой подвергается пластической деформации без адекватного образования стружки, эти дислокации накапливаются и упрочняют поверхность. Основными причинами являются: недостаточная скорость подачи, задержки в циклах «пек» (G83 P-dwell) и использование изношенного сверла, срок службы которого истек.
Можно ли использовать сверла с TiN-покрытием для обработки титана?
Нет. Покрытие TiN (нитрид титана) противопоказано для сверления титановых заготовок. Содержащийся в TiN титан обладает химической сродством к титановой заготовке при температурах резания (900 °C+), что приводит к сцеплению покрытия с материалом заготовки и ускоряет износ. Кроме того, TiN окисляется при температуре около 550 °C — ниже температур на границе раздела фаз (900 °C и выше), характерных для сверления сплава Ti-6Al-4V. Вместо этого следует использовать твердосплавные инструменты с покрытием TiAlN (окисляется при ~700 °C) или AlTiN (800–900 °C).
Какое давление охлаждающей жидкости необходимо при сверлении титана?
Не менее 1 000 PSI (70 бар) для подачи охлаждающей жидкости через инструмент при серийном сверлении титана. При температурах, возникающих во время сверления, охлаждающая жидкость испаряется, не достигая зоны резания, если давление недостаточно высокое, чтобы проникнуть через слой пара. Стандартная подача охлаждающей жидкости в обрабатывающих центрах (150–400 PSI) подходит только для сверления очень неглубоких отверстий (менее 2×D) при низких скоростях резания. Стандартные технические требования компании Sandvik для сверления титана и HRSA составляют 70 бар.
Можно ли сверлить титан без охлаждающей жидкости?
Нет, ни в каких производственных условиях. Сухое сверление титана приводит к крайне короткому сроку службы инструмента, упрочнению материала, образованию шлака (BUE) и термическому повреждению заготовки. Компания Sandvik прямо заявляет, что сухое сверление “ни в коем случае не рекомендуется” для материалов категории ISO S (титан, HRSA). Как минимум, следует использовать обливное охлаждение; производственным стандартом является сквозное охлаждение инструмента под давлением 800–1 000+ PSI.
В чём заключается разница между сверлением титана CP и Ti-6Al-4V?
Коммерчески чистый титан (марки 1–4) значительно лучше поддается механической обработке, чем Ti-6Al-4V — примерно 45–55% по обрабатываемости против 20% для марки 5. На марках CP можно использовать скорости резания твердосплавных инструментов на 30–80% выше, чем на марке 5 (80–130 SFM против 160–230 SFM). Титан CP также требует более низкого давления охлаждающей жидкости для получения отверстий аналогичного качества. Марка 5 представляет собой сложный сплав; по степени сложности обработка марок CP ближе к сверлению аустенитной нержавеющей стали.
Почему моя дрель постоянно ломается при работе с титаном?
Большинство случаев поломки сверл при обработке титана обусловлено одной из четырёх причин: (1) слишком низкая скорость подачи — сверло скользит по материалу, а не режёт его, что приводит к упрочнению материала, требующему всё большего усилия; (2) активный режим G83 — остановка на глубине прорезания вызывает упрочнение материала на дне каждого прореза; (3) скопление стружки в канавках из-за недостаточного давления охлаждающей жидкости или слишком большого шага проходки; (4) неправильное покрытие — TiN химически связывается с титаном и приводит к образованию наплавленного слоя, который в конечном итоге вызывает сколы режущей кромки.
Когда следует начинать применять метод сверления с отбором стружки при обработке титана?
Начинайте циклы пробивания в титане с глубины 2×D. По возможности используйте G73 (короткий отвод, с разбиванием стружки) вместо G83 (полный отвод), чтобы сократить время цикла и исключить риск задержки. Установите шаг пробива на 1×D для первого пробива, 0,5×D для последующих пробивов и 0,25×D для заключительных пробивов перед прохождением. Никогда не используйте паузу P в режиме G83 при обработке титана.
Мое мнение: пять факторов, которые действительно важны при сверлении титана
После изучения данных по обработке титана, предоставленных компанией Carpenter Technology, руководств по применению в производстве от компаний Kennametal и Sandvik, а также рецензируемой литературы по сверлению титана вырисовывается четкая закономерность. Предприятия, которые успешно справляются со сверлением титана, следуют пяти общим принципам; те же, у которых возникают трудности, как правило, нарушают хотя бы один из них.
1. Скорость подачи — это самый важный параметр, а не скорость. Все уделяют особое внимание скорости резания, ведь именно она приводит к катастрофическому износу инструмента. Однако именно скорость подачи определяет, будет ли происходить стружеобразование или нагрев. Держите скорость подачи в среднем или верхнем диапазоне, указанном в таблице для данного сплава. Низкая скорость подачи при низкой скорости резания — это неправильное сочетание: оно просто постепенно «перегревает» сверло и упрочняет стенки отверстия.
2. Давление охлаждающей жидкости, а не её объём. Если ваш станок не способен обеспечить давление более 800 PSI на выходе из инструмента, производительность сверления перестанет расти, независимо от того, какое сверло вы приобретете. Установка системы подачи охлаждающей жидкости под высоким давлением (HPU) на стандартный обрабатывающий центр, как правило, является инвестицией в оборудование с наибольшей рентабельностью для цеха, начинающего обработку титана.
3. Не задерживайтесь в верхней точке цикла нажатия. Откройте свои программы G83 и удалите все слова, начинающиеся на букву «P», из заданий по обработке титана. Это одно изменение позволит предотвратить значительную долю поломок сверл при ступенчатом сверлении титана.
4. Срок службы инструмента короче, чем вы думаете. При обработке сплава Ti-6Al-4V следует планировать замену твердосплавного сверла в производственных условиях примерно через 40–60 отверстий. Первый признак неисправности — скачок нагрузки или увеличение размера отверстия — означает, что износ боковой поверхности сверла превысил пороговое значение в 0,3 мм. Замену следует производить до достижения этого порога.
5. TiN — неправильное обозначение для титана. Проверьте свой инструментальный парк. Если у вас есть сверла с покрытием TiN, предназначенные для обработки титана, замените их на аналогичные инструменты с покрытием TiAlN или AlTiN. Дело в фундаментальных химических процессах — никакая регулировка скорости или подачи не сможет компенсировать использование неподходящего покрытия.
