Обработка материала – мечты авиастроителей

Рост применения титана: от 9% до 39% в современных самолетах

Статистика по военным и гражданским самолетам

Использование титановых сплавов и композиционных материалов (КМ) в аэрокосмической промышленности растет стремительными темпами. Цифры впечатляют.

Современные летательные аппараты по массе содержат около 16% композитных материалов и 9% титановых сплавов. Но это средние показатели. Если взять конкретные модели, разброс получается серьезный.

Наибольшее применение титановых сплавов — в военной авиации. Американский истребитель F22 состоит из титана на 39%. Российский истребитель 5-го поколения Т50 — на 25%. Бомбардировщик-ракетоносец ТУ160 — на 38%. Почти 40% веса — титан!

Гражданская авиация наращивает долю титана

Применение титана в пассажирских самолетах, выпускаемых вплоть до 2004 года, не превышало 6%. Но в последнее время доля титана в гражданской авиации растет.

Масса самого большого пассажирского самолета в мире — Аэробуса А380 — на 14% состоит из титана. А новейшего Боинга В787 — уже на 18%. Разница ощутимая.

Если говорить об отечественных самолетах: семейство реактивных пассажирских самолетов Ан-148 содержит 13% титана, а лайнер Sukhoi Superjet 100 — 5%. Есть куда расти.

Рис. 1. Применение титановых сплавов в авиации

Почему титан так востребован?

Сегодня половина титана, произведенного в мире, потребляется аэрокосмической промышленностью. Причем уже в ближайшее десятилетие ожидается удвоение показателя.

Широкое внедрение титана в самолетостроение успешно решает требование снижения веса конструкции. Это раз.

Широкое применение композиционных материалов (например, углепластиков) требует применения титана. Почему? Потому что он намного лучше алюминия соединяется с КМ и на 60% увеличивает жизнь летательных аппаратов. Это два.

К высокой прочности добавляется свойство незначительных деформаций при температурных изменениях. Что повышает размерную стабильность конструкций. Это три.

Рис. 2. Детали из титановых сплавов

Трудности обработки: в 12 раз дольше алюминия

Титан — труднообрабатываемый материал

Несмотря на такие положительные свойства, титан имеет серьезный недостаток. Из-за своей прочности титан и его сплавы относятся к труднообрабатываемым материалам.

На его обработку затрачивается времени в 10–12 раз больше, чем на обработку алюминия. Представляете разницу?

К тому же титановые материалы при нагревании в процессе обработки склонны к склеиванию (наростообразованию) и разъеданию лезвия инструмента.

Особенности режимов обработки

Из-за высоких прочностных свойств титана для его обработки требуются другие условия по сравнению с материалами, когда применяют обычные станки и инструменты.

Скорости резания обычно составляют менее одной трети от скорости резания стали. То есть в три раза медленнее!

Авиационные детали традиционно имеют низкий коэффициент использования титана — снимается до 90% металла. Это огромные потери.

Тенденция к увеличению размеров деталей

В новых моделях самолетов проявилась тенденция к увеличению деталей больших размеров и сложных деталей из титана.

В связи с большим объемом обработки титана и использования для этого нового инструмента появилась необходимость в большем количестве оборудования, обеспечивающего оптимальный процесс обработки с учетом:

• Стойкости инструмента;
• Мощности шпинделя;
• Динамики станка.

Станок ФП37Т: специализированное решение для титана

Базовая конструкция повышенной жесткости

Примером станка для обработки титана является вертикально-фрезерный специализированный станок с ЧПУ мод. ФП37Т производства Савеловского машиностроительного завода.

Он создан на базе вертикально-фрезерного станка мод. ФП37, отличающегося высокой жесткостью конструкции.

Рис. 3. Вертикально-фрезерный станок ФП37Т

Назначение и возможности

Новая модель предназначена для высокоскоростной программной обработки сложных фасонных поверхностей корпусных деталей типа:

• Балок;
• Кронштейнов;
• Лонжеронов.

Изготавливаемых из высокопрочных титановых сплавов и из высокопрочных легированных сталей.

Станок позволяет:

1. Фрезеровать торцевыми и концевыми фрезами;
2. Сверлить;
3. Зенкеровать;
4. Растачивать отверстия;
5. Нарезать резьбу.

Конструктивные особенности

В конструкции применены:

Главный привод — шпиндельная головка (до 4500 об/мин) производства ОАО «СМЗ» с асинхронным электродвигателем фирмы Siemens в комплекте с планетарным двухступенчатым редуктором фирмы ZF (Германия).

В качестве приводов подач — асинхронные сервомоторы с:

• Планетарными безлюфтовыми редукторами;
• Высокоточными шариковыми винтовыми парами (ШВП);
• Линейными датчиками обратной связи, установленными на всех координатах X, Y, Z.

Шпиндельная головка: мощность 62,5 кВт и момент 1600 Нм

Самая мощная головка на СМЗ

Одноосевая шпиндельная головка, установленная на станке — самая мощная головка на ОАО «СМЗ».

Рис. 4. Мощная шпиндельная головка

Технические характеристики

Ее шпиндель смонтирован на подшипниковых опорах повышенной жесткости, имеет инструментальный конус SK50, автоматический зажим инструмента с реализацией функции подвода СОЖ через инструмент.

Привод вращения шпинделя: асинхронный двигатель с водяным охлаждением Siemens в комплекте с низколюфтовым двухступенчатым (I = 1 и I = 4) автоматически переключаемым планетарным редуктором ZF (Германия).

Передача вращения с вала редуктора на шпиндель осуществляется беззазорной зубчатой ременной передачей, позволяющей гасить вибрации при резании.

Преимущества конструкции

Конструкция головки позволяет вести высокопроизводительное силовое фрезерование, характерное для обработки титана, обеспечивая:

• Высокую жесткость;
• Динамику;
• Виброустойчивость.

Станок оснащен контактной измерительной системой контроля за состоянием инструмента и детали фирмы Renishaw, стандартным инструментальным магазином дискового типа на 12 позиций с манипулятором смены инструмента.

В качестве системы управления станком используется отечественное УЧПУ Flex NC (современная разработка фирм ОАО «СМЗ» и ООО «Станкоцентр») на основе контроллера Delta Tau (США).

Система СОЖ: давление 9 МПа и расход 70 л/мин

Две станции подачи охлаждающей жидкости

Станок оборудован многофункциональной системой подачи СОЖ:

Наличие высоконапорных с большим объемом подачи СОЖ станций обеспечивает:

• Надежное охлаждение детали и инструмента;
• Удаление стружки из зоны резания;
• Увеличение стойкости инструмента.

Сбор и удаление стружки

Сбор и удаление стружки и эмульсии из зоны обработки производятся с помощью:

• 4 шнековых транспортеров;
• 2 пластинчатых транспортеров.

Автоматизация процесса — важный фактор для производительности.

Технические параметры станка

Станок имеет II класс точности по ГОСТ 882 и размеры рабочего стола 3000×1000 мм.

Обеспечивает высокую жесткость даже при предельных режимах обработки.

Скорости подач и производительность

Скорость рабочих подач по осям X, Y может находиться в диапазоне 0,5–16 тыс. мм/мин, по Z — 0,5–10 тыс. мм/мин.

Жесткая конструкция станка в сочетании с комбинированными направляющими дает возможность обеспечить производительность более 500 см³/мин при черновом фрезеровании.

Высокая производительность обеспечивается также благодаря обильному охлаждению под высоким давлением.

Режущий инструмент: твердосплавные пластины HCS35

Проблемы теплоотвода при обработке титана

Помимо особых требований к станку для обработки титана, высокие требования предъявляются к инструменту.

Материал титан не может унести со стружкой тепло процесса резания, и это приводит к образованию раскаленной зоны с термической перегрузкой лезвия инструмента.

Стойкость инструмента колеблется в диапазоне от нескольких минут до двух часов. Немного, правда?

Режимы резания

Реализуемые скорости резания:

• При черновом фрезеровании: от 40 до 80 м/мин;
• При чистовом фрезеровании: от 90 до 120 м/мин.

Рис. 5. Параметры резания титановых сплавов

Подача на зуб — от 0,05 до 0,3 мм. Причем радиальное и осевое резание очень сильно зависит от инструмента и устанавливается в широком диапазоне.

Твердосплавный инструмент с покрытиями

По инструменту ставка делается в большей степени на твердосплавный инструмент, соответственно на инструмент со сменными режущими пластинками из твердого сплава, которые можно многократно менять.

В идеальном случае они могут иметь дополнительно твердосплавное покрытие, если это допускается.

Требованиями, которые учитываются при выборе покрытия, являются:

• Вязкость;
• Твердость;
• Стойкость к окислам;
• Термическая стабильность;
• Коэффициент трения;
• Толщина слоя покрытия;
• Напряженное состояние слоя.

Все эти параметры должны соответствовать обработке титана. Важнейшим свойством износостойкого покрытия является его твердость.

Типы покрытий

Некоторые фирмы делают ставку на химическое газовое осаждение CVD и применяют титанборитовое покрытие (TiB₂).

Другие предпочитают титан-алюминиевые покрытия (TiAl, Ni). По опыту фирм Германии эти покрытия дают большие скорости и производительность.

Отечественный инструмент СКИФМ

Отечественный производитель режущего инструмента, ООО «СКИФМ» (Белгород), выпускает широкую гамму фрез и пластин, в т.ч. для фрезерования высокопрочных титановых сплавов:

• ВТ22 и ВТ23 (отечественного производства);
• Ti 10.2.3 и Ti 5.5.5.3 (зарубежного производства).

Интенсивные испытания, проводимые «СКИФМ» совместно с заказчиками в области повышения производительности чернового фрезерования высокопрочных титановых сплавов, позволили достичь значительных результатов при обработке крупногабаритных поковок.

Наилучшие результаты показывают концевые торцово-цилиндрические фрезы, оснащенные пластинами твердого сплава HCS35.

Режимы резания: производительность 500 см³/мин

Стратегия обработки

Кроме правильного выбора конструкции и размеров фрез, существенное влияние на результаты оказывает схема обработки.

Общим правилом является исключение или, в крайнем случае, минимизация встречного фрезерования. Особо это относится к фрезам диаметром более 50 мм, где динамическое упрочнение титана многократно сокращает стойкость режущей кромки.

Оптимальные параметры резания

Для торцово-цилиндрических фрез, показывающих наибольшую производительность при черновом фрезеровании титана, оптимальным является такое сочетание параметров резания, когда:

• Максимальной принимается глубина резания (a_p);
• Ширина фрезерования (a_e) не превышает 35% от диаметра режущей части фрезы.

Использование такой стратегии обработки позволило достичь при фрезеровании заготовки из титана ВТ6 на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ мод. ФП37ПН:

Обработка велась с обильным охлаждением СОЖ инструмента и детали и закрытой зоной обработки, интенсивного съема материала с поверхности заготовки.

Практический пример обработки

При черновой обработке уступов шириной (a_e) = 25 мм и глубиной резания (a_p) = 70 мм в плите размером 120×40 мм, толщиной 100 мм из титанового сплава ВТ6 использовалась:

Инструмент: концевая торцово-цилиндрическая фреза MT190L063NC50R06SO0971+18AIKT, оснащенная пластинами SOHW09T308EN и BOHW12T308ER из твердого сплава HCS35 («СКИФМ»).

Достигнутая производительность

При испытаниях достигнута производительность обработки титанового сплава Q = 500 см³/мин.

Рис. 6. Результаты испытаний инструмента

Рис. 7. Параметры обработки титанового сплава ВТ6

Перспективы: гамма станков для титановых сплавов

Поставка первого специализированного станка

Первый специализированный высокоскоростной вертикально-фрезерный станок с ЧПУ мод. ФП37Т для обработки деталей из титана и титановых сплавов будет поставлен в этом году на Таганрогский авиационный научно-технический комплекс им. Г.М. Бериева (ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева»).

Планы по созданию гаммы станков

Планируется создание гаммы станков на базе:

• Вертикально-фрезерных станков с ЧПУ мод. ФП7, 17, 27;
• Продольно-фрезерных станков с ЧПУ мод. ФП93, 2ФП241С, ВФ3ВС.

При необходимости — создание на этой базе 5-осевых станков.

Развитие специализированного оборудования для обработки титана — стратегическая задача для российской авиационной промышленности. Без этого невозможно освоение новых моделей самолетов с высоким содержанием титановых сплавов.

В.Ф. Шпилева,
ОАО «Савеловский
машиностроительный завод»
www.savelovo.biz