Использование титановых сплавов и композиционных материалов (КМ) в аэрокосмической промышленности стремительно растет. Современные летательные аппараты по массе в среднем содержат около 16% композитных материалов и 9% титановых сплавов. Наибольшее применение титановых сплавов отмечается в военной авиации. Так, например, американский истребитель F22 состоит из титана на 39%, российский истребитель 5го поколения Т50 – на 25%, бомбардировщик – ракетоносец ТУ160 на 38%.

Применение титана в пассажирских самолетах, выпускаемых вплоть до 2004 г., не превышало 6%. В последнее время растет доля титана и в гражданской авиации. Масса самого большого пассажирского самолета в мире Аэробуса А380 – на 14% состоит из титана, а новейшего Боинга В 787 – уже на 18%. Если говорить об отечественных самолетах, то можно отметить, что семейство реактивных пассажирских самолетов Ан­148, содержит 13 % титана, а лайнер Sukhoi Superjet 100 – 5%.

Сегодня половина титана, произведенного в мире, потребляется авиакосмической промышленностью. Причем уже в ближайшее десятилетие ожидается удвоение показателя. Широкое внедрение титана в самолетостроение успешно решает требование снижения веса конструкции. Широкое применение в авиастроительной промышленности композиционных материалов (КМ) (например, углепластиков) требует применения титана, т.к. он намного лучше алюминия соединяется с КМ и на 60% увеличивает жизнь летательных аппаратов. К высокой прочности добавляется и свойство незначительных деформаций при температурных изменениях, что повышает размерную стабильность конструкций.

Несмотря на такие положительные свойства титана, он имеет недостаток: изза своей прочности титан и его сплавы относятся к труднообрабатываемым материалам. На его обработку затрачивается времени в 1012 раз больше, чем на обработку алюминия. К тому же титановые материалы при нагревании в процессе обработки склонны к склеиванию (наростообразованию) и разъеданию лезвия инструмента. При этом изза высоких прочностных свойств титана для его обработки требуются другие условия, по сравнению с материалами, когда применяют обычные станки и инструменты. Поэтому скорости резания обычно составляют менее одной трети от скорости резания стали. Авиационные детали традиционно имеют низкий коэффициент использования титана (снимается до 90% металла).

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 его с учетом стойкости инструмента, мощности шпинделя и динамики станка.

Примером станка для обработки титана является вертикально фрезерный специализированный станок с ЧПУ мод. ФП37Т производства Савеловского машиностроительного завода (рис. 2).

Он создан на базе вертикально­фрезерного станка мод. ФП37, отличающегося высокой жесткостью конструкции.

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 фрезеровать торцевыми и концевыми фрезами, сверлить, зенкеровать, растачивать отверстия и нарезать резьбу. В конструкции применены: литые базовые детали повышенной жесткости, направляющие скольжения с антифрикционным покрытием, использование которых позволяет значительно повысить скорости перемещения по координатам, не снижая дем­пфирующей способности.

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) и линейными датчиками обратной связи, установленными на всех координатах Х, У, Z.

Станок оборудован многофункциональной системой подачи COЖ:

• высоконапорная станция с устройством тонкой очистки охлаждающей жидкости, реализующая внутренний подвод СОЖ через шпиндель с давлением до 9 мПа и расходом 70 л/мин;

• станция, реализующая наружный полив с давлением = 0,7 мПа и расходом 150 л/мин.

Наличие высоконапорных с большим объемом подачи СОЖ станций обеспечивает надежное охлаждение детали и инструмента, удаление стружки из зоны резания и увеличение стойкости инструмента.

Сбор и удаление стружки и эмульсии из зоны обработки производятся с помощью 4х шнековых и 2х пластинчатых транспортеров.

Одноосевая шпиндельная головка, установленная на станке – самая мощная голов­ка на ОАО «СМЗ» (рис. 3).

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.

Мощность двигателя в режиме S1 – 52 кВт, S6 – 62,5 кВт, максимальное число оборотов при работе на ступени I=1 составляет 4500 об/мин, максимальный момент при работе с I=4 в режиме S1 – 1200 Нм, в режиме S6 – 1600 Нм.

Конструкция головки позволяет вести высокопроизводительное силовое фрезерование, характерное для обработки титана, обеспечивая высокую жесткость, динамику и 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).

Станок имеет П класс точности по ГОСТ 882 и размеры рабочего стола 3000х1000 мм. Обеспечивает рабочее пространство XYZ (3000х1000х500 мм) соответственно и может обрабатывать до 4000 кг (вес заготовки с приспособлением), при собственном весе в 30 тонн, обеспечивая высокую жесткость даже при предельных режимах обработки. Точность контурной обработки образца изделия ± 0,025 мм и двухстороннего позиционирования по координатам X, Y / Z 0,025/ 0,015 мм.

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.

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.

Реализуемые скорости резания при черновом фрезеровании составляют от 40 до 80 м/мин и чистовом от 90  до 120 м/мин (рис.4).

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.

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 и термическая стабильность, коэффициент трения, толщина слоя покрытия, напряженное состояние слоя, которые должны соответствовать обработке титана. Важнейшим свойством износоустойчивого покрытия является его твердость.

Некоторые фирмы делают ставку на химическое газовое осаждение CVD и применяют титанборитовое покрытие (ТiB₂). Другие предпочитают титан­алюминиевые покрытия (TiAl, Ni). По опыту фирм Германии эти покрытия дают большие скорости и производительность.

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 и Ti 10.2.3. и Ti 5.5.5.3 зарубежного. 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 торцово­цилиндрические фрезы, оснащенные пластинами твердого сплава HCS35.

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.

Для торцово­цилиндрических фрез, показывающих наи­большую производительность при черновом фрезеровании титана, оптимальным является такое сочетание параметров резания, когда максимальной принимается: глубина резания (ар), а ширина фрезерования (ае) не превышает 35% от диаметра режущей части фрезы. Использование такой стратегии обработки позволило достичь при фрезеровании заготовки из титана ВТ6 на вертикально­фрезерном станке с ЧПУ мод. ФП37ПН со скоростью рабочих подач по координатам X,Y от 0,5 до 6000 мм/мин, по координатам Z от 0,5 до 3500 мм/мин с крутящим моментом на шпинделе 1200 Hм и частотой вращения шпинделя от 20 до 3150 об/мин; мощностью привода главного движения 37кВт, с обильным охлаждением COЖ инструмента и детали и закрытой зоной обработки, интенсивного съема материала с поверхности заготовки.

При черновой обработке уступов шириной (ае)=25 мм и глубиной резания (ар)=70 мм в плите размером 120х40 мм, толщиной 100 мм из титанового сплава ВТ6 использовалась концевая торцово­цилиндрическая фреза MT190L063NC50R06SO0971+18AIKT, оснащенная пластинами
SOHW09T308EN и BOHW12T308ER из твердого сплава HCS35 («СКИФМ») диаметром 63 мм, с длиной режущей части 90 мм. Испытанная фреза имела шесть эффективных зубьев.

Обработка уступов размером 25х70 мм велась со скоростью резания Vс=80 м/мин и подачей на зуб (fz) 0,12 мм. Все испытания выполнялись подачей СОЖ поливом с расходом 100 л/мин под давлением 3 бар.

При испытаниях достигнута производительность обработки титанового сплава Q = 500см³/мин (см. рис. 5, таблица 1).

Первый специализированный высокоскоростной вертикально­фрезерный станок с ЧПУ мод. ФП37Т для обработки деталей из титана и титановых сплавов будет поставлен в этом году на Таганрогский авиационный научнотехнический комплекс им. Г.М. Бериева (ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева»). Планируется создание гаммы станков на базе вертикально­фрезерных станков с ЧПУ мод. ФП7,17,27; продольно­фрезерных станков с ЧПУ мод. ФП93, 2ФП241С, ВФ3ВС и при необходимости создания на этой базе 5ти осевых станков.

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