Full Text

Развитие промышленности неразрывно связано с использованием материалов, отвечающих высоким эксплуатационным требованиям по надежности и качеству. Уникальные свойства титановых сплавов обусловливают все большее их применение в различных отраслях промышленности для изготовления ответственных деталей, подвергающихся при эксплуатации знакопеременным нагрузкам при действии достаточно высоких температур [1]. Эти сплавы, обладая высокой удельной прочностью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью, сочетают в себе комплекс важных физико-механических и химических свойств, выгодно отличающих их от сплавов на основе железа, никеля, алюминия и других металлов. Титановые сплавы с их высокой удельной прочностью широко используются для изготовления многих важных деталей и узлов ракетной техники: лопаток, дисков, корпусов компрессора, которые в рабочих условиях испытывают значительные знакопеременные нагрузки при повышенных температурах. Вследствие этого к деталям, узлам, агрегатам, изготовленным из титановых сплавов, предъявляются высокие требования в отношении усталостной прочности, надежности и других характеристик. Поэтому очень важно при выполнении операций технологических процессов обработки деталей из титановых сплавов обеспечивать необходимое качество их поверхностного слоя, поскольку состояние этого слоя в значительной степени определяет способность деталей удовлетворять эксплуатационным требованиям [2; 3]. Несмотря на последние разработки и широкое использование титановых сплавов, их механическая обработка по-прежнему остается серьезной промышленной проблемой, поскольку такие сплавы классифицируются как труднообрабатываемые материалы (износ инструмента, вибрации, низкие скорости удаления металла и т.д.). Основные причины относительно низкой обрабатываемости титановых сплавов обусловлены их низкой теплопроводностью, высокой химической реакционной способностью и низким модулем упругости [1; 4-6]. Они характеризуются высокой температурой резания, коротким сроком службы инструмента и высоким уровнем вибрации инструмента [1; 5-16]. Кроме того, если титановые сплавы при умеренно повышенной температуре характеризуются высокой коррозионной стойкостью на воздухе, то при дальнейшем повышении температуры они оказываются чрезвычайно активными по отношению к водороду, кислороду и азоту воздуха, взаимодействие с которыми происходит начиная с 500-600 °С [7], что значительно ухудшает механические свойства поверхностного слоя титановых сплавов. Характеризуя влияние структурных особенностей титановых сплавов на процесс резания, авторы исследований [7; 17; 18] отмечают, что свойство титана и его сплавов активно взаимодействовать при повышенных температурах с атмосферными газами представляет одну из характерных и наиболее отрицательных особенностей этих материалов, которую необходимо учитывать при осуществлении процесса резания. Поскольку при этом возникают высокие температуры, значительно превышающие те, при которых титан начинает активно реагировать с кислородом и азотом воздуха. Исследования проводились при обработке титанового сплава ВТ6. Выбор марки материала обусловлен тем, что, около 50 % используемого в авиакосмической промышленности титана [19] приходится именно на сплав ВТ6. Такое широкое распространение этого сплава объясняется удачным легированием. По данным [20], титановый сплав ВТ6, получаемый путем легирования титана алюминием (5,5-7,0 %) и ванадием (4,2-6,0 %), относится к (a + b)-сплавам. (a + b)-сплавы более прочны, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке, охрупчиваются лишь при некоторых условиях термической обработки (появляется w-фаза). Как отмечают исследователи [18; 21], титановый сплав ВТ6, как и большинство сложнолегированных титановых сплавов, отличается сравнительно низкой обрабатываемостью резанием, на которую влияют: - химический состав, включающий элементы с высокой энергией активации (титан, ванадий) и повышающие предел прочности, что ведет к снижению обрабатываемости; - низкий коэффициент теплопроводности = 0,018 что в 4-8 раз меньше, чем, например, у стали 40 и у твердого сплава ВК8. Это создает неблагоприятный баланс тепла и высокую температуру в зоне резания, что влияет на стойкость режущего инструмента. Процесс протекания пластических деформаций у титановых сплавов весьма интересен. Как указывается в работах [22-25], у титановых сплавов из-за их активного взаимодействия с кислородом и азотом усадка стружки может быть отрицательной, т.е. может происходить утонение стружки. А это в некоторых случаях может быть опасным, так как стружка при малом сечении (t × S = 0,05 × 0,07 мм) пожароопасная, она воспламеняется при температуре 700-800 °С, а стружка, загрязненная маслами, способна к самовозгоранию с интенсивным горением. Также возникает опасность взрыва пыли с концентрацией выше 50 г титана на 1 м3 воздуха. Температура воспламеняемости титановой пыли 400-600 °С. Следовательно, необходимо обеспечить выбор режимов резания таким образом, чтобы температура резания не превышала 600-650 °С [23], во избежание возможности возгорания стружки в процессе механической обработки резанием. Результаты экспериментальных исследований [15; 26] показывают, что температура резания титанового сплава достигает 800 °С уже при V = 40 м/мин, S = 0,17 мм/об и t = 1,5 мм; при резании же стали 45, по данным исследования [27], аналогичная температура возникает при значительно более высоких параметрах режима резания, а именно: V = 100 м/мин, S = 0,29 мм/об и t = 2 мм. Сравнение полученных результатов в работе [26] с данными, приведенными в исследовании [28], показывает, что температура при резании титанового сплава ВТ3-1 в среднем в 2 раза выше температуры резания стали 40Х и в 3-4 раза выше температуры, возникающей при обработке алюминиевых сплавов. Это свидетельствует о том, что резание титановых сплавов характеризуется весьма высокими температурами, при этом скорость резания оказывает более существенное влияние на температуру резания, нежели глубина и подача [5]. Одним из главных факторов, влияющих на производительность механической обработки, является скорость резания: чем выше скорость, тем выше производительность. Однако при обработке крупногабаритных деталей ракетной техники на предприятии в настоящее время используется металлорежущее оборудование, не имеющее системы охлаждения. Таким образом, во избежание образования отрицательной стружки и ее воспламенения необходимо тщательно подбирать режимы резания. Таблица 1 Влияние скорости резания на величину усадки стружки при обработке титанового сплава ВТ6 [28] V, м/мин астр аср.сл. 1 2 3 среднее 9,42 0,22 0,225 0,21 0,218333 0,106065 2,058486 11,9 0,19 0,18 0,195 0,188333 0,106065 1,775641 15 0,17 0,15 0,16 0,16 0,106065 1,508509 23,5 0,115 0,12 0,14 0,125 0,106065 1,178523 30,1 0,12 0,11 0,125 0,118333 0,106065 1,115668 37,7 0,1 0,11 0,1 0,103333 0,106065 0,974245 47,1 0,1 0,1 0,105 0,101667 0,106065 0,958532 59,3 0,09 0,095 0,095 0,093333 0,106065 0,879964 Рис. Зависимость коэффициента поперечной усадки стружки от скорости резания при обработке титанового сплава ВТ6 (глубина резания t = 1,5 мм; подача So = 0,15 мм/об) [28] В работе [25] приведена эмпирическая зависимость температуры резания от скорости резания при обработке титанового сплава ВТ6, полученная на основе экспериментальных исследований. (1) В исследовании [28] приведены результаты анализа влияния скорости резания на усадку стружки при обтачивании деталей из титанового сплава ВТ-6. Авторами установлено, что с увеличением скорости резания с 10 до 40 м/мин коэффициент усадки стружки плавно уменьшается с 2 до 1, и затем становится меньше 1, т.е. усадка стружки становится отрицательной (рисунок). После обработки результатов экспериментальных данных была получена зависимость коэффициента поперечной усадки стружки от скорости резания: (2) Учитывая приведенные зависимости (1) и (2), можно сделать следующие выводы: 1. В зависимости от назначаемой скорости резания необходимо выбирать подачу режущего инструмента таким образом, чтобы толщина получаемой стружки с учетом величины усадки стружки (таблица) была бы больше 0,07 мм. 2. Для достижения требуемой величины шероховатости обрабатываемой поверхности, в случае увеличения подачи режущего инструмента, необходимо геометрическим образом выбирать величину радиуса скругления при вершине резца.

About the authors

T. V Lomaeva

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

S. D Kugultinov

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

I. V Popov

JSC Votkinsk plant

V. I Svirschev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 102

PDF (Russian) - 126

Refbacks

• There are currently no refbacks.