CC BY
294УДК 621.924.079
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Е. С. Дорофеева, Д. С. Литвиненко, Н. Ф. Янковская, Н. А. Амельченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: k.e.s.1990@inbox.ru
Выявлены основные проблемы процесса обработки титановых сплавов при изготовлении изделий РКТ. Исследовано влияние технологических параметров и условий резания на эффективность процесса и точность деталей.
Ключевые слова: титановые сплавы, свойства, прочность, процесс резания, технология обработки, точность изделий, эффективность процесса.
SOME FEATURES OF MECHANICAL PROCESSING TITANIUM ALLOYS
E. S. Dorofeeva, D. S. Litvinenko, N. F. Yankowskay, N. A. Amelchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: k.e.s.1990@inbox.ru
The main problems of the processing titanium alloys in the manufacture of RKT products are revealed. The influence of technological parameters and cutting conditions on the efficiency of the process and the accuracy of the details are studied.
Keywords: titanium alloys, properties, strength, cutting process, processing technology, product accuracy, process efficiency.
Широкое использование титановых сплавов в аэрокосмической и оборонной промышленности в первую очередь связано с их уникальными свойствами, среди которых следует выделить малую плотность, высокую удельную прочность, коррозиестойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных в таблице [1].
Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле и характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. Это имеет важное значение при необходимости назначения термической обработки деталей в соответствии с требованиями чертежа.
Основные марки и химический состав отечественных титановых сплавов приведены в стандартах [2].
По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств - на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения - на хладостойкие, жаропрочные, коррозие-стойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые.
В производстве изделий ракетно-космической техники (РКТ) сегодня применяется практически вся номенклатура титановых сплавов. Например, титановые трубы из высокопрочных сплавов ВТ14, ВТ6, ВТ22, ОТ4 и др. с пределом прочности св > 1000 МПа используются при изготовлении твердотопливных и жидкостных корпусов и элементов ракетных двигателей. Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы, прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Из титановых сплавов ВТ23, ВТ23М, ВТ43, обладающих высокой трещиностойкостью, изготавливают монолитные и сварные шаробаллоны в качестве емкостей для хранения топлива импульсных плазменных двигателей спутников [3].
Не смотря на хорошие пластические свойства и свариваемость, при механической обработке титановых сплавов возникают проблемы, которые резко снижают эффективность процесса резания. Основная проблема заключается в высоких прочностных характеристиках этого металла. До недавнего времени считалось, что невозможно выполнить эффективный процесс резания титана на обычном токарном станке. В большинстве случаев инструмент быстро изнашивается, а качество обработки оставляет желать лучшего [3].
Технология и мехатроника e машиностроении
Физико-механические свойства титана
Свойства Значение
Плотность при 20 °С, кг/м3 4510
Температура плавления, К 1941 (1668 °С)
Коэффициент линейного расширения ах 10-6, град-1 8,9
Теплопроводность X, Вт/(м х град) 16,76
Предел прочности при растяжении ов, МПа 300-450
Условный предел текучести а02, МПа 25 380
Модуль нормальной упругости Е, х10-3 МПа 110,25
Модуль сдвига О, х10-3 МПа 41
Твердость, НВ 130...150
Это напрямую связано со следующими факторами
[4]:
- высокий показатель вязкости сплавов способствует значительному повышению температуры в зоне резания и вызывает наростообразование частиц металла на поверхности режущих инструментов, снижая ресурс его работы;
- мелкая дисперсная пыль, образующаяся во время обработки, может детонировать, что требует особой осторожности и соблюдения мер безопасности;
- для резания титана требуется специальное оборудование, обеспечивающее необходимый режим резания;
- титан обладает низкой теплопроводностью, что требует применения для процесса резания специально подобранных режущих инструментов.
Для достижения заданной точности и качества поверхности процесс обработки разделяется на операции предварительной, промежуточной и основной обработки. Практика показывает, что на параметры точности могут оказывать также возникновение вибрации при обработке заготовок и высокий уровень температуры в зоне резания, который может достигать порядка 850-1100 °С. Это вызывает необходимость поиска путей для решения данных проблем [5].
Исследованиями установлено, что эффективность процесса обработки титановых сплавов в значительной степени зависит от жесткости применяемого оборудования и конструкций режущего инструмента. В этой связи для проведения экспериментов использовали монолитный и сборный твердосплавный осевой инструмент и вертикальный фрезерно-сверлиль-но-расточной станок VMC635 ecoline с системой ЧПУ TNC620 Heidenhain производства фирмы DMG-MORI, установленный в НОЦ РКТ. В качестве образцов использовали заготовки из титанового сплава ВТ14 и ВТ23.
Реализуемые скорости резания при черновом фрезеровании назначали от 40 до 80 м/мин. и чистовом от 90 до 120 м/мин. Подачу на зуб задавали от 0,05 до 0,3 мм, при этом учитывали рекомендации [6]. Установлено влияние формы режущей части твердосплавных сменных пластин и вида покрытия, давления и расхода охлаждающей жидкости, а также влияние схемы обработки. Рекомендуется исключить или минимизировать схему встречного фрезерования
В работе также проводилась оценка стойкости спиральных сверл из твердого сплава при сверлении отверстий диаметром от 3 до 3,5 мм. При формообразовании отверстий назначали цикл глубокого сверления G83, режимы резания S1000 (мин.-1) и подачу F40 мм/мин. Стойкость инструмента предварительно оценивали по суммарной длине обработки. По мере затупления проводили замеры геометрии инструмента.
Характер разрушения и износа инструмента оценивали на приборе для настройки инструмента VIO 210 Microvizion III. Исследованиями установлено, что основной причиной выхода инструмента из строя является выкрашивание твердого сплава по режущей кромке.
Вместе с тем, степень влияния тепловых явлений и уровня вибраций на точность и качество обработки на предварительном этапе исследований выявить пока не удалось по техническим причинам. Однако эксперименты по поиску путей для повышения эффективности процесса обработки титановых сплавов будут продолжены.
Таким образом, в ходе предварительных исследований выявлены основные проблемы, возникающие при обработке титановых сплавов и определены основные направления возможного их решения.
Библиографические ссылки
1. Метотехника [Электронный ресурс]. URL: http://www.metotech.ru/art_titan_2.htm (дата обращения: 08.09.2017).
2. ГОСТ 19807-91. Титан и титановые сплавы деформируемые. Марки. М. : Госстандарт, 1991.
3. Метотехника [Электронный ресурс]. URL: http://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm (дата обращения: 09.09.2017).
4. Электронная библиотека. Наука и техника [Электронный ресурс]. URL: http://n-t.ru/ri/ps/ pb022.htm (дата обращения: 09.09.2017).
5. SIGMA-TEST.RU [Электронный ресурс]. URL: http://www.sigma-test.ru/publitsistic/titan/40/index.shtml (дата обращения: 11.09.2017).
6. Каталог фирмы Hoffmann Group. GARANT. Справочник по обработке резанием. 2016. 857 с. Режим доступа: www.garant-tools.com.
References
1. Metotechnika. Available at: http://www. metotech.ru/art_titan_2.htm (accessed: 08.09.2017).
2. GOST 19807-91. Titan i titanovyye splavy defor-miruyemyye. Marki. M. : Gosstandart, 1991.
3. Metotechnika. Available at: http://www.meto-tech.ru/titan-opisanie.htm (accessed: 09.09.2017).
4. Electronic library. Science and Technology. Available at: http://n-t.ru/ri/ps/pb022.htm (accessed: 09.09.2017).
5. SIGMA-TEST.RU. Available at: http://www. sigma-test.ru/publitsistic/titan/40/index.shtml (accessed: 11.09.2017).
6. Каталог фирмы Hoffmann Group. GARANT. Справочник по обработке резанием. 2016. 857 с. Available at: www. garant-tools.com.
© Дорофеева Е. С., Литвиненко Д. С., Янковская Н. Ф., Амельченко Н. А., 2017
