CC BY
30
УДК 621.9.047/048
Г.К. Мулдашева, Н.В. Бекренёв, А.А. Казинский
ОСОБЕННОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА В ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОРРОЗИОННО-
И ЖАРОСТОЙКИХ СПЛАВАХ
Аннотация. На основе анализа кинематики ультразвукового резания и термических эффектов в области режущего клина получены зависимости, позволяющие определять с достаточной точностью осевые силы ультразвукового сверления отверстий малого диаметра в высокопрочных труднообрабатываемых материалах и назначать допустимые повышенные осевые подачи по критерию продольной устойчивости сверла. Экспериментально определены рациональные значения амплитуды колебаний инструмента, позволяющие снизить силовые параметры резания на (25-27) %.
Ключевые слова: авиационная и ракетно-космическая техника, труднообрабатываемые материалы, отверстия малого диаметра, ультразвуковое сверление
G.K. Muldasheva, N.V. Bekrenev, A.A. Kazinsky
ULTRASONIC CHARACTERISTICS OF DRILLING SMALL DIAMETER HOLES IN HIGH-STRENGTH CORROSION-AND HEAT-RESISTANT ALLOYS
Abstract. Based on the analysis of the kinematics of ultrasonic cutting and thermal effects in cutting wedge dependences allowing to determine with sufficient accuracy the axial power ultrasonic drilling small diameter holes in high-strength composite materials and assign a valid elevated axial feed on the criterion of the longitudinal stability of the drill. The rational values of the tool vibration amplitude were determined experimentally, which allow reducing the cutting force parameters by (25-27) %.
Keywords: aviation and rocket and space technology, hard-to-work materials, small-diameter holes, ultrasonic drilling
ВВЕДЕНИЕ
Общей тенденцией развития современного производства наряду с автоматизацией, широким внедрением компьютерной техники и аддитивных технологий является применение новых конструкционных материалов, обладающих разнообразными физико-химическими и механическими свойствами (высокая износостойкость; термостойкость и усталостная прочность; малый вес; способность сохранять свои свойства в различных сре-
62
дах, в том числе агрессивных; в условиях воздействия излучений; способность определенным образом отражать или напротив, поглощать электромагнитные излучения). В ракетно-космической и авиационной технике, а также ядерной энергетике, приборо- и агрегатострое-нии широко применяются высокопрочные, коррозионностойкие и жаропрочные сплавы на основе никеля, титана, вольфрама и молибдена. Начиная с середины ХХ века в авиаракетостроении стали применяться полимерные композиционные материалы (ПКМ) благодаря их более высокой удельной прочности, коррозионной стойкости и возможности формировать структуру и свойства материала практический одномоментной с изделием [1-3]. Данная тенденция, согласно аналитическим исследованиям, сохранится и в перспективе [4, 5].
В то же время некоторые ведущие разработчики перспективной ракетно-космической техники, в частности Илон Маск, указывают на преждевременность полной замены высокопрочных сплавов на ПКМ в связи с невысокой термостойкостью и малой усталостной прочностью последних, что особенно важно при создании и эксплуатации многоразовых космических систем. Применение керамических и специальных композиционных плиток в американском Space Shuttle и российском «Буране» не обеспечивало оперативности их применения вследствие необходимости восстановления утерянной при приземлении значительной части покрытия. Немаловажное значение имеет значительно большая стоимость ПКМ в сравнении с нержавеющими сталями, используемыми в конструкциях Big Falcon Rocket и Starship, соответственно - 135 долл./кг и 3 долл./кг [6].
Изложенное позволяет предположить, что длительное время как ПКМ, так и высокопрочные и жаростойкие стали, будут широко применяться в авиационной и ракетно-космической технике. Соответственно исследования по созданию высокоэффективных технологий обработки обоих групп материалов сохранят свою актуальность для науки и практики.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В современном машино- и приборостроении широко применяются жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы с большими значениями предела прочности (ов > 1000 Н/мм2): ВНЖ, 36НХТЮ, ВТ-3, ВТ-5, легированные стали 40Х13, 12Х18Н10Т, 12ХМЮА и др. Типовыми представителями деталей из таких материалов являются элементы плунжерных пар и корпуса насосов топливной и гидроаппаратуры, детали пневмо- и гидрораспределительных устройств, корпуса изделий точной механики, соединительные элементы волоконно-оптических каналов передачи информации (рис. 1), применяемые в авиаракетостроении [7].
Детали, работающие при температурах 700...900°C, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей). Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06.0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.
Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама. Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900°C (до 2500°С), являются сплавы на основе тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена, ниобия и других. Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам - 3400°С, тантал - 3000°С, мо-
либден - 2640°С, ниобий - 2415°С, хром - 1900°С. Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации [7].
Рис. 1. Детали гидро- и пневмоаппаратуры из высокопрочных сплавов: гильза золотниковой пары (а), корпус аксиально-плунжерного насоса (б), корпус механического гироприбора (в), разделитель пневмосети (г)
Основным технологическим недостатком описанных выше материалов является плохая обрабатываемость резанием, что вызывает необходимость при расчете режимов применять понижающие коэффициенты. Это, в свою очередь, приводит к повышению машинного времени или к существенному снижению стойкости инструмента и качества обработки.
Высокие упругие свойства вызывают увеличение момента трения, разогрев рабочей зоны и, как следствие, снижение стойкости режущих кромок и всего инструмента. Особенно затруднена обработка отверстий, имеющих диаметр менее 10 мм и длину более 5-10 диаметров.
Начиная с 60-х годов прошлого века, задача обработки высокопрочных конструкционных материалов в ряде стран (СССР, Япония, Германия, ЧССР) решалась путем сообщения режущему инструменту колебаний ультразвуковой частоты. В настоящее время исследования в данной области проводятся и в России. Исследования Л.Д. Розенберга, А.И. Маркова, В.Ф. Казанцева, М.С. Нерубая, Б.А. Аграната, В.Н. Хмелева, О.В. Абрамова, Б.Л. Штри-кова, Е.С. Киселева, Нишимура, Дз. Кумабэ, а также одного из авторов данной статьи [8-17] позволили выявить основные закономерности воздействия энергии ультразвуковых колебаний на процессы механической (в том числе, финишной абразивной) обработки материалов, металлизации их поверхности и кристаллизации расплавов.
Выполненные ранее исследования этих и других отечественных и зарубежных ученых касались в основном разработки методов повышения производительности обработки, снижения шероховатости поверхности. При этом вопросы повышения стойкости инструмента для 64
ультразвуковой обработки, особенно концевого инструмента малого диаметра, рассматривались недостаточно подробно.
Проблемы сверления отверстий малого диаметра связаны в первую очередь с особенностями геометрии мелкоразмерных инструментов. С одной стороны, сверла диаметром 3-4 и менее мм характеризуются малой изгибной прочностью и продольной устойчивостью из-за малой площади поперечного сечения и, как следствие, его момента сопротивления, особенно инструмент для обработки глубоких отверстий с отношением длины к диаметру более 5. С другой стороны, мелкоразмерные сверла имеют относительно большую толщину сердцевины и размер перемычки по сравнению со сверлами больших диаметров. Малые размеры затрудняют подточку перемычки или делают это практически невозможной. Вследствие указанных причин осевая сила при обработке мелкоразмерными сверлами относительно выше, чем при сверлении инструментами больших диаметров. Это вызывает с учетом вышесказанного повышенные деформации сверла в поперечном направлении, изгиб и увод относительно заданной оси. С целью снижения указанного отрицательного эффекта обработку таким инструментом ведут при пониженных осевых подачах, что снижает производительность.
Все отмеченные трудности при сверлении малых отверстий еще более проявляются при обработке высокопрочных жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов вследствие их особых физико-механических свойств. Высокая прочность приводит к росту осевой силы и момента резания, адгезионная способность к инструментальным материалам - к интенсивному образованию нароста, схватыванию стружки с поверхностью канавок и ее пакетированию, вследствие чего трение по ленточкам дополняется трением между пакетированной стружкой и материалом стенок отверстия. Это дополнительно приводит к росту момента резания. Высокая упругость многих из указанных выше материалов приводит к повышению площади контакта по задней поверхности и росту трения и, в конечном счете, к увеличению износа режущих кромок, их затуплению и далее - катастрофическому износу сверла. Низкая теплопроводность некоторых из указанных материалов приводит в силу отмеченных причин к росту температуры в зоне резания и оттоку тепла в инструмент, что может привести, с одной стороны, к микросварочным процессам в контактной зоне и заклиниванию, с другой -к отпуску и разупрочнению режущих кромок.
В связи с отмеченными особенностями технологических процессов обработки деталей перспективных изделий авиационной и ракетно-космической техники постоянно ведутся научно-исследовательские работы по изучению физики резания данных материалов, оптимизации технологических схем и режимов, а также созданию более совершенного оборудования.
Приоритет в создании теории комбинированной ультразвуковой обработки резанием относительно пластичных, но прочных материалов принадлежит отечественной школе, сформировавшейся под руководством А.И. Маркова [15] (Московский авиационный институт - технический университет). За рубежом комплексные исследования технологических процессов ультразвукового точения, фрезерования, сверления и резьбонарезания, а также других процессов обработки выполнены под руководством Дз. Кумабэ [16] (Токийский университет).
Вышеизложенное с учетом того, что в перспективе в авиакосмической технике, наземном и водном транспорте предполагается применение еще более прочных и жаростой-
ких материалов (двигатели для гиперзвуковых летательных аппаратов), делает актуальным проведение исследований по совершенствованию ультразвуковых процессов и разработку технологий, инструмента и оборудования, обеспечивающих повышение эффективности и качества обработки перспективных высокопрочных материалов.
Цель данной работы состояла в обосновании и разработке технологических процессов и специального оснащения, обеспечивающих повышение эффективности и качества ультразвуковой обработки отверстий малого диаметра в высокопрочных жаростойких и нержавеющих сталях и сплавах за счет рационального выбора амплитудно-частотных характеристик колебаний инструмента с учетом сохранения его продольной устойчивости.
Нами предлагается на основе обоснованного А.И. Марковым механизма уменьшения сил резания вследствие термического действия ультразвука [15] следующая методика расчетного определения осевых нагрузок на колеблющийся с ультразвуковой частотой концевой инструмент с целью последующего использования для назначения рациональных режимов обработки и оценки точности процесса с учетом продольной устойчивости инструмента.
Рассмотрим зависимость осевой силы от внешних факторов на примере сверления. На сверло (рис. 2) в процессе резания при сообщении ему продольных ультразвуковых колебаний будут действовать постоянная осевая сила Рос = СР^-8°'7 и переменная динамическая сила РД = 16,6 • Ар56 [15], где СР - коэффициент силы резания, d- диаметр сверла, £ - продольная подача, Апр - амплитуда продольных колебаний. При этом вследствие синусоидального характера колебаний в первом полупериоде динамическая составляющая, изменяясь от нуля до максимума и затем - до нуля, будет увеличивать нагрузку на сверло, во втором полупериоде, действуя в противоположном направлении, - уменьшать.
т
Рос!
d
<Гб--.
Рое
Рис. 2. Схема сил, действующих на сверло и потеря сверлом продольной устойчивости сверлом при обычной и ультразвуковой обработке
Для дальнейших выводов введем коэффициент термической эффективности ультразвука, равный А/ = ава / ав. В этом выражении ав и ава - соответственно пределы прочности обрабатываемого материала при комнатной температуре и при температуре, вызванной ультразвуковым воздействием. Известны температурные зависимости физико-механических свойств материалов от температуры их нагрева, т. е. ава = F(Q) [17]. А.И. Марковым теоретически определена и экспериментально подтверждена зависимость мгновенной температуры в окрестности внедренного в материал индентора от интенсивности ультразвукового воздействия, определяемого амплитудой колебаний инструмента [15]. С учетом изложенного снижение предела прочности под режущими кромками инструмента, очевидно, будет пропорционально амплитуде ультразвуковых колебаний и приведет к облегчению стружкоотделения, уменьшению трения и, как следствие, снижению осевой силы, действующей на инструмент.
Таким образом, с учетом изложенного осевая сила сверления отверстий с сообщением инструменту ультразвуковых колебаний после принятия некоторых допущений и упрощений может быть определена по следующей зависимости:
Рас = >,5[М0<7 +16,6А°°,6) +М'0,7 " 16,6А°°,6). (1)
Данная зависимость справедлива для случая, когда осевая сила резания превышает по величине динамическую силу. При работе с малыми подачами и применении ультразвука большой интенсивности возможно, что Vпeр > VПoд, т. е. во втором полупериоде колебаний происходит отрыв режущего клина от поверхности материала и осевая сила отсутствует. В этом случае суммарная осевая сила резания может определяться следующим образом:
Рас = 0,707^0'7 +16,6А°п;56. (2)
Предложенная методика оценки влияния ультразвука на силовые параметры сверления была проверена на примере обработки сплава ВТ3-1 ГОСТ 26492-85 с характеристиками: ов = 1180 МПа, X = 8,01 Вт/м • град, С = 0,5 Дж/кг • град. Температурная зависимость предела прочности сплава ВТ3-1 [18] достаточно точно аппроксимируется формулой ав = 37800 й-0,8. Расчетные режимы обработки были приняты согласно рекомендациям для сверления титановых сплавов: скорость резания V = 50 м/мин, подача S = 0,005-0,08 мм/об. В расчетах приняли сообщение сверлам диаметрами 2, 5 и 10 мм колебаний с частотой 22 кГц и амплитудами 2,5, 5,0 и 10,0 мкм.
Результаты расчетов представлены на рис. 3.
Следует отметить эффект возрастания осевой силы при воздействии ультразвука малых и средних амплитуд на сверла малого диаметра при обработке с небольшими подачами (рис. 3а). Это может быть связано с тем, что при данных условиях динамическая составляющая осевой силы существенно превышает постоянную составляющую и вносит основной вклад в общую нагрузку на сверло. Этим может объясняться иногда наблюдаемый эффект снижения точности обработки и уменьшения стойкости концевого инструмента при воздействии ультразвука. В целом полученные расчетные данные хорошо согласуются с результатами экспериментов по ультразвуковому сверлению [10, 11], что свидетельствует о достаточной адекватности предложенной методики расчета осевой силы при ультразвуковом сверлении и полученных зависимостей.
а б
Рис. 3. Влияние осевой подачи инструмента S и амплитуды ультразвуковых колебаний А на осевую силу сверления отверстий диаметром 2,5 мм (а) и 5 мм (б)
На основе выражений (1) и (2), исходя из очевидного соотношения
Р < Р
1 ост. — 1 к ■
(3)
где РОСе - суммарная осевая сила при сверлении; РК - критическая сила, определяющая продольную устойчивость сверла, получено выражение для максимально допустимой осевой подачи при ультразвуковом сверлении:
£ =
(388,8аВЕ232 - 275,56Ли2ош14)0 714
/^<1,43 71,43/2,86 _ 0,714 СР « 1 авп
(4)
где Е - модуль продольной упругости материала сверла; 3 - момент инерции сечения сверла; I и d - соответственно длина и диаметр сверла.
Сравнительные расчеты для случая обработки сплава ВТ3-1 спиральными сверлами диаметром 2,5, 5 и 10 мм показали возможность увеличения максимальной осевой подачи на (30-50) % при сообщении сверлу ультразвуковых колебаний. При этом из (4) следует вследствие сложной зависимости £ от d, I и Л, что для каждого диаметра сверла существует предельная амплитуда колебаний, при превышении которой наблюдается потеря сверлом продольной устойчивости и требуется уменьшение значения осевой подачи. Этот факт может служить еще одним критерием назначения рациональных режимов ультразвукового сверления.
Проведены экспериментальные исследования силовых характеристик ультразвукового сверления отверстий малого диаметра в конструкционных материалах, обладающих повышенной вязкостью, с использованием компьютерного лабораторного комплекса с тензо-метрическими датчиками усилий и программным обеспечением LabView (ИП «Майоров», г. Орел).
Сверло закреплялось при этом в пьезокерамическом электромеханическом преобразователе, установленном на корпусе тензометрического датчика установки, цилиндрический 68
образец закреплялся в патроне настольного сверлильного станка 2Н106П. Стабильная осевая подача осуществлялась при помощи тарированного груза, закрепленного на рукоятке. Скрин-шот с экрана монитора установки представлен на рис. 4.
Рис. 4. Снижение момента резания сплава ВТ3-1 при сообщении инструменту ультразвуковых колебаний
Анализ результатов экспериментов позволил установить значимое влияние амплитуды ультразвуковых колебаний сверла малого диаметра (2,5 мм) на момент резания. Снижение указанного параметра составило при амплитуде 2, 5, 8, 10 и 15 мкм соответственно (8-10) %, (12-15) %, (15-18) %, (25-27) % и (38-40) %. В последнем случае зафиксировано ускоренное затупление режущих кромок, а на текущем графике изменения силы проявились периодические колебания ее значения в пределах 6-7 %, очевидно, вызванные сгенерированными автоколебательными процессами в системе. В принятых условиях эксперимента очевидно, что для сверла диаметром 2,5 мм рациональным значением амплитуды колебаний является 10 мкм.
Были проведены эксперименты с переточенными сверлами (задний угол составлял 20°, 30°, 40°, 50°). Установлено, что увеличение заднего угла а сверла вызывает снижение момента резания, при этом наилучшие результаты обеспечиваются при а = 50°. Снижение момента резания составило соответственно для сплавов Д16Т и Л62 45 % и 74 %, для сталей 12Х18Н10Т и 45-73 % и 70 %. Однако при этом наблюдалось выкрашивание кромок, особенно при обработке стали 12Х18Н10Т. На основании изложенного может быть рекомендована величина а = 40°.
Исследование формы стружек, образующихся при сверлении сверлами малых диаметров, выявило следующее.
При обычном сверлении труднообрабатываемых сплавов образуется сегментная стружка, спакетированная в канавках инструмента (рис. 5а), что увеличивает вероятность затирания и роста как температуры, так и момента резания. При ультразвуковом сверлении с рациональной амплитудой и подачей, определенными по (1) и (4), образуется спиральная сливная стружка (рис. 56), легко эвакуируемая по канавкам инструмента.
б
Рис. 5. Форма стружки при обычном (а) и ультразвуковом (б) сверлении
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение температуры под вершиной режущего инструмента, совершающего ультразвуковые колебания, приводит к снижению предела прочности обрабатываемого материала, достаточному для уменьшения силы резания от 13 % до 3,5 раз в зависимости от условий обработки.
При использовании сверл малых (менее 5 мм) диаметров эффект ультразвука проявляется на больших продольных подачах. При малых подачах наблюдаются рост сил резания и потеря сверлом продольной устойчивости. По этой же причине увеличение амплитуд колебаний для сверл указанных диаметров более 2,5-3 мкм нецелесообразно. Для сверл больших диаметров существует однозначная зависимость повышения эффективности снижения сил резания с увеличением амплитуды колебаний.
а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. № 6. С. 520-530.
2. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. СПб.: Научные основы и технологии, 2010. 822 с.
70
3. International Plastics Handbook the Resource for Plastics Engineers / S. Brinkmann at al.; ed. Hanser. 2006. 920 p.
4. Мировой рынок углеродного волокна [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://xn--80aplem.xn--p1ai/analytics/Mirovoj-rynok-uglerodnogo-volokna. (дата обращения: 26.02.2021 г.).
5. Дориомедов М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 6-7 (89). С. 29-37.
6. Elon Musk. Why I'm Building the Starship out of Stainless Steel // Popular Mechanics. Jan, 2019.
7. Высокопрочные коррозионностойкие стали в современной авиации / науч. ред. А.Г. Братухин. М.: Изд-во МАИ, 2006. 656 с.
8. Приходько В.М. Технологическое применение ультразвука в транспортном машиностроении. М.: Техполиграфцентр, 2007. 112 с.
9. Киселёв Е.С., Благовский О.В. Использование возможностей комбинированной ультразвуковой обработки для достижения заданных параметров качества поверхностного слоя деталей из титановых сплавов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. № 1. С. 37-40.
10. Киселёв Е.С., Малышев В.И., Ковальногов В.Н. Новые ультразвуковые технологии изготовления деталей машин: монография / под ред. Л.В. Худобина. Тольятти, 2014.
11. Киселёв Е.С. Повышение эффективности механической обработки путем использования энергии маломощных модулированных ультразвуковых колебаний // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. № 6 (24), С. 3-13.
12. Astashev V.K., Babitsky V.I. Ultrasonic Processes and Machines // Dynamics, Control and Applications. Springer, 2007. 330 p.
13. Асташев В.К., Разинкин А.В. Моделирование термомеханических процессов при ультразвуковом резании методом конечных элементов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 3. С. 68-74.
14. Сидякин Ю.И., Агапов С.И., Салтан С.П. Основные показатели преимущества резания с использованием ультразвука // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. № 9 (47). С. 42-44.
15. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968. 367 с.
16. Кумабэ Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
17. Бекренёв Н.В., Протасова Н.В., Петровский А.П. Обоснование метода повышения эффективности ультразвуковой обработки конструкционных материалов на основе установления корреляции амплитудно-частотных параметров процесса и фрактальной размерности их структуры // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). С. 23-27.
18. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.: под ред. Г.П. Фетисова. 6 изд., доп. М.: Высш. шк., 2008. 877 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Мулдашева Гузель Канаткалиевна -
соискатель кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А.
Бекренёв Николай Валерьевич -
доктор технических наук, профессор кафедры «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Казинский Алексей Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент, директор Института машиностроения, материаловедения, заведующий кафедрой «Техническая механика и мехатроника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Guzel C. Muldasheva -
PhD Candidate, Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin Saratov State Technical University
Nikolay V. Bekrenev -
Ph. D., Professor, Department Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin Saratov State Technical University
Alexey A. Kazinskiy -
PhD, Associate Professor, Director: Institute of Mechanical Engineering, and Materials Science, Head: Department of Technical Mechanics and Mechatronics, Yuri Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 20.01.21, принята к опубликованию 24.02.21
