Повышение эффективности обработки титановых сплавов за счет предварительного охлаждения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.91

Д.И. Седов, Т.Г. Насад

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ЗА СЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Рассмотрен новый способ повышения эффективности обработки титановых сплавов и других труднообрабатываемых материалов засчет сочетания высоких скоростей резания с предварительным охлаждением обрабатываемой поверхности. Приведена теплофизика процесса высокоскоростной обработки титановых сплавов с охлаждением поверхности детали жидким азотом.

Титановые сплавы, высокоскоростная обработка

D.I. Sedov, ^G. Nasad

EFFICIENCY INCREASE OF TITANIC ALLOYS PROCESSING OF PRELIMINARY COOLING

The new way of efficiency increase of titanic alloys processing and other intractable materials combinations of high speed cutting to the preliminary cooling of processed surface is considered in the article. The thermophysics of high-speed processing of titanic alloys with surface cooling of a detail by liquid nitrogen is resulted.

Titanic alloys, high speed processing

В современном машиностроении неуклонно повышаются требования к качеству, надёжности и долговечности агрегатов и узлов машин и различных механизмов. Подобные требования приводят к широкому применению новых материалов с особыми физико-механическими свойствами: жаростойкие, жаропрочные, высокопрочные,

нержавеющие, коррозионностойкие и другие, все эти сплавы относятся к труднообрабатываемым материалам. При обработке труднообрабатываемых материалов наблюдаются большие силы резания и более интенсивные вибрации, чем при обработке углеродистых и малолегированных конструкционных сталей при тех же условиях. Также отмечают интенсивное теплообразование и высокую температуру на поверхностях контакта с инструментом. С увеличением температуры снижается твёрдость поверхностных слоёв инструмента, усиливаются процессы диффузии и схватывания между обрабатываемым материалом и инструментом, увеличивается разрушение граней. Всё это приводит к невозможности применения производительных режимов обработки, быстрому износу инструмента, прерыванию обработки для переточки инструмента и наладки станка и, следовательно, многократному увеличению времени обработки детали.

Высокоскоростная обработка (ВСО) по праву занимает ведущее место в области повышения производительности технологических систем.

Применение ВСО позволяет существенно поднять производительность и улучшить качество поверхности. Достигаемая шероховатость после ВСО сопоставима с шероховатостью после шлифования. Значительно сокращается общая длительность формообразования. Скорость при ВСО в 5-10 раз превышает скорости резания при традиционной обработке. ВСО позволяет обрабатывать нежесткие и тонкостенные детали. Однако применение ВСО для обработки труднообрабатываемых материалов ограничено низкой стойкостью режущего инструмента [ 1].

Подавляющее большинство режущих инструментов из твёрдого сплава не способно работать в условиях высокоскоростного непрерывного резания и частично используется при высокоскоростной прерывистой обработке: строгании, торцевом и концевом фрезеровании. Причина такого использования твёрдого сплава заключается в его низкой теплостойкости (850-900°С), в то время как ВСО требует от инструмента более высокой теплостойкости при температурах 1000-1300°С.

В настоящее время существуют и разрабатываются множество комбинированных методов обработки с использованием дополнительных потоков энергии. Повышение эффективности обработки с использованием дополнительных потоков энергии требует выявления степени воздействия всех влияющих на производительность и качество факторов, в том числе и тепловых. Анализу влияния тепловых процессов на качество и производительность ВСО с температурным воздействием посвящены работы

Н.И. Рыкалина, А.В. Якимова, А.Н. Резникова, В.А. Сипайлова, Т.Г. Насад, Д.Е. Кирюшина, Г.А. Козлова и др. Необходимо отметить, что тепловой фактор является превалирующим в условиях комбинированной обработки с дополнительным

энергетическим воздействием.

Тепловая энергия может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние.

Положительное воздействие:

• снижение сопротивления резанию;

• снижение мощности резания;

• облегчение процесса стружкообразования;

• достижение оптимальных температур, способствующих стабилизации энергосиловых параметров, снижению шероховатости и замедлению процесса изнашивания инструмента.

Отрицательное влияние:

• изменение структуры поверхностного слоя;

• возникновение тепловых деформаций;

• формирование растягивающих напряжений в поверхностных слоях заготовки и инструмента;

• активизация адгезионных, диффузионных, окислительных процессов в зона резания.

Разработанный системный анализ [1] показал, что для осуществления эффективной обработки с комбинированием энергий необходимо обеспечить управление тепловым фактором с целью обеспечения в зоне деформации оптимальных температур для контактирующей пары инструмент - деталь.

Используя системный подход (рис. 1), может быть выполнен достаточно полный анализ влияния тепловых процессов на эффективность высокоскоростной обработки с дополнительными температурными воздействиями [1].

В рамках системного анализа предложен комбинированный метод на основе высокоскоростного точения в сочетании низкотемпературным резанием.

Низкотемпературное резание основано на изменении свойств обрабатываемого материала за счёт охлаждения до температуры (18-20°С) при которой наблюдается эффект хладноломкости. Однако данный эффект присущ только углеродистым сталям с ОЦК решеткой, С ГЦК решеткой (цветные металлы) такого эффекта не наблюдается.

90

Суть предложенного комбинированного метода высокоскоростного точения с дополнительным охлаждением заключается во взаимной компенсации недостатков одного метода за счёт другого, в частности компенсации высоких температур в зоне резания применительно к титановым сплавам.

При ВСО с дополнительным охлаждением в качестве смазывающей охлаждающей технологической среды (СОТС) в зону резания под давлением подаётся жидкий азот (смесь на основе жидкого азота), как показано на рис. 2 а, б.

Разновидности типов энергии, используемой при обработке

Температурная

Химическая

Электрическая

т

Механическая

Анализ методов теплофизических исследований

Интегрирование дифференциального уравнения теплопроводности Метод источников Численные методы решения Математическое и физическое моделирование Эксперименталь ные исследования

Модель теплофизической подсистемы

Направление исследований

- определение температур на контактных поверхностях;

- определение температурных полей в контактирующих телах

Анализ влияния дополнительных потоков энергии на выходные параметры

- снижение прочностных характеристик поверхностного слоя;

- изменение структуры поверхностного слоя;

- увеличение пластичности материала;

- уменьшение уровня шероховатости;

Повышение эффективности обработки

качества производительности

Методы повышения эффективности обработки

Рис. 1. Применение системного подхода к анализу теплофизической подсистемы [1]

б

а

Рис. 2. Схема подачи СОТС на переднюю поверхность резца с внутренним подводом под давлением: а - один поток; б - два потока (на рисунках представлен инструмент производства фирмы Беп^ік Ооготап)

Использование жидкого азота в качестве СОТС позволит снизить тепловую напряженность процесса и повысить износостойкость режущего инструмента.

Ожидаемые положительные свойства от сочетания высокоскоростного точения и низкотемпературного резания (ВСО с дополнительным охлаждением):

• Высокая производительность

• Возможность обработки тонкостенных изделий и мягких сплавов

• Снижение сил резания у сталей с ОЦК решеткой (эффект низкотемпературного охрупчивания)

• Экологическая безопасность (не требует утилизации СОТС)

• Снижение тепловой нагрузки на резец (возможность обработки

труднообрабатываемых материалов)

• Повышение износостойкости инструмента

• Экономический эффект

Для подробного изучения предложенного комбинированного метода обработки следует разбить его на ряд составляющих подсистем; схема приведена на рис. 3.

Система 1

Исследование тепловых процессов при ВСО с предварительным охлаждением заготовки

Система 2

Исследование тепловых процессов при ВСО с предварительным охлаждением инструмента

Система 3

Исследование тепловых процессов при ВСО с интенсивным охлаждением зоны резания с использованием жидкого азота

Рис. 3. Схематизация поэтапного исследования метода ВСО с дополнительным охлаждением

Приведенная на рис. 3 схематизация необходима для более полного изучения процессов, происходящих в каждом элементе системы резец - деталь - стружка. В системе 1 исследуется воздействие предварительного охлаждения заготовки на процесс резания. В системе 2 исследуется влияние предварительного охлаждения инструмента на процесс резания. В системе 3 исследуется влияние интенсивного охлаждения зоны резания, с использованием жидкого азота в качестве СОТС, на интенсивность и распределение тепловых потоков. Для построения температурной модели в системе 3 необходимо определить тепловые процессы, протекающие в системах 1 и 2.

Система 1. Исследование температурных полей ВСО с предварительным охлаждением заготовки.

Имеющаяся информация в области низких температур в основном касается материаловедения и характеризует материалы с эксплуатационной точки зрения, а проведенных исследований в области низкотемпературного резания недостаточно для построения тепловой модели. В этом случае построение теплофизической модели резания ВСО с дополнительным охлаждением возможно только на базе косвенных данных, что, в свою очередь, не может достоверно отразить процесс. Поэтому необходимо проведение экспериментальных исследований воздействия низких температур на заготовку в процессе резания. Для этого целесообразно исследование процесса распределения температур в

процессе ВСО с предварительным охлаждением, полученные данные позволят поэтапно отследить протекающие тепловые и структурные процессы в заготовке в системе 3 (ВСО с интенсивным охлаждением зоны резания с использованием жидкого азота)

Целью исследования данного метода является определение влияния дополнительного охлаждения на тепловые процессы, протекающие в заготовке:

• Влияние на распределение тепловых потоков

• Влияние дополнительного охлаждения на качество обработанной поверхности

• Влияние на микроструктуру поверхностного слоя в заготовке

Система 2. Исследование температурных полей ВСО с предварительным охлаждением инструмента.

В исследованиях Е.А. Кривонос, В.Г. Солоненко и др. [2, 3] было исследовано воздействие криогенных температур на режущий инструмент, которые показали, что при криогенной обработке увеличивается плотность дислокаций в карбидной (карбонитридной) составляющей твердых сплавов. В результате происходит изменение физико-механических (снижение термоЭДС и коэффициента трения, увеличение коэрцитивной силы и твердости) и режущих (повышение до двух раз стойкости резцов и сверл) свойств твердых сплавов [2].

Следовательно, криогенная обработка в жидком азоте является весьма эффективным методом повышения стойкости и режущих свойств твердосплавных инструментов [3].

Для построения адекватной теплофизической модели процесса ВСО с интенсивным охлаждением зоны резания с использованием жидкого азота, необходимо провести исследование тепловых полей ВСО с предварительным охлаждением инструмента, поскольку возможные структурные превращения в процессе интенсивного охлаждения жидким азотом зоны резания могут исказить распределение тепловых потоков в системе 3.

Целью исследования данного метода является определение влияния дополнительного охлаждения на тепловые процессы протекающие в инструменте:

• Влияние на распределение тепловых потоков

• Влияние дополнительного охлаждения на стойкость инструмента

• Влияние на микроструктуру режущего клина и ее однородность

Полученные данные позволят поэтапно отследить протекающие тепловые и

структурные процессы в инструменте в системе 3.

Существенным замечанием является скоротечность процесса, так как при резании произойдёт быстрый нагрев режущей кромки. Однако данное исследование необходимо для построения следующей модели - системы 3.

Система 3. Исследование температурных полей ВСО с непосредственным охлаждением зоны резания с использованием жидкого азота в качестве СОТС.

Для изучения данного процесса и построения адекватной теплофизической модели ВСО с интенсивным охлаждением зоны резания с использованием жидкого азота, необходимы данные экспериментальных исследований предыдущих моделей. Закономерности распределения температур в системах 1 и 2 позволят выявить действительные потоки тепла в системе резец - заготовка - стружка.

Для общей оценки процесса резания наиболее значимыми показателями являются мощность резания N (кВт) и тепловая напряженность процесса резания W.

При охлаждении свойства материалов, а именно (напряжения, соответствующие наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению - временное сопротивление) изменяется, что влияет на процесс резания.

В исследованиях В.Ф. Боброва, Г.А. Козлова, Т.Г. Насад, Д.Е. Кирюшина и др., было установлено, что при определённом соотношении интенсивностей теплообразующих

Ч\ к

источников — и величины машинного времени — возникает ситуация, при которой

Ч0 t0

дополнительное поступление температуры в режущий инструмент, вызванное

повышением скорости резания, окажется меньше, чем сокращение поступления теплоты в

режущий клин из-за уменьшения времени обработки. Следовательно, в этом случае

общий температурный режим работы инструмента оказывается более благоприятным.

Данный факт будет способствовать интенсификации режима обработки, или окажет

положительный эффект на стойкость режущего инструмента [1].

Исходя из вышеизложенного было проведено теоретическое исследование влияния

низких температур и скорости резания на мощность резания [4]:

N = Р Х¥ , (1)

1020 х 60

где Рг - главная составляющая силы резания, Н; V- скорость резания, м/мин.

Величина силы резания [4] равна:

Рг = 10 CPtxSyVnKP,

где Ср - постоянная; х, у, п - показатели степени; t - глубина резания; S - подача; V -скорость резания; Кр - поправочный коэффициент на силу резания представляет собой произведение коэффициентов (КР = Ктр хКфр хКр хК1р хКгр ), учитывающих

фактические условия резания [4].

Величина скорости резания при точении [4] равна:

С

V =------.----х К.,

Тт х^ хSy

где К. - коэффициент, учитывающий влияние физико-механических свойств

обрабатываемого материала на скорость резания К. = Кт. хКпр хКир ; Кт. - коэффициент,

учитывающий качество обработки, Кп. - коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки;

Ки. - коэффициент, учитывающий качество материала инструмента.

К_. = К. х

С 750

где Кг характеризует группу стали по обрабатываемости; ^ - показатель степени по обрабатываемости [4].

Преобразуя формулу (1), получим:

(10 Ср Гх Sy УпК,рК,рК рК1рКГр )х Ттс- х (Кт. Кт. К.)

N =---------------------------------Т-------------------. (2)

1020 х 60

Расчёты производились посредством программы МаШСаё 13.

Оценим тепловую напряжённость процесса резания по количеству теплоты, которое накапливает инструмент за время обработки, и проведём расчёт по методу источников теплоты, температур характерных точек режущего клина.

Рассчитаем тепловую мощность процесса резания [4]:

Ж = Р2 хV, (3)

где Р2 - главная составляющая силы резания, Н; V = ~~т - скорость резания, м/мин. Машинное время обработки:

ь

1 м

Б х п

ь

Б х

/10007л р ё

(4)

Предположим, что скорость возрастёт в п раз VI = п V2, при этом тепловая мощность процесса составит: Ж1 = п1-8Ж0, а машинное время обработки:

1

(5)

Считаем, что показатель степени g = 0,2, п = 2, тогда количество теплоты, переданное резцу за время обработки Q = Ж х tM [6]:

бі = 2

1-0,2

0,87100-

(6)

В таблице приведены расчётные значения мощности резания в зависимости от скорости резания и температуры заготовкЬ для сплавов на основе титана и стали 45 для эталонного сравнения.

Расчетные значения мощности резания в зависимости от скорости и температуры заготовки

и, м/мин Сталь 45 ВТ1-0 ОТ4-1 ВТ5-1 ВТ3-1

293 К (+20°С)

ъв Nг, кВт ъв N2, кВт ъв N2, кВт ъв N2, кВт ъв N2, кВт

80 640 1,212 470 1,782 650 1,188 820 0,889 1080 0,63

100 1,172 1,723 1,149 0,86 0,609

120 1,132 1,665 1,11 0,83 0,588

77 К (-50°С)

80 700 1,083 920 0,77 1080 0,63 1310 0,495 1670 0,365

100 1,048 0,744 0,609 0,479 0,353

120 1,012 0,719 0,588 0,462 0,341

20 К (-196°С)

80 1020 0,677 1310 0,495 1370 0,468 1400 0,455 1880 0,315

100 0,654 0,479 0,453 0,44 0,305

120 0,632 0,462 0,437 0,425 0,294

Теплофизические исследования показали, что компенсация температуры, возникающей при стружкообразовании, происходит за счёт интенсивного отвода её в охлаждённую деталь (-20°С) и стружку (-20°С), применительно к титану (1 » 11^16). Около 80% отвода тепла приходится на стружку, 10^15% - на деталь и примерно 3^5% -на резец (в данном приближении резец не учитываем, поскольку целью рассуждения является определение температурного диапазона дополнительного стока), что даёт суммарную дополнительную компенсацию температуры в диапазоне (-18°С)^(-40°С).

Выводы.

1. При высокоскоростном точении с дополнительным охлаждением титановых сплавов с увеличением скорости резания с 80 до 120 м/мин происходит снижение теплового потока на 8,5^ 11,2%.

2. Предварительное охлаждение заготовки от 293 К (+20°С) до 250 К (-20°С) снижает тепловую нагрузку 5,34^8,7%.

3. Совокупное снижение температуры в зоне резания составляет 15^19%.

ЛИТЕРАТУРА

1. Насад Т.Г. Высокоскоростная обработка труднообрабатываемых материалов / Т.Г. Насад, И.Е. Кирюшин, Д.Е. Кирюшин. Саратов: СГТУ, 2009. 148 с.

2. Кривонос Е.А. Криогенная обработка твёрдосплавных режущих инструментов /

Е.А. Кривонос, В.Г. Солоненко // Вестник ДГТУ. 2007. Т. 7. № 2. С. 200-203.

3. Потапов В.А. Криогенная обработка - еще один вариант? / В.А. Потапов. www.obo.ru.

4. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. М.: Машиностроение, 1982. 279 с.

Седов Дмитрий Игоревич -

аспирант кафедры «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Насад Татьяна Геннадиевна -

доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технология и оборудование электрофизических и электрохимических методов обработки» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Sedov Dmitriy Igorevich -

Post-graduate Student of the Department of «Technology and Processing of Electrophysics and Electrochemical Processing Methods» of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Nasad Tatiyana Gennadiyevna -

Doctor of Technical Sciences,

Professor, Head of the Department

of «Technology and Processing

of Electrophysics and Electrochemical

Processing Methods»

of Engels Technological Institute (branch)

of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 03.02.10, принята к опубликованию 23.11.10