CC BY
1
УДК 669.725:621.941
DOI: 10.24412/2071 -6168-2024-3-442-443
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Н.И. Шипунов, А.А. Фаюстов, В.А. Васильев
Изучено влияние на качество изделий из хрупких материалов деформированного поверхностного слоя на примере бериллия как наиболее хрупкого и абразивного материала. Определена минимальная глубина деформированного поверхностного слоя (наклепа) при лезвийной обработке хрупкого материала, бериллия, в зависимости от режимов обработки и геометрии режущего инструмента. Предложены режимы обработки и геометрия режущего инструмента для обработки бериллиевых заготовок с высоким качеством обработанной поверхности, без образования микротрещин, с минимальной глубиной деформированного (наклепанного) слоя. Предложена последовательность проведения исследований и пути повышения качества изделий из хрупких материалов на примере бериллия, как наиболее хрупкого и абразивного материала.
Ключевые слова: хрупкие материалы, бериллий, режимы лезвийной обработки, геометрия и углы заточки инструмента, деформированный поверхностный слой, дислокации, микротрещины, трещины.
Изделия, изготовленные из хрупких материалов с высоким качеством обработанной поверхности, востребованы во многих областях промышленности. Лезвийная обработка хрупких материалов сопровождается формированием на обработанной поверхности дефектного поверхностного слоя, вследствие нарушения структуры этого хрупкого материала при силовом воздействии режущего инструмента. При обработке хрупких сортов бронзы, чугуна, малоуглеродистой стали и бериллия, необходимо иметь в виду, что металлический бериллий наиболее хрупок и абразивен, поэтому и выбран для определения дефектов в поверхностном слое при лезвийной обработке хрупких материалов.
Для обработки бериллия резанием используются стандартные станки и режущий инструмент, применяемые для обработки хрупких материалов. В процессе обработки резанием на поверхности изделий из бериллия образуется дефектный поверхностный слой, в следствие пластической деформации резцом поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Из литературных источников (1) известно, что дефектный слой при обработке металлического бериллия резанием достигает глубины до 0,250 мм и по структуре состоит из зон двойников, остаточных напряжений, микротрещин, а иногда и трещин (рис.1). Эти поверхностные дефекты существенно снижают конструкционную прочность и эксплуатационный ресурс изделий из бериллия, являющего хрупким материалом. По этому важным является изучение дефектов, образующихся в поверхностном слое обработанных изделий и способов максимально возможного снижения или полного устранения их в хрупких материалах.
микротрещины, (х 70) трещина, (х 70) поляризованный свет,(х 200)
Рис. 1. Типичные повреждения на обработанных поверхностях бериллиевых изделий, выявленные
на поперечных шлифах
Поверхностные дефекты и внутренние остаточные напряжения, заложенные лезвийной обработкой бериллия, оказывают отрицательное влияние на прочностные и пластические характеристики изделий и как следствие снижают качество изготавливаемых изделий из хрупких материалов, которым является и бериллий.
Целью данной работы являлось, изучение влияния режимов лезвийной обработки металлического бериллия и геометрии режущего инструмента на образование поверхностных дефектов и на глубину их залегания. Снижение отрицательного влияния дефектного поверхностного слоя, а также его полное устранение позволит повысить качество изготовляемых изделий из хрупких материалов, в том числе металлического бериллия, как наиболее хрупкого и абразивного.
Экспериментальная часть. В качестве экспериментальных заготовок были использованы горячепрессо-ванные блоки бериллия диаметром 60 мм и высотой 120 мм из порошка марки ПТБ-56 (таблица 1). В экспериментах использовался горячепрессованный сорт бериллия ТГП-56 со средним размером зерна около 25 мкм.
442
Таблица 1
Химический состав бериллиевого порошка марки ПТБ-56_
Марка Химический состав
Массовая доля бериллия, %, не менее Массовая доля примесей, %, не более
Ре А1 81 Мп Си Мв N1 Сг 02 С
ПТБ-56 98 0,25 0,04 0,04 0,025 0,02 0,02 0,03 0,08 1,2 0,12
Исходные бериллиевые заготовки были протравлены на глубину 0,5 мм в 10% -ном растворе серной кислоты для удаления поверхностного слоя от предшествующих обработок. Металлографические исследования проводились на микроскопе Ье1еа БМЖМ на поперечных шлифах, вырезанных на электроискровом станке, специально подготовленной поверхности шлифов для проведения микроанализов.
Качество поверхности исходных бериллиевых заготовках, обработанных на различных режимах и с разной геометрией режущего инструмента оценивалось двумя методами:
визуально, на предмет наличия микротрещин и трещин после лезвийной обработки и травления в 10%-ной серной кислоте;
металлографически, измерением микротвердости по глубине деформированного поверхностного слоя на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,002 кг , через каждые 0.02 мм до постоянных значений микротвердости.
Типовая зависимость микротвердости, по глубине обработанного поверхностного слоя, в исходных горя-чепрессованных заготовках бериллия приведена на рис.2. Заготовки обрабатывались со скоростью резания У= 65 м/мин, подачей Б=0,2 мм/об, глубиной резания 1=1,0 мм при использовании твердосплавного резца ВК-8 со следующими углами заточки:
главный угол в плане 550; передний угол 10°; главный задний угол 12°;
радиус закругления режущей кромки г = 0,5 мм.
у = -40,471п(х) + 139,18 Я2 = 0,9192
0,2
Глубина поверхностного слоя, мм
Рис.2. Изменение микротвердости по глубине поверхностного деформированного слоя в исходных горячепрессованных заготовках бериллия
Результаты измерений глубины деформированного поверхностного слоя, в зависимости от режимов обработки и геометрии инструмента, в исходных горячепрессованных заготовках бериллия приведены в таблице 2.
Таблица 2
Влияние режимов обработки и геометрии инструмента на образование деформированного слоя
Режим обработки заготовок бе риллия Геометрия режущего инструмента Глубина дефор-миро-ванного поверхност-ного слоя, Ь , мм
п/п Скорость резания V, м/мин Подача 8, мм/об Глубина резания 1, мм Главный угол в плане , град Передний угол , град Задний угол , град Радиус режущий кромки г, град
1 65 0,2 1,0 5 + 90 10 12 0,5 0,170+0,260
2 65 0,2 1,0 55 -10+0 0 + 40 12 0,5 0,160+0,140 0,140+0,07
3 65 0,2 1,0 55 10 6+40 0,5 0,150- -0,160
4 65 0,2 1,0 55 10 12 0,1+1,0 0,160- -0,240
5 45+350 0,2 1,0 34 10 12 0,5 0,140+ -0,350
6 65 0,07+0,87 1,0 34 10 12 0,5 0,170+ -0,260
7 65 0,2 0,15+2,45 34 10 12 0,5 0,07+0,220
Обсуждение результатов. По результатам визуального контроля было установлено, что поверхностные микротрещины на обработанных поверхностях горячепрессованных заготовках образовывались при скоростях резания более 90 м/мин (режим 5 таблицы 2 и рис.3), с увеличением подачи выше 0,25 мм/об (режим 6 таблицы 2 и рис.4), глубины резания выше 2,45 мм (режим 7 таблицы 2 и рис.5) и при обработке режущим инструментом с радиусом режущей кромки резца более 0,5 мм (режим 4 таблицы 2 и рис.6).
Режим резания, без образования поверхностных микротрещин, с минимальной глубиной дефектного наклепанного слоя происходит при лезвийной обработке бериллия со скоростью резания 60^80 м/мин при глубине резания до 1,0 мм и подаче инструмента до 0,2 мм/об, с радиусом режущей кромки резца не более 0,5 мм (режим 3 таблицы 2 и рис.6).
Геометрия режущего инструмента также влияет на глубину залегания дефектного наклепанного слоя при обработке бериллия. Наименьшая глубина дефектного наклепанного слоя, без образования микротрещин, образовывалась при обработке бериллия резцом со следующей геометрией: главный угол в плане 50°^9°°, передний угол 20° ^40° , задний угол 12° ^ 4°0, радиус режущей кромки резца 0,3^0,5 мм (режимы 1,2, 3 и 4 таблицы 2).
При этом износ резца по задней поверхности не должен превышать 0,5 мм. При превышении износа резца по задней кромки более 0,5 мм возникает повышенное трение в процесс лезвийной обработки металлического бериллия и образуются микротрещины на обработанной поверхности.
Срок службы резца до появления микротрещин при обработке бериллия (степень износа) определялся экспериментально. Микротрещины на обрабатываемой поверхности горячепрессованных заготовках образовывались при износе режущего инструмента по задней поверхности более 0,5 мм (рис.7).
Для предотвращения появления микротрещин при обработке бериллия, образующихся после износа режущего инструмента по задней поверхности более 0,5 мм, необходимо режущий инструмент отправлять на повторную заточку геометрических параметров.
Е-*-".;- ,_ /■ •
, - - -V». »V • . ■
Рис. 3. Поверхностные микротрещины на бериллии образующиеся при повышении скорости более 90 м/мин
Рис. 4. Поверхностные микротрещины на бериллии образующиеся при повышении подачи
на инструмент более 2,5 мм/об
Рис. 5. Поверхностные микротрещины на бериллии образующиеся при повышении глубины резания
более 2,45 мм
чШштЩж
Рис. 6. Обработанная поверхность бериллиевой заготовки с минимальным деформированным поверхностным
слоем, без образования микротрещин на поверхности
444
ё 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
<и
О Срок службы резца, мм
Рис. 7. Влияние степени износа резца на срок службы до появления микротрещин на обработанной поверхности бериллия
Анализ полученных результатов по определению глубины залегания дефектного деформированного поверхностного слоя показал, что наилучшее состояние обработанной поверхности бериллиевых заготовок , без образования микротрещин, с минимальной глубиной деформированного наклепанного слоя происходит при обработке бериллия со скоростью резания равной 60^80 м/мин, глубине резания меньше 0,15 мм, на чистовых проходах, подаче на режущий инструмент равной 0,05 -^0,15 мм/об, режущим инструментом со следующей геометрией (главный угол в плане 50°^90°, передний угол 200 ^40° , задний угол 120 ^ 400 , радиус режущей кромки 0,3^0,5 мм ).
Однако лезвийная обработка хрупкого материала, бериллия, на этих режимах с оптимальной геометрией режущего инструмента не обеспечивает полного устранения деформированного поверхностного слоя, отрицательное влияние которого сказывается на качестве изготовляемых изделий из бериллия.
По результатам полученных оптимальных значений режимов обработки и заточки режущего инструмента были проведены дополнительные исследования, по определению минимального деформированного поверхностного слоя на обработанных горячепрессованных заготовках из бериллия.
Таблица 3
Влияние режимов резания на глубину залегания деформированного наклепанного поверхностного слоя
п/п Режим обработки заготовок бериллия * Глубина деформированного (наклепанного) поверхностного слоя, Ь , мм
Скорость резания V, м/мин Подача 8, мм/об Глубина резания 1 мм
1 45 0,05 1,0 0,5 0,25 0,12 0,170
2 70 0,2 2,0 0,5 0,170
3 45 0,05 1,0 0,5 0,25 0,1 0,120
4 70 0,2 2,0 0,5 0,160
* Обработка горячепрессованных заготовок проводилась инструментом ВК-8 со следующей геометрией заточки (главный угол в плане 550, передний угол 2000, задний угол 120 , радиус режущей кромки 0,5 мм )
Визуальный контроль показал, что все обработанные горячепрессованные заготовки по режимам представленным в таблице 3 не имели на поверхности микротрещин и трещин, минимальная глубина деформированного поверхностного слоя (наклепа) составляла 0,120 мм (режим 3 таблицы 3).
Выводы. Предложена последовательность проведения исследований по повышению качества изготовляемых изделий из хрупких материалов и пути повышения качества изделий из хрупких материалов на примере бериллия, как наиболее хрупкого и абразивного.
Определена минимальная глубина деформированного поверхностного слоя (наклепа) при лезвийной обработке хрупкого материала, бериллия, которая составила 0,07^ 0,120 мм.
Для обработки поверхности бериллиевых заготовок , без образования микротрещин, с минимальной глубиной деформированного ( наклепанного) слоя разработаны следующие режимы и геометрия режущего инструмента: скорость резания равна 60^80 м/мин, глубина резания меньше 0,15 мм на чистовых проходах , подача на режущий инструмент равна 0,05 ^0,15 мм/об и геометрия режущего инструмента (главный угол в плане 500^900, передний угол 200 ^400 , задний угол 120 ^ 400, радиус режущей кромки 0,3^0,5 мм ). При износе резца по задней поверхности не более 0,5 мм.
Список литературы
1. Бериллий: Наука и технология / под ред., Д.Вебстера, Т.Дж. Лондона и др. М. Металлургия, 1984. 624с.
2. Коган Б.И., Капустинская К.А., Топунова Г.А. Бериллий // Институт минералогии, геохимии, кристаллохимии редких элементов. Изд-во: «Наука», 1975.
3. Матясова В.Е. Бериллий. Технология и производство. АО «ВНИИХТ», 2020.
Шипунов Николай Иванович, канд. техн. наук, доцент, Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (МАИ),
Фаюстов Андрей Алексеевич, аспирант, Россия, Москва, Московский Авиационный Институт
(МАИ),
Васильев Виктор Андреевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Московский Авиационный Институт (МАИ)
INCREASING THE QUALITY OF PRODUCTS FROM FRAGILE MATERIALS
N.I. Shipunov, A.A. Fayustov, V.A. Vasiliev
The influence of a deformed surface layer on the quality ofproducts made from brittle materials was studied using the example of beryllium as the most brittle and abrasive material. The minimum depth of the deformed surface layer (hardening) during blade processing of a brittle material, beryllium, has been determined, depending on the processing modes and the geometry of the cutting tool. Processing modes and geometry of the cutting tool are proposed for processing beryllium workpieces with a high quality of the machined surface, without the formation of microcracks, and with a minimum depth of the deformed (hardened) layer. A sequence of research and ways to improve the quality ofproducts made from fragile materials are proposed using the example of beryllium, as the most fragile and abrasive material.
Key words: brittle materials, beryllium, blade processing modes, tool geometry and sharpening angles, deformed surface layer, dislocations, microcracks, cracks.
Shipunov Nikolai Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
(MAI),
Fayustov Andrey Alekseevich, postgraduate, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (MAI),
Vasiliev Victor Andreevich, doctor of technical sciences, professor, fayustov582158@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (MAI)
УДК 658.562
Б01: 10.24412/2071 -6168-2024-3-446-447
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ
ТЕХНИКИ
Т.Н. Антипова, Д.С. Бабкин
В статье приведены математические и графические зависимости влияния характеристик оборудования на технологические параметры и показатели качества конечной продукции. Доказано, что характеристики полуфабрикатов, получаемых в процессе каждой технологической операции, влияют на показатели качества конечной продукции.
Ключевые слова: управление качеством, технология.
В настоящее время композиционные материалы такие как: полимерные (ПКМ), углерод-углеродные (УУКМ), металломатричные композиционные материалы (МКМ), обеспечивающие улучшенные физико-механические свойства по сравнению с традиционно применяемыми материалами, нашли широкое применение во многих отраслях российской промышленности, в том числе авиационной, ракетно-космической и военной техники.
Производство композиционных материалов - это сложный многостадийный процесс [1-5,11,14,15], получаемый металломатричный слоистый композиционный материал (рис. 1) характеризуется рядом показателей качества, которые в большинстве случаев определяются требованиями заказчика. Значения показателей качества обусловлены комплексом факторов, основным из которых является технологический процесс. Влияние технологических параметров на показатели качества конечной продукции было рассмотрено в ряде научных исследований [610,12,13,16]. Каждая операция характеризуется комплексом технологических параметров. Технологический процесс можно представить, как систему взаимосвязанных элементов-технологических этапов.
Первым этапом технологии изготовления МСКМ является входной контроль трех основных групп применяемых исходных материалов, а именно:
1. Углеродного гидросплетенного холста, выступающего в роли армирующего.
2. Титанового и медного сплавов, а точнее фольг, применяемых в роли матричного материала.
3.Газа монометилсилана, применяемого в процессе нанесения интерфазного покрытия на термообрабо-танный углеродный холст.
Второй этап технологии производства композиционного материала характеризуется изготовлением полуфабриката, а именно операции по подготовке углеродного гидросплетенного холста, включающий термообработку гидросплетенного холста ПАН. Термообработка нужна для повышения прочностных характеристик будущего материала. Данный процесс характеризуется рядом технологических параметров таких как давление, температура и др.
