CC BY
0
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Metal cutting
УДК 621.91: 620.164 Б01 10.25960/то.2020.1.3
Технологическое обеспечение качества при обработке точением тонкостенных деталей из титановых сплавов электронасосных агрегатов системы терморегулирования космических аппаратов
Д. В. Васильков, З. А. Кузнецова, А. В. Никитин
Рассмотрены вопросы обеспечения качества технологическими методами при обработке точением тонкостенных деталей из титанового сплава ВТ14 приводной части электронасосных агрегатов системы терморегулирования космических аппаратов. Определены требования качества, предъявляемые к ним по точности, шероховатости поверхности и напряженному состоянию поверхностного слоя. В соответствии со стандартами ISO рассмотрена система кодов СМ для идентификации параметров сплава ВТ14 по обрабатываемости. Приведены параметры режущих пластин, а также рекомендации по режимам резания. Расчетно-экспериментальным методом получены эпюры технологических остаточных напряжений при варьировании скорости резания. Получен режим, обеспечивающий минимум деформирующей способности технологических остаточных напряжений, определяющий отсутствие упругого последействия в деталях.
Ключевые слова: технологическое обеспечение, качество, обработка точением, тонкостенная деталь, титановый сплав ВТ14, электронасосный агрегат, система терморегулирования, космический аппарат, обрабатываемость резанием, технологические остаточные напряжения.
Введение
Электронасосные агрегаты (ЭНА) обеспечивают принудительную циркуляцию жидкого теплоносителя по замкнутым контурам системы терморегулирования (СТР) космических аппаратов (КА) [1]. Повышение долговечности ЭНА является актуальной проблемой совершенствования систем терморегулирования КА, решаемой конструкторскими и технологическими методами. Надежность ЭНА по показателю долговечности определяется назначенным ресурсом, который составляет 25 00050 000 ч. Современное развитие КА требует увеличения ресурса до 150 000-160 000 ч.
ЭНА включает насосную и приводную части. При изготовлении приводной части большую проблему составляют тонкостенные детали типа тел вращения из титанового спла-
ва ВТ14, такие как стакан, втулка, фланец, заглушка, корпус и др. Их особенностью является то, что некоторые тонкостенные элементы имеют толщину 0,3-0,9 мм.
К указанным деталям предъявляются высокие требования по качеству изготовления. При максимальном габаритном размере 80 мм они составляют:
• точность: размеров — по 7-8-му квали-тетам; взаимного расположения поверхностей — 15-25 мкм;
• шероховатость поверхности: 1,6-2,5 мкм по параметру Яа;
• устойчивость формы: при изготовлении и эксплуатационных нагрузках точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей должна сохраняться в соответствии с требованиями чертежно-конструктор-ской документации.
Основная часть
Сплав ВТ14 относится к высокопрочным термически упрочняемым титановым (а + в)-сплавам мартенситного типа системы ТьА1-Мо-У. Основными легирующими элементами для титана ВТ14 являются алюминий, молибден и ванадий. Также в его состав входит незначительное количество железа, циркония, кремния, углерода и др. После закалки и старения сплав ВТ14 приобретает хорошие прочностные свойства, удовлетворительную пластичность и способность к механической обработке [2].
Титановые сплавы являются труднообрабатываемыми материалами. Их обрабатываемость резанием зависит от различных факторов: химического состава, твердости, метода обработки. Основные сложности при резании титана:
• интенсивное тепловыделение приводит к чрезмерному адгезионному износу режущей кромки;
• низкая теплопроводность приводит к плохой теплопередаче и замедленной теплоотдаче, поэтому режущая кромка испытывает значительную тепловую нагрузку;
• «пружинистость» титана из-за низкого модуля упругости способствует вибрации и ухудшает точность обработки и качество поверхности.
Высокие прочностные свойства (а + в)-сплавов достигаются не только легированием, но и термической обработкой при сохранении достаточно высокой пластичности [3]. Заготовки из сплава ВТ14 подлежат, как правило, двум видам термообработки: отжиг, закалка + старение. При этом обрабатываемость резанием существенно ниже по сравнению со сталью 45 (табл. 1) [4], что определяет допустимые значения скорости резания.
Обрабатываемость сплава ВТ14 Machinability of Ti-4Al-3Mo-IV alloy
Таблица 1 Table 1
Термическая обработка ств, МПа Ориентировочная скорость резания
при обработке инструментом из твердого сплава, м/мин по сравнению со сталью 45
Отжиг 1000 50-75 0,3
Закалка и старение 1150-1300 45-60 0,24
Широкое применение современных высокопроизводительных инструментов привело к необходимости классификации обрабатываемых материалов в соответствии со стандартами ISO. В соответствии со стандартом ISO 513:2012 [5] обрабатываемые материалы подразделяют на шесть основных групп. Сплав ВТ14 относится к группе ISO S.
Материалы каждой группы характеризуются уникальными свойствами в отношении обрабатываемости резанием. Однако подразделение материалов на шесть групп не дает достаточной информации для выбора нужной геометрии режущего инструмента, материала режущей части и параметров резания. Группы материалов далее приходится разбивать на подгруппы. Для этого используют так называемую систему кодов CMC (Coromant Material Classification) для идентификации и описания различных материалов [6]. Система CMC включает классификацию материалов по степени обрабатываемости, что позволяет выбрать оптимальный инструмент и назначить соответствующие режимы резания.
Чтобы структурировать и упростить выбор инструмента, обеспечивающего максимум производительности, предложена более детальная структура, которая включает подгруппы материалов и предоставляет дополнительную информацию о типе материала, методе получения, термической обработке, твердости и др. Структура классификации такова, что один код CMC может отображать несколько свойств и характеристик материала посредством буквенно-цифровой комбинации (рис. 1).
Помимо указанных характеристик в таблице параметров предусмотрены характеристики, необходимые для определения режимов и
N
N
I 5 —термическая обработка 4 - метод получения 3— подгруппа обрабатываемое ) и 2 — группа обрабатываемости 1 — группа материалов ISO
Рис. 1. Буквенно-цифровой код MC обрабатываемого материала: C — символ (буква); N — цифра
Fig. 1. The alphanumeric code MC of the material being processed: C — character (letter); N — number
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
Таблица 2
Расшифровка групп обрабатываемости сплава ВТ14 в соответствии со стандартами ISO
Table 2
Decoding of Ti-4Al-3Mo-1V alloy workability groups in accordance with ISO standards
Группа материала ISO Группа обрабатываемого материала Подгруппа обрабатываемого материала Метод получения Термическая обработка Код МС Твердость Удельная сила резания kc, Н/мм2 Показатель степени mc
S 4 Титановые сплавы 3 (а + р>- сплавы Z Ковка, прокат, холодная вытяжка AN Отжиг S4.3.Z.AN 330 НВ 1400 0,23
4 3 Z AG Закалка + старение S4.3.Z.AG 375 НВ 1600 0,23
сил резания: твердость и удельная сила резания, которая определяется выражением
kc = kclhmmc (1-, (l)
где у — передний угол режущего инструмента, .. °; kci — удельная сила резания при переднем угле у = 0 (табличный параметр); hm — толщина среза; mc — показатель степени (табличный параметр).
В табл. 2 представлена подробная расшифровка групп обрабатываемости сплава ВТ14 в соответствии со стандартами ISO [7].
Такая схематизация позволяет построить упрощенные соотношения для сил резания и определить устойчивость технологической системы в пространстве параметров обработки [8, 9]. В работе [8] представлена методика, в которой по данным удельной силы резания определяются составляющие силы резания и строится граница области устойчивости при обработке точением. Такой подход позволяет определить технологические режимы, обеспечивающие требования по регламентированным параметрам шероховатости поверхности. Технологическое обеспечение указанных требований достигается следующими данными [10]:
• инструментальный материал: Н13А (без покрытия) или GC1115 (PVD-покрытие);
• форма и геометрия пластины: форма пластины S (квадратная); геометрия передней поверхности SGF (шлифованная пластина с острой режущей кромкой); с ненулевым задним углом (а = 6 ^ 9°); минимальный радиус при вершине (re < 0,4); главный угол в плане j = 45°;
• режимы резания: глубина резания ap = = 0,25 ^ 0,5 мм; подача fn = 0,08 ^ 0,25; скорость резания v = 50 ^ 70 м/мин.
Форма пластины может меняться в зависимости от особенностей обработки.
При токарной обработке ступенчатых полых валов, стаканов, втулок, фланцев, заглушек, корпусов с толщиной стенок отдельных цилиндрических или торцевых элементов 0,3-0,9 мм возникает проблема обеспечения устойчивости формы и точности взаимного расположения поверхностей после обработки. Проблема особо актуальна, если детали изготавливают из титановых сплавов. Одним из определяющих факторов, непосредственно влияющих на точность изготовления деталей, является упругое последействие деформирующей способности технологических остаточных напряжений (ТОН), формируемых в поверхностном слое обрабатываемого изделия в результате контактного взаимодействия режущего инструмента и заготовки [11]. Деформирующая способность ТОН количественно определяется как интеграл от эпюры ТОН по глубине металла поверхностного слоя.
Рассмотрим в качестве примера деталь стакан из титанового сплава ВТ14 (рис. 2). Он имеет четыре тонкостенных элемента — три
Б5
Рис. 2. Деталь стакан с четырьмя тонкостенными элементами
Fig. 2. Detail of a glass with four thin-walled elements
цилиндрических и один торцевой: 1 — цилиндрический толщиной 0,3 мм, 2 — цилиндрический толщиной 0,5 мм, 3 — торцевой толщиной 0,9 мм, 4 — цилиндрический толщиной 0,3 мм.
а, МПа 100 0
-100 -200 -300 -400 -500
0 50 100 150 200
250 h, мкм
Рис. 3. Эпюра ТОН при точении наружной поверхности стакана, v = 40 м/мин
Fig. 3. The diagram TON when turning the outer surface of the glass, v = 40 m/min
а, МПа 100 50 0
-50 -100 -150 -200
0 50 100 150 200
250 h, мкм
Рис. 4. Эпюра ТОН при точении наружной поверхности стакана, v = 60 м/мин
Fig. 4. The diagram TON when turning the outer surface of the glass, v = 60 m/min
а, МПа 120 100 80 60 40 20 0
0 50 100 150 200
250 h, мкм
Рис. 5. Эпюра ТОН при точении наружной поверхности стакана, v = 80 м/мин
Fig. 5. The diagram TON when turning the outer surface of the glass, v = 80 m/min
Необходимо учитывать, что стакан изготавливается из высокопрочного термически упрочняемого титанового (а + в)-сплава ВТ14, имеющего повышенный предел прочности до 1300 МПа (см. табл. 1). Проблема механической обработки таких тонкостенных контуров состоит в том, что при скорости резания до 50 м/мин в металле изделия формируются технологические остаточные напряжения сжатия. При повышении скорости резания в поверхностном слое в результате повышения температуры в зоне резания начинают формироваться технологические остаточные напряжения растяжения. В процессе эксплуатации происходит релаксация остаточных напряжений, что приводит к остаточным деформациям рассматриваемого тонкостенного контура. Это, в свою очередь, влияет на форму изделия и приводит к изменению точностных характеристик.
Расчетно-экспериментальным методом были определены технологические остаточные напряжения в металле поверхностного слоя детали стакан при обработке точением на скоростях резания V = 40 м/мин (рис. 3),
V = 60 м/мин (рис. 4) и V = 80 м/мин (рис. 5) [10]. Деформирующая способность ТОН интегрально характеризует действие остаточных напряжений следующим образом. При
V = 40 м/мин эпюра характеризуется преобладанием сжимающих ТОН (рис. 3). На поверхности формируются напряжения сжатия порядка 400 МПа, что характеризует интенсивное упрочнение посредством наклепа в результате механической обработки. После точки перехода нуля максимальные растягивающие подповерхностные напряжения не превышают 80 МПа. Эпюра ТОН несимметрична, и деформирующая способность имеет знак минус, что подтверждает преобладание сжимающих ТОН. При V = 60 м/мин картина распределения эпюры ТОН меняется (рис. 4). На поверхности формируются напряжения сжатия порядка 180 МПа, что характеризует упрочнение посредством менее интенсивного наклепа. После точки перехода нуля наблюдаются максимальные растягивающие подповерхностные напряжения порядка 100 МПа. Эпюра ТОН имеет симметричный вид, и деформирующая способность близка к нулю. Возникает самая благоприятная ситуация.
На поверхности присутствуют напряжения сжатия, а эпюра ТОН уравновешена. Упругое последействие деформирующей способности ТОН отсутствует. Ситуация идеальна именно для тонкостенных маложестких изделий, когда при наличии ТОН полностью отсутствуют коробление и стремление к потере устойчивости формы. При v = 80 м/мин эпюра характеризуется преобладанием растягивающих ТОН (рис. 5). На поверхности формируются напряжения растяжения порядка 25 МПа, что характеризует разупрочнение поверхности. Максимальные подповерхностные напряжения также растягивающие и составляют 125 МПа. Эпюра ТОН несимметрична и деформирующая способность имеет знак плюс. Этот случай является самым неблагоприятным с точки зрения эксплуатационных характеристик. Поверхностный слой подвержен формированию дефектов, а изделие — потере устойчивости формы.
Заключение
1. Выбор для тонкостенных изделий типа стакана титанового сплава ВТ14 определен эксплуатационными требованиями, которые предписывают применение сплавов повышенной прочности с малым удельным весом, предназначенных для длительной эксплуатации в условиях повышенной температуры.
2. Коэффициент обрабатываемости сплава ВТ14 в 3-4 раза ниже по сравнению со сталью 45. При обработке между передней поверхностью инструмента и стружкой, а также между задней поверхностью инструмента и деталью по фаске износа имеют место повышенный коэффициент трения и склонность к массопереносу. Это побуждает необходимость применения режущих пластин с увеличенным ненулевым задним углом, острозато-ченной режущей кромкой и малым радиусом при вершине из материалов, имеющих высокую прочность и износостойкость.
3. Расчетно-экспериментальные исследования показали, что в результате обработки в поверхностном слое формируются ТОН сжатия при v = 40 м/мин, которые переходят в ТОН растяжения при v = 80 м/мин. При v = 60 м/мин эпюра ТОН имеет симметрич-
ный вид и деформирующая способность близка к нулю. Возникает самая благоприятная ситуация. На поверхности присутствуют напряжения сжатия, а эпюра ТОН уравновешена. Упругое последействие деформирующей способности ТОН отсутствует. Указанное свидетельствует о недопустимости форсирования режимов резания.
Работа выполнена в рамках проекта «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства высокоресурсных элементов систем исполнительной автоматики транспортной и авиационно-космической техники, обеспечивающей освоение и использование Мирового Океана, Арктики и Антарктики» при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075 11-2019-077 от 13.12.2019) в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 09.04.2010 № 218.
Литература [References]
1. Бобков А. В., Цветков Е. О. Особенности баланса потерь мощности в электронасосных агрегатах систем терморегулирования космических аппаратов. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2011, т. 13, № 1 (2). с. 290-292. [Bobkov A. V., Tsvet-kov E. O. Features of the balance of power losses in electric pump units of spacecraft thermal control systems. Bulletin of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2011, vol. 13, no 1 (2). pp. 290-292. (In Russ.)].
2. Хорев А. И. Научные основы достижения высокой и сверхвысокой конструкционной прочности свариваемых титановых сплавов [Электронный ресурс]. М.: ВИАМ, 2011. 29 с. Режим доступа: https://www. viam.ru/public/files/2011/2011-205785.pdf [Horev A. I. Scientific basis for achieving high and ultrahigh structural strength of welded titanium alloys. Moskow: VIAM, 2011, 29 p. Availoble at.: https://www.viam.ru/public/ files/2011/2011-205785.pdf (In Russ.)].
3. Чечулкин Б. Б., Ушаков С. С., Разуваева И. Н. и др. Титановые сплавы в машиностроении; под ред. Г. И. Капырина. Л.: Машиностроение, 1977, 248 с. [Chechulkin B. B., Ushakov S. S., Razuvaeva I. N. et al. Titanium alloys in mechanical engineering; Ed. G. I. Ka-pyrina. Leningrad: Mechanical engineering, 1977, 248 p. (In Russ.)].
4. Баранчиков В. Н., Тарапанов А. С., Харламов Г. А.
Обработка специальных материалов в машиностроении: гаравочник. М.: Машиностроение, 2002, 264 с. [Baranchikov V. N., Tarapanov A. S., Kharlamov G. A. Processing Special Materials in Mechanical Engineering: A Handbook. Moscow: Mechanical Engineering, 2002, 264 p. (In Russ.)].
5. ISO 513:2012. Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the mail groups and groups application. TC 29/SC 9, 2012. 12 p.
6. Классификация обрабатываемых материалов с использованием кодов MC [Электронный ресурс]. Ре-
жим доступа: https://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/materials/pages/workpiece-materials.aspx [Classification of processed materials using MC codes Available at: https://www.sandvik.coromant.com/en-us/ knowledge/materials/pages/workpiece-materials.aspx (In Russ.)].
7. Васильков Д. В., Александров А. С., Голикова В. В.
Обрабатываемость металлов резанием. Системный анализ и аналитика, 2019, № 1 (9), c. 93-100. [Vasilkov D. V., Aleksandrov A. S., Golikova V. V. Machinability of metals by cutting. Systemnyj analiz i analitica, 2019, no 1 (9), pp. 93-100. (In Russ.)].
8. Shvetsov I. V., Vasilkov D. V., Tarikov I. Ya. Vibration stability criterion in assessing the dynamic quality and limiting capabilities of machine tools. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019. Vol. 656, 012049.
9. Maksarov V. V., Olt J., Madissoo M. Dynamic Stabilization of Technological Systems for Processing Edge Cutting Through Local Metastability. USB Proceedings. IEEE International Symposium on Assembly and Manufacturing, 25th-27th May 2012 Tampere Hall Tampere, Finland. рp. 6-11.
10. Обработка титана: техническое руководство [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.sandvik. coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads/global/ technical0/» 20guides/ru-ru/c-2920-35.pdf [Titanium Processing: Technical Manual. Available at: https://www. sandvik.coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads /global/technical020guides/ru-ru/c-2920-35.pdf]
11. Nikitin A. V., Tarikov I. Ya., Vasilkov D. V. Determination of technological residual stresses in the surface layer of parts with thin-walled elements during turning. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Vol. 666, 012024.
Сведения об авторах
Васильков Дмитрий Витальевич — доктор технических наук, профессор кафедры «Технология и производство артиллерийского вооружения», Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1; тел.: (812)251-39-75, е-mail: vasilkovdv@ mail.ru
Кузнецова Зоя Алексеевна — инженер, АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М.Ф. Решетнева, 662972, Железногорск, Красноярский край, ул. Ленина, 52, e-mail: u-z-a@yandex.ru
Никитин Александр Владимирович — старший преподаватель кафедры «Автоматы», Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, тел.: (812) 552-96-86, е-mail: nav1972.26@mail.ru
Для цитирования: Васильков Д. В., Кузнецова З. А., Никитин А. В. Технологическое обеспечение качества при обработке точением тонкостенных деталей из титановых сплавов электронасосных агрегатов системы терморегулирования космических аппаратов. Металлообработка, 2020, № 1, c. 3-9. DOI 10.25960/mo.2020.1.3
UDC 621.91: 620.164 DOI 10.25960/mo.2020.1.3
Technological quality support when turning thin-walled parts made of titanium alloys of electric pump units of the spacecraft temperature control system
D. V. Vasilkov, Z. A. Kuznetsova, A. V. Nikitin
The issues of quality assurance by technological methods when turning thin-walled parts made of titanium alloy Ti-4A1-3Mo-1V of the drive part of electric pump units of the spacecraft temperature control system are considered. The quality requirements for them in terms of accuracy, surface roughness and the stress state of the surface layer are determined. In accordance with ISO standards, a system of CM codes for identifying parameters of Ti-4A1-3Mo-1V alloy by machinability is considered. The parameters of the cutting plates are given, as well as recommendations for cutting modes. Plots of technological residual stresses at varying cutting speeds were obtained using the computational and experimental method. A mode is obtained that provides a minimum of the deforming capacity of technological residual stresses, which determines the absence of elastic aftereffect in details.
Keywords: ctechnological support, quality, turning processing, thin-walled part, titanium alloy Ti-4Al-3Mo-1V, electric pump unit, temperature control system, spacecraft, cutting machinability, technological residual stresses.
MEIAlL/pOBRABOTKA
ÜÜUViy
Information about the authors
Dmitriy V. Vasilkov — Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Department of Technology and Production of Artillery Armament, Baltic State Technical University „Voenmeh" behaif D. F. Ustinov, Russia, 190005, St. Petersburg, 1-st Krasnoarmeyskaya str., 1, phone: (812) 251-39-75, e-mail: vasilkovdv@mail.ru
Zoya A. Kuznetsova — Engineer, Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Syatems, 662972, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk Territory, ul. Lenin, 52, e-mail: u-z-a@yandex.ru
Alexander V. Nikitin — Senior Lecturer at the Deparment of Avtomaty Chair, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 195251, St. Petersburg, Polytechnicheskaya str., 29, phone: +7 (812) 552-96-86, e-mail: nav1972.26@mail.ru
For citation: Vasilkov D. V., Kuznetsova Z. A., Nikitin A.V. Technological quality support when turning thin-walled parts made of titanium alloys of electric pump units of the spacecraft temperature control system. Metalloobrabotka, 2020, no 1, pp. 3-9. DOI 10.25960/mo.2020.1.3
Уважаемые коллеги!
Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.
Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.
Тираж 1500 экз., объем от 60 с., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10%-ная скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.
Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.
Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.
Подписные индексы: по каталогу «Роспечать» — № 14250.
