CC BY
41
УДК 621.923.01
ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ОПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Д. И. Савин, В. А. Левко, И. А. Колотюк
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Рассмотрены проблемы, возникающие при обработке титановых сплавов. Рассмотрены особенности процесса финишной обработки титановых сплавов. Предложено в качестве метода обработки титановых сплавов применять обработку абразивным потоком (абразивно-экструзионную обработку). Предложено дальнейшее направление исследований.
Ключевые слова: финишная обработка, титановые сплавы, абразивный поток, электроэрозионная обработка.
FINISHING TITANIUM ALLOYS AFTER ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING
D. I. Savin, V. A. Levko, I. A. Kolotyuk
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The features problems arising in the machining of titanium alloys. A brief overview of the process of finish machining titanium alloys. It is proposed as a method of processing titanium alloys used abrasive flow processing (abrasive extrusion process). The future direction of research is defined.
Keywords: finishing, titanium alloys, abrasive flow, electrical discharge machining.
Современный процесс развития ракетно-космической техники (РКТ) вызвал необходимость в применении специфичных материалов. Появляются новые виды сплавов, которые обладают высокой твердостью, хрупкостью, вязкостью, а также материалы, обладающие магнитными свойствами, которые все чаще применяются в РКТ и потому требуют специальных эффективных методов обработки. Вместе с тем в производстве ракетной техники существует постоянная тенденция к созданию и использованию более легких деталей более сложной формы. С каждым годом конструктивные формы деталей усложняются, повышается их точность и требования к физико-механическим свойствам поверхностного слоя. Особые трудности возникают при обработке фасонных поверхностей, когда в них необходимо получить пазы, узкие щели, полости и глухие отверстия сложной формы [1].
Острая необходимость эффективно обрабатывать детали сложной формы из материалов труднообрабатываемых резанием предопределила возникновение ряда новых методов. К ним относятся электрофизические и электрохимические методы обработки. Высокая гибкость и технологичность данных методов позволяет успешно решить эти задачи.
Титановые сплавы на сегодняшний день в производстве РКТ занимают очень весомую долю. Это вызвано отличительными физическими, химическими и другими особенностями материалов.
Титан - наиболее распространенный конструкционный материал, составляющий основную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. Основные физические характеристики титана приведены в таблице [1].
Физические параметры титана
Физический Плотность, кг/м3 Температура, °С: Удельная те- Коэффициент Электропро-
параметр при 20 °С плавления плоемкость теплопередачи водность, См/м
при 900 °С кипения при 20 °С, при 20 °С,
кДж/(кгК) Вт/(мК)
Значение 4 505 1 668 0,54 18,85 1,73 106
4 320 3 260
Титан имеет ряд отличительных признаков по сравнению с железом, алюминием и магнием. Плотность титана значительно ниже, чем у железа, а температура и теплота плавления и кипения - выше. Он обладает и более высокой, чем железо, удельной теплоемкостью. Отсюда и высокие затраты энергии для расплавления титана, во много раз превосходящие затраты энергии на расплавление железа. Коэффициент теплопроводности титана почти в 4 раза меньше чем у железа. Титан - химически активный металл, легко вступает в реакции с газами атмосферы -кислородом, водородом и азотом. С повышением температуры его реакционная способность повышается. Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, как в прочем и алюминий, так как на их поверхностях образуется стойкая оксидная пленка, которая прочно связана с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой.
Механическая обработка деталей из титановых сплавов существенно затруднена из-за высокого отношения предела текучести к пределу прочности, относительно низкой теплопроводности, налипания титана на инструмент, высокой химической активности по отношению к газам при повышенных температурах резания, неоднородности свойств срезаемого слоя вследствие ликвидации легирующих элементов. Существенными недостатками традиционной механической обработки резанием является:
- нарушение целостности волокон металла;
- разрыхление поверхностного слоя;
- образование растягивающих напряжений;
- взаимодействие поверхностного слоя сплава с газами атмосферы, в результате чего происходя химические превращения, снижающие характеристики сплава;
- снижение твердости и создание микрогеометрии.
Особо опасным недостатком можно считать воздействие водорода из атмосферы в виде проникновения газа в структуру поверхностного слоя и химических взаимодействий с титаном (образованием образование гидридов) которые в значительной мере снижают прочность поверхностного слоя и приводят к образованию трещин. В этой связи электроэрозионная обработка является отличным вариантом обработки ввиду того, что обработка ведется в жидком диэлектрике, а значит, доступ газов атмосферы к зоне обработки в значительной мере затруднен. Образование гидридов происходит только в результате химического разрушения рабочей жидкости, однако больная часть обработанного материала с водородом удаляется с поверхности материала после разрушения канала разряда.
Наличие в жидком диэлектрике растворенного кислорода способствует образованию защитной оксидной пленки из ТЮ2. А как показано в [1] при повышенных температурах в зоне обработки скорость поглощения водорода титана значительно падает при наличии оксидной пленки на поверхности титана. Локальный характер обработки, а также низкая теплопроводность титана и наличие рабочей жидкости в качестве охлаждающего средства исключает возможные температурные изменения в металле, поэтому расслоения металла не происходит, как не происходит и возникновение разного рода побочных напряжений в виду отсутствия контакта инструмента и заготовки при обработке.
Обработка таких деталей резанием либо затруднена, либо невозможна в принципе. Оправдано использование электроэрозионного способа получения деталей. Именно поэтому на сегодняшний день существует задача по совершенствованию технологии обработки таких материа-
лов электроэрозионным способом и получению поверхностного слоя высокого качества и шероховатости поверхности заданной техническими требованиями к деталям.
Рассматриваемый материал ОТ-4 применяется для изготовления ответственных нагруженных деталей, работающих при температуре до +600 °С, дисков компрессора, лопаток и других нагруженных деталей, применяемых для изготовления конструкций в РКТ [2]. Образец, рассматриваемый в данной, работе выполнен из этого материала, и соответствует условиям эксплуатации деталей такого класса в РКТ. К деталям такого класса применяются высокие требования обеспечения заданной точности и шероховатости обработанной поверхности, а также сохранение микроструктуры и свойств обрабатываемого материала в зоне обработки после проведения процесса электроэрозионной обработки [3].
Рассмотрены результаты электроэрозионной обработки титановых заготовок. Микроструктура представлена на рисунке. Показано, что на обработанной титановой заготовке формируются 4 зоны: 1 - белый слой; 2 - зона термовлияния; 3 - зона структурных деформаций; 4 - исходный материал.
Структура поверхностного слоя титана [4]
Полученные экспериментальные результаты исследования структурных изменений в поверхностном слое титанового сплава после электроэрозионной обработки позволяют оценить размеры измененного поверхностного слоя. Наличие данного слоя оказывает влияние на эксплуатационные характеристики. Необходимо удаление измененного слоя с помощью операции финишной обработки [5].
Известно, что при этом виде обработки могут быть реализованы все виды контактных процессов, от упругой и пластической деформации до микрорезания [6]. Форма обрабатываемого канала существенно влияет на поток рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке [7]. Исследования влияния формы канала на условия обработки это подтверждают [8].
Обзор Российских и зарубежных публикаций не выявил статей, описывающих практическое применение обработки абразивным потоком титановых сплавов.
Задачей дальнейших исследований является планирование и разработка экспериментов по финишной обработке титановых сплавов, после операции электроэрозионной обработки.
Библиографические ссылки
1. Обеспечение надежности конструкций из титановых сплавов / В. И. Муравьев, П. В. Бахма-тов, Б. И. Долотов и др. М., 2009. 752 с.
2. Елисеев Ю. С., Саушкин Б. П. Электроэрозионная обработка изделий авиационно-космической техники / под ред. Б. П. Саушкина. М. : Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2010. 437 с.
3. Кабалдин Ю. Г., Сарилов М. Ю., Биленко С. В. Повышение устойчивости процесса электроэрозионной обработки и качества обработанной поверхности на основе подходов искусственного интеллекта / КнАГТУ. Комсомольск-на-Амуре, 2007. 191 с.
4. Абляз Т. Р., Ханов А. М., Хурматуллин О. Г. Современные подходы к технологии электроэрозионной обработки материалов. Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. 112 с.
5. Левко В. А. Абразивно-экструзионная обработка: современный уровень и теоретические основы процесса : монография ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2007. 228 с.
6. Левко В. А. Контактные процессы при абразивно-экструзионной обработке // Металлообработка. 2008. № 2. С. 7-10.
7. Исследования влияния формы обрабатываемого канала на течение рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке / В. А. Левко, М. А. Лубнин, П. А. Снетков и др. // Вестник СибГАУ. 2009. № 4 (25). С. 138-145.
8. Research the influence finishing channel shape to flow media for abrasive flow machining process / V. A. Levko, M. A. Lubnin, P. A. Snetkov et al. // Vestnik SibSAU. 2009. № 5 (26). P. 93-99.
© Савин Д. И., Левко В. А., Колотюк И. А., 2017
