Диссертация (Технологическое обеспечение качества прецизионных поверхностей деталей типа «тел вращения» из титановых сплавов), страница 3

В.Л. Вейцом. Оценка влиянияпереходного процесса, обусловленного наличием измененной структуры,производилась через переключатель, позволяющий учесть в системе физикомеханическиесвойстваизмененнойструктуры.Решениеданной13математической задачи производилось с учетом переходного процесса иреализовывалось в программной среде LabVIEW 13.0.Используя в качестве скрытой энергии в поверхности заготовкиизмененнуюструктуру,создаваемуюпосредствомпластическогодеформирования, удается рассеивать неустойчивый автоколебательный процесспри механической обработке.Вчетвертойэкспериментальныхглавепредставленыисследованийпорезультирующиеотработкепоказателиусовершенствованноготехнологического процесса изготовления прецизионных поверхностей детали«опора». В результате проведенных исследований установлено, что приизготовлении прецизионных поверхностей детали «опора» с применениемметода предварительного локального пластического деформирования передлезвийнойобработкойобеспечиваютсязаданныепоказателикачестваповерхностного слоя изделия.

Также было констатировано равномерное, впределах допустимых значений, сегментирование стружки, что являлось остройпроблемой при обработке титановых сплавов. Все вышесказанное даетвозможность при изготовлении деталей типа «тел вращения» из титановыхсплавов отказаться от шлифовальной операции.14ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯКАЧЕСТВАИТОЧНОСТИПРЕЦИЗИОННЫХПОВЕРХНОСТЕЙДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ1.1 Классификация титановых сплавов и основные особенностимеханической обработкиТитан и сплавы на его основе относятся к материалам нового поколения.В отличие от других конструкционных материалов, титаносодержащие металлыобладает высокими физическими и механическими свойствами, высокимипоказателями удельной прочности и жаропрочности, отличаются такжекоррозионной стойкостью в агрессивной среде.

К преимуществам такжеотносятся такие качества, как хорошая свариваемость, парамагнитные инекоторые другие свойства, которые имеют важное значение в техническихотраслях производства. Таким образом, титановые сплавы благодаря своимкачествам могут быть широко использованы в процессе производства судов,ракет, самолетов, а также в машиностроении [59, 65].Классификация титановых сплавов осуществляется по трем большимгруппам [1,24, 93, 96]:– титановые сплавы с высокой прочностью, то есть твердые растворы соптимальным соотношением прочности и пластичности;– титановые сплавы с повышенной жаропрочностью, которым характернаминимальная утрата пластичности; по сути, это твердые растворы с разнымколичеством химического соединения;– титановые сплавы на основе химических соединений, обладают низкойплотностью, при конкретных температурных условиях конкурируют сжаропрочными никелевыми сплавами.Титан, как и ряд других металлов, является полиморфным, имеющимфазовое превращение при температуре 882°С.15Титан [22, 23, 25, 39] обладает двумя отличными друг от другааллотропическимипревращениямодификациями.титанимеетТак,дотемпературыгексагональнуюфазовогоплотноупакованнуюкристаллическую решетку, период которой а = 0.29503 нм и с = 0.48631 нм (с/а= 1.5873); при более высоких температурах он кристаллизуется в объемноцентрированной кристаллической решетке (ОЦК) с периодом а = 0.33132 нм(при 900°С).

Важно также привести количественное значение основныххарактеристик: плотность α – титана равна 4.505 г/см3, β – титана притемпературе в 900°С – 4.32 г/см3. Коэффициент линейного расширения титанав интервале 20 – 100°С составляет 8.3–10–6 ºС–1, теплопроводность при 50°Сравна 15.4 Вт/(м•К).Вотожженномсостоянииобемодификациититанаобладаютполиэдрической структурой. Высокая скорость охлаждения в результатезакалки или после отливки формы дает эффект игольчатого строения с α –фазой, которая отличается искаженной ГЦК структурой и напоминаетмартенсит в сталях [3, 78].Титановые сплавы подразделяются также по микроструктуре, котораяобразуется после режимов деформирования и термообработки. Таким образом,различают α, β и (α + β)-сплавы (с различным отношением α- и β-фаз) [44].Упрочнениетитанапроисходитчерезлегированиеα-иβ-стабилизирующими элементами с существенным изменением температурыполиморфного превращения, а также посредством термической обработкидвухфазных (α + β)-сплавов.

При этом отличие α-сплавов заключается вхорошей пластичности; как правило, отсутствует склонность к старению, (α +β)- и β-сплавы, напротив, обладают низкой пластичностью и подвержены вбольшинстве своем старению [25, 93].Повысить стабильность α-фазы титана способны такие элементы, какалюминий, в меньшей степени олово и цирконий (Al, Ga, La, Се, О, С, N).Ключевое преимущество сплавов α-класса заключается в их отличнойсвариваемости.16Легирующие примеси, повышающие стабильность β-фазы можно разбитьна две подгруппы: β-эвтектоидные стабилизаторы, в которых в качествелегирующих элементов применяются хром, марганец, никель, железо, свинец,образующие при низкой температуре эвтектоидный распад; и изоморфные βстабилизаторы, в которых в качестве легирующих элементов используютсявольфрам, ванадий, молибден и др.(Рисунок 1.1) [3, 78].Рисунок 1.1 – Зависимость температуры мартенситного превращения от легирующихэлементов по Гуляеву А.П.

[30]Титановые сплавы также можно разделить по группам в зависимости отвеличины условного коэффициента стабилизации Кβ. Данный коэффициентпредставляет собой отношение содержания β-стабилизирующего легирующегоэлемента к его содержанию в сплаве критического состава. Если в сплавесодержится несколько β-стабилизирующих элементов, их Кβ суммируются [48,49, 50, 99].Отличительной чертой двухфазных (α + β)-сплавов является способностьктермическомустарением,чтоупрочнению(термическойобеспечиваетполучениепрочности и жаростойкости [108, 109].обработкеповышенныхзакалкойи/иликоэффициентов17Основнымпреимуществомтитановыхсплавоввсравнениисалюминиесодержащими и магниевыми сплавами является жаропрочность,которая и обеспечивает компенсацию разницы в плотности. При температуревыше 300°С прочность алюминиевых и магниевых сплавов резко снижается, вто время как прочность титановых сплавов остается стабильно высокой [108,110].Титановыесплавыобладаютвысокойкоррозионнойстойкостьювследствие образования на поверхности детали стойкой пассивной оксиднойпленки TiO2, прочно покрывающей основной металл.

Оксидная пленка наматериале образуется при окислении на воздухе, толщина оксидной пленки,образующейся на титане после продолжительного нахождения на воздухе,обычно составляет 4-6 нм [23, 28, 93].Титанититановыетруднообрабатываемыхсплавыматериалов.ПрипринадлежатксравненииVIIгруппезначенийпределапрочности и твердости НВ титановых сплавов и Ст.45 можно сделать вывод,что данные механические характеристики приближены по значениям приобычной температуре и отсутствии деформации (упрочнения), вследствие чеготруднообрабатываемостьданныхматериаловопределяетсядругимимеханическими, а также теплофизическими характеристиками, определяющимиих как в исходном, так и в упрочненном состоянии [95, 99].Возникновениепримеханическойобработкевысокихусилийикритических температур в зоне резания является основной причинойтруднообрабатываемости сплавов на основе титана.

Основными проблемамипри обработке титана являются значительная склонность его к налипанию изадиранию, низкая теплопроводность, а также то обстоятельство, чтопрактически все металлы и огнеупоры растворяются в титане. Налипание иприваривание титана на контактируемые поверхности лезвийного инструментаприводят к изменению геометрических параметров вершины режущей кромки.Такая обработка вызывает быстрый износ резца [29, 42, 109].18В ряде случаев при механической обработке данные особенности металлаиегосплавовнедопускаютиспользованияопределенныхвидовтвердосплавных инструментов и технологических операций, подвергающихобработанную поверхность дополнительным усилиям трения. Во избежаниевозникновения шаржирования поверхностного слоя и дополнительного наклепапосле механическойобработкиданныхматериалов, учитываяслабуютеплопроводность и весьма малый отвод тепла из зоны обработки, применяютдостаточно низкую скорость резания и отказываются от ряда финишныхопераций.Отличноразвитаяособомелкозернистыхтехнологияполученияинструментальныхмелкозернистыхикарбида-вольфрамовыхтвердосплавов позволяет улучшать качество обработки материала.

Благодарясвоей особомелкозернистой и плотной структуре и, соответственно, высокойударной вязкости, такие сплавы могут использоваться для механическойобработки титановых сплавов. Процесс спекания в последующем шлифованиитаких твердосплавов позволяет получить отличительно малые радиусыскруглений режущей кромки. Это, в свою очередь, улучшает качествообработанной поверхности и размерной точности изделия [26, 106].Изменениявгеометрическихпараметрахрежущегоинструментаповышают усилия при обработке и температуры в зоне резания. Этовпоследствии увеличивает скорость износа инструмента, от которого зависитво многом формируемая шероховатость поверхностного слоя и точность формыдетали. При этом повышение температуры в зоне резания увеличивается вместесо скоростью резания и, в меньшей степени зависит от увеличения подачи.Глубина резания обладает меньшим значением в сравнении со скоростьюрезания и подачей [4, 7].

В процессе обработки около 85…90% превращается втепловуюэнергию,котораяоказываетнепосредственноевлияниенаизносостойкость инструмента и, соответственно, на степень шероховатостиобработанных поверхностей. Поэтому одной из главных задач в современном19машиностроении является обеспечение заданных показателей качества иточности формы изделия из титановых сплавов [26].1.2 Показатели качества механической обработки деталей типа «телвращения» из титановых сплавовТребуемые условия и показатели эксплуатации изделий невозможноотделитьоттребованийтехнологическогопроцесса,когдалезвийнойобработкой достигаются требуемые показатели качества и точности изделия.Силы резания в условиях упругой технологической системы вызываютпогрешности размеров и формы поверхностного слоя изделия [9, 21].Механическая обработка приводит к пластическим деформациям наповерхности заготовки, вследствие чего повышается твердость и возникаютвнутренние остаточные напряжения, а вместе с тем, образуется наклеп наповерхностном слое обработанной поверхности.