Особенности механической обработки титановых сплавов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 9 ноября, печатный экземпляр отправим 13 ноября.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №39 (381) сентябрь 2021 г.

Дата публикации: 24.09.2021

Статья просмотрена: 1835 раз

Библиографическое описание:

Багаутдинов, Р. Р. Особенности механической обработки титановых сплавов / Р. Р. Багаутдинов, И. В. Макаров, Г. И. Бабина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 39 (381). — С. 8-11. — URL: https://moluch.ru/archive/381/84202/ (дата обращения: 01.11.2024).



Выявлены факторы, влияющие на эффективность обработки титановых сплавов. Рассмотрено влияние физико-механических свойств и условий резания на обработку и точность деталей из титановых сплавов.

Ключевые слова: титановые сплавы, свойства, полиморфизм, прочность, процесс резания, точность и качество обработки.

Благодаря хорошим механическим и технологическим свойствам титановые сплавы нашли широкое применение в авиационной промышленности. Среди этих свойств, следует выделить малую плотность, высокую удельную плотность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением, свариваемость, немагнитность и т. д. Сравнение физико-механических свойств титана с алюминием и железом представлено в табл. 1.

На механические свойства титана существенно влияют легирующие элементы и методы термической обработки. На формирование структуры и свойств титановых сплавов оказывает его полиморфизм. До температуры 882,5 ˚С титан обладает ГПУ-структурой (α-фаза), выше 882,5 ˚С и до температуры плавления — ОЦК-структурой (β-фаза).

Таблица 1

Сравнение физико-механических свойств титана с железом и алюминием

Свойства металлов

Титан

Алюминий

Железо

Плотность, кг / м 3

4540

2698

7874

Температура плавления, Т пл , о С

1665

1535

660

Коэффициент линейного расширения α ∙ 10– 6 град -1

8,9

24,6

14,8

Теплопроводность λ, Вт / (м ∙ град)

16,76

238

72,4

Предел прочности при растяжении, σ в , МПа

300–450

130–160

200–300

Условный предел текучести, σ -0,2 , МПа

25–380

50–120

190

Модуль упругости, E, ГПа

103

70,6

200

Твердость, НВ

130–150

25–35

70–80

Физико-механические свойства основных марок титановых сплавов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические свойства основных марок титановых сплавов

Марка сплава

Класс по структуре

σ в , МПа

δ, % не менее

KCU , Дж/см 2 , не менее

Термообра-ботка

Область применения

Технический титан ВТ1–0

α

390–540

20

100

Отжиг

Химическая промышленность, криогенные установки

ВТ5

α

700–950

10

50

Детали для работы при криогенных и повышенных температурах до 450˚С

ВТ5–1

α

750–950

10

40

ОТ4

Псевдо α — сплав

700–900

12

40

ВТ6

(α+β) — сплав мартенсит-ного класса

1100–1150

14

40

Отжиг, закалка, старение

Сварные конструкции для длительной работы и повышенных температурах до 400˚С, кратковременно до 750˚С

ВТ14

1150–1400

6

50

ВТ16

1150–1250

4

-

ВТ22

(α+β) — сплав переходного класса

1100–1500

9

-

Детали работающие при 500˚С

ВТ15

Псевдо β — сплавы

1300–1800

4

-

Детали длительной работы до 350 ˚С, кратковременно до 750˚С

Титановые сплавы имеют хорошую пластичность и свариваемость, но, несмотря на эти свойства, возникают трудности при их механической обработке. Прежде всего, это связано с прочностными характеристиками, до недавнего времени не представлялось возможным обрабатывать титановые сплавы на универсальных станках. При обработке титановых сплавов инструмент быстро изнашивается, практикой установлено, что при обработке фрезами из быстрорежущей стали период стойкости в среднем составляет 5–10 минут, далее инструмент меняется и отправляется на переточку. С появлением режущего инструмента с многослойными износостойкими покрытиями период стойкости увеличивается.

К основным сложностям при обработке титана можно отнести:

— адгезионный износ режущей части инструмента из-за чрезмерного выделения теплоты в зоне резания;

— плохая теплопередача и замедленная теплоотдача из-за низкой теплопроводности титановых сплавов, вследствие чего режущая часть испытывает колоссальную тепловую нагрузку;

— ухудшение точности обработки и качества обрабатываемой поверхности из-за вибрации, вызванные низким модулем упругости [1].

В табл.3 представлены средние показатели обрабатываемости титановых сплавов по сравнению с другими основными группами конструкционных материалов.

Таблица 3

Обрабатываемость титана в сравнении с другими конструкционными материалами (средние показатели)

Материал

Группы по ISO

Обрабатываемость, %

Нелегированная легкообрабатываемая сталь

Р

100

Низколегированная отожженная сталь

60

Высоколегированная отожженная сталь

50

Аустенитная нержавеющая отожженная сталь

М

40

Коммерчески чистый титан

S

43

Титан Ti-6Al-4V, отожженный

25

Обрабатываемость титановых сплавов варьируется в зависимости от класса по структуре (рис.1). Наиболее труднообрабатываемыми считаются титановые сплавы с β — фазой, присутствие такой структуры повышает прочность, что приводит к увеличению силы резания при резании.

Обрабатываемость титановых сплавов

Рис. 1. Обрабатываемость титановых сплавов

Также определяющую роль в эффективность процесса резания оказывает геометрия режущей части инструмента. К примеру, рассмотрим влияние дуги контакта фрезы и угла зацепления на процесс резания титана (рис.2).

Дуга контакта и угол зацепления

Рис. 2. Дуга контакта и угол зацепления

При обработке фреза контактирует по дуге, величина который определяется углом зацепления. Уменьшение этого угла ведет к уменьшению толщины срезаемого слоя и величины дуги контакта, за счет этого сокращается тепловая нагрузка на зуб фрезы. За счет этого режущая кромка меньше времени находится в контакте с обрабатываемой поверхностью и появляется больше времени на его охлаждение. В результате чего можно повысить скорость резания. От правильной стратегии резания во многом будет зависеть эффективность процесса резания этих сплавов. Современные САD/CAM/САЕ системы позволяют создавать оптимальные траекторий обработки с постоянным углом зацепления, моделировать воздействие высоких энергии на эксплуатационные свойства инструмента [2].

Не все факторы, влияющие, на эффективность процесса резания титановых сплавов на сегодняшний день изучены. Учитывая вышесказанное в статье, можно сделать следующие выводы:

— при обработке титановых сплавов нужно учитывать их физико-механические свойства, свойства структуры, вызванные полиморфными превращениями;

— для обеспечения точности и качества обрабатывающей поверхности следует обеспечить жесткость технологической системы во избежание вибрации;

— в целях повышения производительности обработки: выбрать оптимальную стратегию обработки; использовать режущий инструмент с соответствующими свойствами и геометрией; назначить оптимальные режимы резания.

Литература:

  1. Илларионов, А. Г. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов: учебное пособие / А. Г. Илларионов, А. А. Попов. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014–137 с.
  2. Справочное руководство ISCAR. Обработка титана // — URL: https://www.iscar.ru (дата обращения: 23.09.2021).
Основные термины (генерируются автоматически): сплав, угол зацепления, свойство, эффективность процесса резания, CAM, ISO, KCU, длительная работа, модуль упругости, физико-механическое свойство титана.


Ключевые слова

полиморфизм, прочность, свойства, титановые сплавы, процесс резания, точность и качество обработки

Похожие статьи

Общие рекомендации по выбору режимов резания при обработке титановых сплавов

В статье рассмотрено влияние механических свойств титана на работоспособность режущего инструмента, приведены общие рекомендации по выбору режимов резания титановых сплавов.

Определение износостойкости титанового образца в условиях абразивного износа, упрочненного электромеханической поверхностной закалкой с последующей ультразвуковой обработкой

В этой статье представлены результаты стендовых испытаний износостойкости титанового сплава, упрочненного электромеханической поверхностной закалкой с последующей ультразвуковой обработкой.

Исследование поверхности наплавленного металла

В работе были освещены основные виды наплавки и предъявляемые к ним требования. Провели макро и микроструктурный анализ поверхности наплавленного металла.

Исследование возможности использования электроэрозионных методов для ремонта и упрочнения штамповой оснастки

Описан простой и доступный способ восстановления и упрочнения изношенных инструментов, штамповой оснастки и деталей, который основан на явлении электрической эрозии металлов при прохождении между ними электрических разрядов.

Оборудование и технология электродиффузионной термообработки полых деталей

Рассмотрена технология и оборудование для электродиффузионной термообработки полых стальных деталей. Показано повышение микротвердости и увеличение толщины упрочненного слоя на внутренней рабочей поверхности изделий.

Восстановление металлизацией деталей транспортно-технологических машин и комплексов

Раскрывается сущность металлизации восстанавливаемых поверхностей деталей машин. Приведена классификация металлизации, методика нанесения и основные технологические аспекты. Приведены достоинства и недостатки каждого способа металлизации.

Теоретические основы повышения стойкости режущего инструмента за счет диффузионной металлизации

Применение износостойких покрытий и новых инструментальных материалов повышает стойкость инструмента в два и более раз, что положительно сказывается на производительности и себестоимости лезвийной обработки. Проведен анализ влияния нанесения покрытий...

Применение композиционных полимерных материалов на основе углерода в химическом машиностроении

В статье авторы исследования пытаются найти закономерность влияния химического состава антифрикционного материала на основе углерода на его износостойкость в паре со сталью.

Современная технология нанесения антифрикционных покрытий

Рассмотрен способ получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. В результате предлагаемой технологии повышается работоспособность деталей, сокращается период приработки и уменьшается...

Влияние непрерывной лазерной обработки на изменение структуры и свойств титановых сплавов

Статья посвящена упрочнению технически чистого титана ВТ1–0 при различных режимах непрерывной лазерной обработки.

Похожие статьи

Общие рекомендации по выбору режимов резания при обработке титановых сплавов

В статье рассмотрено влияние механических свойств титана на работоспособность режущего инструмента, приведены общие рекомендации по выбору режимов резания титановых сплавов.

Определение износостойкости титанового образца в условиях абразивного износа, упрочненного электромеханической поверхностной закалкой с последующей ультразвуковой обработкой

В этой статье представлены результаты стендовых испытаний износостойкости титанового сплава, упрочненного электромеханической поверхностной закалкой с последующей ультразвуковой обработкой.

Исследование поверхности наплавленного металла

В работе были освещены основные виды наплавки и предъявляемые к ним требования. Провели макро и микроструктурный анализ поверхности наплавленного металла.

Исследование возможности использования электроэрозионных методов для ремонта и упрочнения штамповой оснастки

Описан простой и доступный способ восстановления и упрочнения изношенных инструментов, штамповой оснастки и деталей, который основан на явлении электрической эрозии металлов при прохождении между ними электрических разрядов.

Оборудование и технология электродиффузионной термообработки полых деталей

Рассмотрена технология и оборудование для электродиффузионной термообработки полых стальных деталей. Показано повышение микротвердости и увеличение толщины упрочненного слоя на внутренней рабочей поверхности изделий.

Восстановление металлизацией деталей транспортно-технологических машин и комплексов

Раскрывается сущность металлизации восстанавливаемых поверхностей деталей машин. Приведена классификация металлизации, методика нанесения и основные технологические аспекты. Приведены достоинства и недостатки каждого способа металлизации.

Теоретические основы повышения стойкости режущего инструмента за счет диффузионной металлизации

Применение износостойких покрытий и новых инструментальных материалов повышает стойкость инструмента в два и более раз, что положительно сказывается на производительности и себестоимости лезвийной обработки. Проведен анализ влияния нанесения покрытий...

Применение композиционных полимерных материалов на основе углерода в химическом машиностроении

В статье авторы исследования пытаются найти закономерность влияния химического состава антифрикционного материала на основе углерода на его износостойкость в паре со сталью.

Современная технология нанесения антифрикционных покрытий

Рассмотрен способ получения антифрикционных покрытий и упрочнения деталей цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания. В результате предлагаемой технологии повышается работоспособность деталей, сокращается период приработки и уменьшается...

Влияние непрерывной лазерной обработки на изменение структуры и свойств титановых сплавов

Статья посвящена упрочнению технически чистого титана ВТ1–0 при различных режимах непрерывной лазерной обработки.

Задать вопрос