Анализа процеса обраде легуре титанијума на основу карактеристика обраде, алата, фиксирања и параметара сечења, са уводом у технике контроле интегритета површине
Виши инжењер Хуанг Кианг
1. Увод
Последњих година, потражња за легурама титанијума у индустрији производње ваздухопловства значајно је порасла. Легуре титанијума се широко користе у великим авионима. Као одличан производни материјал за авионе и моторе, легуре титанијума имају високу структурну чврстоћу, малу тежину и добру отпорност на корозију. Обрадивост материјала од легура титанијума често доводи до лошег површинског интегритета радног предмета након машинске обраде. У наставку су представљене методе машинске обраде и технологије контроле површинског интегритета легура титанијума у ваздухопловству са аспекта машинских карактеристика, алата за сечење, избора учвршћења и параметара сечења.
2. Карактеристике и примена легура титанијума
У ваздухопловној индустрији, легуре титанијума се углавном користе за производњу компоненти као што су дискови компресора мотора, шупље лопатице вентилатора, турбински дискови и шкољке кућишта, као и структурни делови као што су стајни трап великих авиона, спољни делови крила, облоге трупа, врата, хидраулички системи и задњи делови трупа. Тренутно је удео употребе легура титанијума у ваздухопловној индустрији повећан са 6% на преко 15%. Боинг 777 користи делове од легура титанијума од 7%–9%; да би се постигла смањење потрошње горива од 20%, око 2 милијарде РМБ је уложено у развој Боинга 787 посебно за истраживање замене легура алуминијума легурама титанијума у одређеним деловима авиона, што је резултирало садржајем легуре титанијума од 15% у оквиру авиона Боеинг 787. У домаћим пројектима великих авиона, употреба легура титанијума је постепено порасла са 4,8% у регионалном авиону АРЈ21 на преко 9% у трупу Ц919.
Захтеви за структурном лаганом тежином и високом чврстоћом у области ваздухопловства чине да се све више ослања на легуре титанијума. На основу чврстоће и перформанси на високим{1}}температурама, легуре титанијума се могу класификовати на легуре титанијума, легуре титанијума, + легуре титанијума и интерметална једињења титанијума-алуминијума, међу којима су легуре + титанијума (као што је Ти6Ал4В) најшире коришћене. легуре титанијума имају добру термичку заварљивост и јаку отпорност на оксидацију, али просечну жилавост; легуре титанијума имају бољу способност ковања, хладно обликовање и способност јачања термичке обраде; + легуре титанијума поседују добру жилавост, заварљиве су и могу се ојачати топлотном обрадом и имају добру отпорност на замор.
Састав материјала Ти6Ал4В углавном укључује Ти, Ал, В, Фе, О, Ц, Си, Цу и мале количине Н, Х, Б и И. Титанијумске легуре имају одлична свеобухватна механичка својства, ниску густину и добру отпорност на корозију. Као материјал од легуре високе{4}}врсте, континуирано се промовишу за употребу у авио-моторима и ваздухопловној индустрији. Међутим, високе температуре и велике силе резања током машинске обраде легура титанијума доводе до озбиљног очвршћавања на обрађеној површини, погоршавајући хабање алата и резултирајући лошом обрадивости. Ови фактори су штетни за постизање доброг квалитета површине и утичу на радни век компоненти легуре титанијума и перформансе мотора. У наставку, користећи Ти6Ал4В као предмет истраживања и комбинујући искуство стечено у производној пракси, представљене су перформансе сечења, методе обраде и технике површинске инспекције делова од легуре титанијума.
3. Методе обраде легуре титанијума
3.1 Избор алата
Материјали алата за машинску обраду титанијумских легура треба да имају карактеристике као што су добра жилавост, врућа тврдоћа, расипање топлоте и отпорност на хабање. Поред тога, алати треба да испуњавају захтеве као што су оштре резне ивице и глатка површина. Када се обрађују материјали од легура титанијума, пожељни су карбидни алати са добром топлотном проводљивошћу и високом чврстоћом, који имају мали нагибни угао и велики угао рељефа. Да би се спречило ломљење и ломљење врха алата, резна ивица на врху треба да има заобљен прелаз. Резна ивица треба да буде оштра током обраде како би се олакшало благовремено уклањање струготине и избегло приањање струготине.
Приликом обраде легура титанијума, да би се спречиле реакције афинитета између подлоге/превлаке алата и легуре титанијума, које би убрзале хабање алата, генерално се избегавају алати за премазивање на бази титанијума{0}}који садрже карбиде и титанијум{1}}. Године производне праксе су откриле да иако су карбидни алати који садрже титан-склони пријањању и хабању, они поседују одличну способност против-дифузије хабања, посебно током сечења великом{5}}брзином, где су њихове перформансе знатно боље од карбидних алата типа ИГ-.
Највећи светски произвођачи алата представили су уметке за сечење посебно за машинску обраду делова од легуре титанијума. Континуирана побољшања у материјалима алата и материјала за премазивање побољшала су ефикасност резања материјала од легура титанијума и промовисала развој индустрије легура титанијума. На пример, ИСЦАР-ови ИЦ20 уметци, са оштрим резним ивицама, погодни су за завршну обраду предмета од легуре титанијума. Његови ИЦ907 уметци ефикасно побољшавају отпорност на хабање, погодни за грубу и полу{5}}завршну обраду. СЕЦО-ови ЦП200 и ЦП500 за машинску обраду легура титанијума су високо{9}}тврдоће, ултра-материјали за уметање финог зрна који користе технологију физичког таложења паром (ПВД). Валтер-ови ВСМ30, ВСМ20 и ВАМ20, користећи ТиЦН, ТиАлН, ТиН и Ал₂О₃ премазе, нуде јаку отпорност на деформације и хабање. Обично коришћени алати и премази за машинску обраду легура титанијума приказани су у табели 1.
Према статистичким подацима, сектор производње ваздухопловства се у великој мери ослања на увезене алате, а зависност је још већа за-машинске- материјале као што су легуре титанијума. Стога је промовисање развоја и примене домаћих алата и материјала за облагање ефикасан начин да се суштински реши проблем машинске обраде легуре титанијума у Кини.
3.2 Хабање алата и решења
Приликом машинске обраде легура титанијума при великим брзинама резања и великим дубинама сечења, хабање кратера (истрошење бочног дела) формира се на грабуљастој површини на тачки највише температуре резања, са јасно израженим земљиштем између кратера и резне ивице. Ширина и дубина кратера се постепено повећавају како хабање напредује, смањујући крутост резне ивице, што може довести до ломљења ако се алат настави да се користи. Електронски микроснимци хабања уметка су приказани на слици 1.
а) Хабање кратера са појавом ломљења. б) Хабање бока
ц) Изграђена{0}}ивица
Током обраде легуре титанијума, озбиљно трење између уметка и радног комада узрокује хабање рељефне површине близу ивице сечења, формирајући мало хабање са нултим углом рељефа, познато као бочно хабање. Додатно, услед радног очвршћавања легура титанијума, дебљина сечења на носу алата на малој резној ивици постепено се смањује, што доводи до клизања резне ивице, што такође доводи до значајног хабања рељефа.
Након што дође до хабања алата, параметри сечења као што су брзина резања и брзина помака могу се подесити посматрањем морфологије и боје струготине, као и силе алатке машине, звука и вибрација, да би се контролисало абнормално трошење предњег дела. Коришћењем геометрија уметка са позитивним нагибним углом, избором материјала за уметке-отпорне на хабање или премаза, може се побољшати век трајања алата.
Изграђена{0}}ивица (БУЕ) је склона формирању током машинске обраде легуре титанијума. Када је БУЕ стабилан, може заштитити алат делујући као резна ивица. Међутим, када БУЕ порасте до одређене мере, његов врх се протеже даље од ивице сечења, повећавајући стварни радни угао грабуља. Акумулација и одвајање БУЕ директно утичу на тачност обраде. БУЕ фрагменти који се лепе на машински обрађену површину легуре титанијума формирају чврсте тачке и неравнине, утичући на квалитет површине. Неправилно осипање и регенерација БУЕ узрокују флуктуације у сили резања, што доводи до клепетања и утиче на век трајања алата. Уобичајене методе у производној пракси за смањење или избегавање формирања БУЕ у резању легуре титанијума укључују: повећање брзине резања, постепено повећање дубине реза до оптималне; коришћењем ПВД- материјала за уметање; коришћење-система за хлађење под високим притиском итд.
У операцијама сечења, због ниске пластичности легура титанијума, површина контакта између струготине и грабљиве површине је мала, а хабање алата се углавном јавља на грабуљастој страни алата за стругање. Стога, резне уметке треба изабрати са малим нагибним углом, обично од 0 степени до 5 степени. Мали нагибни угао ефективно повећава контактну површину између струготине и грабљиве површине, помажући да се расипа топлота концентрисана близу ивице сечења. Избор угла растерећења од 5 степени до 10 степени може смањити трење између алата и дела. Одабиром комбинације контактне површине у облику слова В између базе уметка и држача алата, робусног дизајна стезне структуре, може се ефикасно побољшати крутост стезања држача алата, елиминисати вибрације алата и побољшати квалитет површине обрађеног предмета од легуре титанијума.
3.3 Избор уређаја
Приликом позиционирања и стезања радних предмета од легуре титанијума, интеракција између силе стезања учвршћења и силе потпоре на радном предмету може изазвати деформацију напона у слободном стању. Отпор силе резања током обраде легуре титанијума је значајан, тако да процесни систем мора имати довољну крутост. Структуру позиционирања и димензије радног комада треба анализирати, бирајући стабилне и поуздане референтне тачке и додајући помоћне ослонце или коришћење преко-ограничења ако је потребно да би се повећала крутост дела. Пошто су легуре титанијума склоне деформацијама, сила стезања не би требало да буде превелика; може се користити момент кључ ако је потребно да се обезбеди стабилна сила стезања. Штавише, када користите прибор за позиционирање и стезање делова од легуре титанијума, обезбедите добро пристајање између површине за лоцирање учвршћивача и површине за лоцирање радног предмета и избалансирајте силу стезања уређаја са потпорном силом радног предмета. За релативно велике површине стезања, метод дистрибуираног стезања треба користити што је више могуће како би се избегла деформација узрокована концентрисаним притиском. Тачке стезања стезаљки треба да буду што је могуће ближе обрађеној површини радног предмета како би се смањиле вибрације настале током сечења легуре титанијума.
Употреба прибора, мерних алата или разних привремених алата који садрже олово, цинк, бакар, калај, кадмијум или метале ниске -тачке{1}} тачке топљења је строго забрањена за машинску обраду легура титанијума. Опрема, прибор и алати који се користе за легуру титанијума треба да буду чисти и незагађени. Радне предмете од легура титанијума треба одмах очистити након машинске обраде, а остаци олова, цинка, бакра, калаја, кадмијума, метала ниске{4}}тачке{5}}тачке итд., нису дозвољени на површинама од легура титанијума. При премештању и руковању радним предметима од легуре титанијума треба користити посебне контејнере за трансфер како би се избегло њихово мешање и складиштење са радним комадима од других материјала. Када прегледате и чистите фино обрађене површине од легуре титанијума, носите чисте рукавице да бисте спречили контаминацију уљем и отиске прстију, који би могли да доведу до пуцања корозије под напрезањем и да утичу на перформансе рада радног предмета од легуре титанијума.
3.4 Параметри сечења
Главни параметри сечења за легуре титанијума су брзина резања, брзина помака и дубина резања, при чему је брзина резања примарни фактор који утиче на њихову обрадивост. Упоредни тестови између резања са константном брзином ротације и сечења са константном брзином површине радних комада од легуре титанијума показују да је сечење са константном брзином ротације лошије од резања са константном брзином површине. Када је брзина резања вц=60 м/мин, брзина ф=0.127 мм/обр. и дубина резања ап=0.05–0,1 мм за легуре титанијума, очврсли слој се ретко налази на површини легуре титанијума.
Пошто се очврсли слој углавном појављује на површини радног предмета након завршне обраде, дубина реза током завршне обраде не би требало да буде превелика, иначе ће створити значајну топлоту резања. Акумулација топлоте резања може изазвати промене у металографској структури површине легуре титанијума, лако стварајући очврсли слој на површини дела. Претерано мала дубина реза може изазвати трење и истискивање на површини радног предмета, што доводи до очвршћавања при раду. Због тога, током машинске обраде предмета од легуре титанијума, дубина реза за завршну обраду мора бити већа од величине брушења алата (припрема ивице).
Избор брзине напајања за легуре титанијума треба да буде умерен. Ако је брзина помака премала, алат сече унутар очврслог слоја током обраде, што доводи до бржег хабања. Брзина помака се може изабрати на основу различитих полупречника врха алата. Завршна обрада генерално бира мању брзину помака јер велика брзина помака повећава силу резања, узрокујући да се алат загрева и савија или се љуска. У табели 2 приказани су уобичајени параметри за сечење легура титанијума са различитим типовима и материјалима алата.
3.5 Систем хлађења
Захтев за течност за сечење у резању легуре титанијума је мало замагљивања. Алати за хлађење-треба изабрати за машинску обраду легуре титанијума,配合机床高压泵,冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Па (приближно 60–150 бара). Коришћење алата за хлађење под високим-притиском за обраду легура титанијума може повећати брзину сечења за 2–3 пута, продужити век трајања алата и побољшати морфологију струготине од легуре титанијума. Приликом наношења течности за сечење током обраде легуре титанијума, сила резања је смањена за 5%–15% у поређењу са сувим сечењем легуре титанијума, радијална сила је смањена за 10%–15%, температура сечења је смањена за 5%–10%, а морфологија површине обрађене легуре титанијума је боља са мањим квалитетом површине, а што је већа површина.
Тренутно коришћена хемијска емулзија Трим Е206, помешана од 8% концентрата и 92% чисте воде, са концентрацијом од 7%–9%, постиже добре резултате обраде у обради материјала од легуре титанијума и може се користити у операцијама стругања, глодања и брушења. Трим Е206 садржи специјалне адитиве који ефикасно контролишу формирање-ивице. Течност за сечење садржи сићушне емулговане молекуле, побољшавајући стабилност течности за сечење и смањујући одношење-током машинске обраде, што олакшава да течност за сечење уђе у зону сечења. Поред тога, Трим Е206 има јаку отпорност на контаминацију уља, а остаци из течности за сечење су лако растворљиви у води и радној течности, помажући да се одржи чистоћа опреме и површина обрађених делова.
4. Површински интегритет легуре титанијума
4.1 Инспекција микроструктуре отковака од легуре титанијума
Инспекција микроструктуре легуре титанијума укључује испитивање површине угравираног дела легуре титанијума под електронским микроскопом да би се уочиле морфолошке карактеристике, дистрибуција, итд., микроструктуре материјала, која се користи за проверу да ли је металографска структура легуре титанијума у складу са релевантним стандардима и спецификацијама цртежа. Кораци за инспекцију микроструктуре отковака од легуре титанијума су: груба обрада отковака → полирање површине → површинско јеткање → чишћење → сушење → микроскопска контрола. Микроскопски преглед легуре титанијума Ти6Ал4В приказан је на слици 2.
а) Површинско полирање б) Површинско јеткање
ц) Испирање водом д) Микроскопски преглед
Сврха грубе обраде ковања је потпуно уклањање кућишта. Површина легуре титанијума је полирана коришћењем алуминијумског брусног папира са гранулацијом 400#–800#, а храпавост површине мора да достигне Ра=0.025 μм или виши захтев. За јеткање се користи Кролов реагенс, припремљен као водени раствор 2% ХФ, 4% ХНО3. Одговарајућа количина Кролловог реагенса се наноси на полирану површину легуре титанијума док се не добије жељена бистра структура, затим се испере у води и осуши. За преглед површине легуре титанијума користи се ручни електронски микроскоп. Структура треба да садржи 10%–50% примарних. Микроструктурна морфологија легуре титанијума Ти6Ал4В приказана на слици 3 представља квалификовану металографску структуру.
а) Примарна у -трансформисаној матрици б) Дисконтинуирана на границама зрна
в) Ламеларно у зрну
4.2 Инспекција корозије са плавом анодизацијом за легуре титанијума
Током обраде легуре титанијума, када дође до хабања бочне стране алата, отпорност алата на ударце постепено се смањује, што доводи до очвршћавања на обрађеној површини легуре титанијума услед екструзије и прегревања. Метода плаве анодизирајуће корозије се обично користи за откривање очвршћавања и других недостатака. Површина радног предмета од легуре титанијума након плаве анодизирајуће корозије је приказана на слици 4. Након -растварања радног предмета од анодизоване легуре титанијума, боја квалификованог оксидног филма треба да буде једнолична светлоплава (видети слику 4а). Радни{6}}обрадни предмети од легуре титанијума, након инспекције корозије, показују тамноплаву површину (видети слику 4б) или локализоване тамније области (види слику 4ц), са неуједначеном дистрибуцијом боје у различитим областима.
а) Уједначена светлоплава б) Тамноплава ц) Локализована тамноплава
Након плаве анодизирајуће корозије, за делове који показују радно очвршћавање, методе као што су подешавање материјала резног алата, премазивање и углови сечења за машинску обраду легуре титанијума, оптимизација путање алата и параметара сечења, могу се користити за контролу и елиминисање радног очвршћавања.
4.3 Површинска обрада легура титанијума
Да бисте уклонили површинске дефекте са дискова компресора од легуре титанијума, главчине, импелера, вратила и одстојника ротора и побољшали радни век делова, након завршетка свих операција механичке обраде на радном комаду легуре титанијума, за завршну обраду површине може се користити ручна завршна обрада клапних дискова. Завршна обрада плочастих дискова захтева употребу алата за завршну обраду приказаних на слици 5: ротациони ваздушни алат (брзина 18.000 о/мин), трн за полирање и абразивна крпа од алуминијума или силицијум карбида (спецификација 10 мм × 20 мм, гранулација 120 #).
а) Ротациони ваздушни алат б) Трн за полирање ц) Абразивна крпа
Завршна обрада унутрашњег жлеба радног предмета од легуре титанијума је приказана на слици 6. Да би се постигли добри резултати завршне обраде, могу се користити следеће методе:
Пресавијте абразивну крпу од алуминијума по дужини и чврсто је уметните у отвор за стезање на предњем крају трна за полирање. Затегните га у правцу супротном од смера ротације трна. Замените нову абразивну крпу након завршетка сваке површине радног комада (погледајте слику 6а).
Ротирајућа абразивна тканина треба да се кретала преко површине легуре титанијума један или два циклуса, сваки циклус траје 10-30 секунди, са повратном брзином од око 1,57 мм/с (види слику 6б).
Приликом завршне обраде различитих површина радног предмета од легуре титанијума, мењајте абразивну крпу између циклуса. Током ручне завршне обраде, користите одговарајући кључ за заустављање или механички граничник дубине да бисте контролисали пролаз ротирајуће абразивне тканине.а) Уградња абразивне тканине б) Ротационо полирање
5. Закључак
Легура титанијума је типичан материјал који се-тешко-маши. Због великих сила резања, високих температура резања и јаког хабања алата током обраде, одабир разумних материјала алата и геометрије уметка је примарни изазов у машинској обради легуре титанијума. Алати од карбида који садрже ти-имају добре перформансе против-дифузије хабања. Током сечења, на површини алата се формира стабилан адхезиони слој легуре титанијума, који може да спречи хабање. Са развојем домаћих алата, ефикасност обраде легура титанијума се постепено побољшавала, штедећи трошкове обраде и играјући позитивну улогу у реализацији укупне локализације мотора. У производној пракси, обрада легуре титанијума треба да се заснива на постојећим условима предузећа у погледу технологије, опреме, управљања и трошкова. Треба изабрати разумне уређаје за позиционирање, а параметре резања треба оптимизовати коришћењем информационе платформе за податке предузећа, постепено удаљавајући се од опсежног концепта машинске обраде одабира параметара заснованих искључиво на искуству и аналогији.
Спровођењем контроле микроструктуре на отковцима од легуре титанијума, може се упоредити и проценити металографска структура грубо обрађене легуре титанијума. Завршна обрада може ефикасно уклонити машинску обраду и дефекте материјала на површини легуре титанијума, побољшавајући радни век радног комада. Инспекција корозије плавом анодизацијом може ефикасно да идентификује дефекте као што је отврдњавање при раду који се јављају током машинске обраде легуре титанијума. Ефикасна контрола површинског интегритета обрађене легуре титанијума је од великог значаја за стабилизацију квалитета обраде легуре титанијума и побољшање радног века радних предмета од легуре титанијума.
Овај чланак је објављен уОбрада метала (хладна обрада), Иссуе 7, 2021, стр. 1–5, аутора Хуанг Кианг-а из АЕЦЦ Кси'ан Аеро-Енгине Лтд., оригинално под називом „Методе обраде и технологија контроле интегритета површине за легуре титанијума у ваздухопловству“.
