Analiza obdelovalnih procesov titanovih zlitin na podlagi obdelovalnih karakteristik, orodij, pritrdilnih in rezalnih parametrov z uvodom v tehnike nadzora celovitosti površine
Višji inženir Huang Qiang
1. Uvod
V zadnjih letih se je povpraševanje po titanovih zlitinah v letalski industriji znatno povečalo. Titanove zlitine se pogosto uporabljajo v velikih letalih. Kot odličen proizvodni material za letala in motorje se titanove zlitine odlikujejo z visoko strukturno trdnostjo, majhno težo in dobro odpornostjo proti koroziji. Obdelovalnost materialov iz titanove zlitine pogosto povzroči slabo površinsko celovitost obdelovanca po obdelavi. Spodaj so predstavljene obdelovalne metode in tehnologije nadzora integritete površine za vesoljske titanove zlitine z vidika obdelovalnih lastnosti, rezalnih orodij, izbire pritrdilnih elementov in rezalnih parametrov.
2. Značilnosti in uporaba titanovih zlitin
V letalski industriji se titanove zlitine večinoma uporabljajo za izdelavo komponent, kot so diski kompresorja motorja, votle lopatice ventilatorja, diski turbin in ohišja, kot tudi strukturni deli, kot so podvozje velikih letal, zunanji deli kril, obloge trupa, vrata, hidravlični sistemi in zadnji deli trupa. Trenutno se je delež uporabe titanovih zlitin v letalski industriji povečal s 6 % na več kot 15 %. Boeing 777 uporablja 7–9 % dele iz titanove zlitine; da bi dosegli 20-odstotno zmanjšanje porabe goriva, je bilo v razvoj Boeinga 787 vloženih približno 2 milijardi RMB, posebej za raziskovanje zamenjave aluminijevih zlitin s titanovimi zlitinami v nekaterih delih letala, kar je povzročilo 15-odstotno vsebnost titanove zlitine v ogrodju letala Boeing 787. V domačih projektih velikih letal se je uporaba titanovih zlitin postopoma povečala s 4,8 % v regionalnem reaktivnem letalu ARJ21 na več kot 9 % v nosilcu trupa C919.
Zaradi zahtev po strukturni lahki teži in visoki trdnosti na področju letalstva se vse bolj zanaša na titanove zlitine. Glede na trdnost in visoko{1}}temperaturno učinkovitost lahko titanove zlitine razvrstimo v titanove zlitine, titanove zlitine, + titanove zlitine in titan-aluminijeve intermetalne spojine, med katerimi se najpogosteje uporabljajo + titanove zlitine (kot je Ti6Al4V). titanove zlitine imajo dobro toplotno varljivost in močno odpornost proti oksidaciji, vendar povprečno žilavost; titanove zlitine imajo boljšo kovljivost, hladno preoblikovanje in sposobnost utrjevanja s toplotno obdelavo; + titanove zlitine imajo dobro žilavost, so varljive in ojačene s toplotno obdelavo ter imajo dobro odpornost proti utrujenosti.
Materialna sestava Ti6Al4V vključuje predvsem Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu in majhne količine N, H, B in Y. Titanove zlitine imajo odlične celovite mehanske lastnosti, nizko gostoto in dobro odpornost proti koroziji. Ker gre za-zlitin z visoko trdnostjo, jih nenehno spodbujajo za uporabo v letalskih motorjih in letalski industriji. Vendar pa visoke temperature in visoke rezalne sile med obdelavo titanovih zlitin vodijo do hude delovne utrditve na obdelani površini, kar poslabša obrabo orodja in povzroči slabo obdelovalnost. Ti dejavniki škodijo doseganju dobre kakovosti površine in vplivajo na življenjsko dobo komponent iz titanove zlitine in zmogljivost motorja. Spodaj so z uporabo Ti6Al4V kot raziskovalnega predmeta in združevanjem izkušenj, nabranih v proizvodni praksi, predstavljeni rezalna zmogljivost, metode obdelave in tehnike površinske kontrole za dele iz titanove zlitine.
3. Metode obdelave titanove zlitine
3.1 Izbira orodja
Orodni materiali za obdelavo titanovih zlitin morajo imeti lastnosti, kot so dobra žilavost, vroča trdota, odvajanje toplote in odpornost proti obrabi. Poleg tega morajo orodja izpolnjevati zahteve, kot so ostri rezalni robovi in gladka površina. Pri obdelavi materialov iz titanovih zlitin so prednostna orodja iz karbidne trdine z dobro toplotno prevodnostjo in visoko trdnostjo, ki imajo majhen nagibni kot in velik reliefni kot. Da preprečite krušenje in zlom konice orodja, mora imeti rezalni rob na konici zaobljen prehod. Rezilo naj bo med obdelavo ostro, da se olajša pravočasno odstranjevanje odrezkov in prepreči oprijem odrezkov.
Pri strojni obdelavi titanovih zlitin se za preprečitev afinitetnih reakcij med podlago/prevleko orodja in titanovo zlitino, ki bi pospešile obrabo orodja, na splošno izogibamo karbidom, ki-vsebuje titan, in orodjem za prevleko-na osnovi titana. Dolgoletna proizvodna praksa je pokazala, da čeprav so orodja iz karbidne trdine, ki vsebujejo titan-, nagnjena k oprijemu in obrabi, imajo odlično zmožnost proti-difuzijske obrabe, zlasti med-hitrostnim rezanjem, kjer je njihova učinkovitost bistveno boljša od orodij iz karbidne trdine tipa YG-.
Večji svetovni proizvajalci orodij so predstavili rezalne ploščice posebej za obdelavo delov iz titanove zlitine. Nenehne izboljšave orodnih materialov in premaznih materialov so povečale učinkovitost rezanja materialov iz titanovih zlitin in spodbudile razvoj industrije titanovih zlitin. Na primer, ISCAR-jeve ploščice IC20 z ostrimi rezalnimi robovi so primerne za končno obdelavo obdelovancev iz titanove zlitine. Njegove ploščice IC907 učinkovito izboljšajo odpornost proti obrabi, primerne za grobo in pol-končno obdelavo. CP200 in CP500 podjetja SECO za strojno obdelavo titanovih zlitin sta materiala za vložek z visoko-trdoto, ultra-drobna zrna, ki uporabljata tehnologijo fizičnega naparjevanja (PVD). Walterjevi WSM30, WSM20 in WAM20, ki uporabljajo prevleke TiCN, TiAlN, TiN in Al₂O₃, nudijo močno odpornost proti deformacijam in obrabi. Običajno uporabljena orodja in premazi za strojno obdelavo titanovih zlitin so prikazani v tabeli 1.
Po statističnih podatkih je letalski proizvodni sektor v veliki meri odvisen od uvoženih orodij, odvisnost pa je še večja pri materialih,-{1}}ki jih je težko obdelati, kot so titanove zlitine. Zato je spodbujanje razvoja in uporabe domačih orodij in premaznih materialov učinkovit način za temeljno rešitev problema strojne obdelave titanovih zlitin na Kitajskem.
3.2 Obraba orodja in rešitve
Pri obdelavi titanovih zlitin pri visokih rezalnih hitrostih in velikih globinah reza nastane kraterska obraba (bočna obraba) na prečni ploskvi na točki najvišje rezalne temperature, z izrazito površino med kraterjem in rezalnim robom. Širina in globina kraterja se postopoma povečujeta z napredovanjem obrabe, kar zmanjšuje togost rezalnega roba, kar lahko vodi do odkruškov, če orodje še naprej uporabljate. Elektronske mikrografije obrabe ploščic so prikazane na sliki 1.
a) Obraba kraterja s pojavom odkruškov. b) Obraba boka
c) Zgrajen{0}}rob
Med strojno obdelavo titanove zlitine močno trenje med ploščico in obdelovancem povzroči obrabo reliefne ploskve blizu rezalnega roba, ki tvori majhno obrabno površino z ničelnim reliefnim kotom, znano kot bočna obraba. Poleg tega se zaradi delovnega utrjevanja titanovih zlitin debelina reza na konici orodja na manjšem rezalnem robu postopoma zmanjšuje, kar povzroči drsenje rezalnega roba, kar vodi tudi do znatne obrabe reliefne ploskve.
Ko pride do obrabe orodja, je mogoče rezalne parametre, kot sta rezalna hitrost in podajalna hitrost, prilagoditi z opazovanjem morfologije in barve odrezkov ter sile strojnega orodja, zvoka in vibracij, da se nadzoruje nenormalna obraba čelnega roba. Uporaba geometrije ploščic s pozitivnim nagnjenim kotom, izbira -materialov za ploščice ali premazov, odpornih proti obrabi, lahko podaljša življenjsko dobo orodja.
Vgrajen-rob (BUE) je nagnjen k oblikovanju med strojno obdelavo titanove zlitine. Ko je BUE stabilen, lahko zaščiti orodje tako, da deluje kot rezalni rob. Vendar, ko BUE zraste do določene mere, se njegov vrh razširi preko rezalnega roba, kar poveča dejanski delovni nagnjeni kot. Kopičenje in odvajanje BUE neposredno vpliva na natančnost obdelave. Drobci BUE, ki se držijo obdelane površine titanove zlitine, tvorijo trde lise in robove, kar vpliva na kakovost površine. Nepravilno odpadanje in regeneracija BUE povzročata nihanja rezalne sile, kar vodi do tresenja in vpliva na življenjsko dobo orodja. Običajne metode v proizvodni praksi za zmanjšanje ali preprečevanje tvorbe BUE pri rezanju titanove zlitine vključujejo: povečanje hitrosti rezanja, postopno povečevanje globine reza do optimalne; z uporabo materialov za vložke, prevlečenih s PVD-; uporaba visokotlačnih-hladilnih sistemov itd.
Pri rezanju je zaradi nizke plastičnosti titanovih zlitin kontaktna površina med odrezkom in nagnjeno ploskevjo majhna, obraba orodja pa se pojavi predvsem na nagnjeni ploskvi stružnega orodja. Zato je treba rezalne ploščice izbrati z majhnim nagnjenim kotom, običajno od 0 do 5 stopinj. Majhen nagibni kot učinkovito poveča kontaktno površino med odrezkom in nagnjeno ploskvijo, kar pomaga pri odvajanju toplote, koncentrirane v bližini rezalnega roba. Izbira razbremenilnega kota od 5 do 10 stopinj lahko zmanjša trenje med orodjem in delom. Izbira kombinacije kontaktne površine v obliki črke V med osnovo ploščice in držalom orodja, robustna zasnova vpenjalne strukture, lahko učinkovito izboljša togost vpenjanja držala orodja, odpravi vibracije orodja in izboljša kakovost površine strojno obdelanega obdelovanca iz titanove zlitine.
3.3 Izbira vpenjal
Pri pozicioniranju in vpenjanju obdelovancev iz titanove zlitine lahko interakcija med vpenjalno silo vpenjala in podporno silo na obdelovancu povzroči napetostno deformacijo v prostem stanju. Odpornost rezalne sile med obdelavo titanove zlitine je pomembna, zato mora imeti procesni sistem zadostno togost. Analizirati je treba strukturo pozicioniranja in dimenzije obdelovanca, izbrati stabilne in zanesljive izhodiščne točke ter dodati pomožne podpore ali po potrebi uporabiti omejitev nad-za povečanje togosti dela. Ker so titanove zlitine nagnjene k deformacijam, vpenjalna sila ne sme biti pretirana; Po potrebi lahko uporabite momentni ključ, da zagotovite stabilno vpenjalno silo. Poleg tega, ko uporabljate vpenjala za pozicioniranje in vpenjanje delov iz titanove zlitine, zagotovite dobro prileganje med namestitveno površino vpenjalnika in namestitveno površino obdelovanca ter uravnotežite vpenjalno silo vpenjala s podporno silo obdelovanca. Za sorazmerno velike vpenjalne površine je treba čim bolj uporabiti porazdeljeno vpenjalno metodo, da se izognemo deformacijam, ki jih povzroča koncentrirani pritisk. Vpenjalne točke vpenjalnih sponk morajo biti čim bližje obdelani površini obdelovanca, da se zmanjšajo vibracije, ki nastanejo med rezanjem titanove zlitine.
Uporaba vpenjal, merilnih orodij ali različnih začasnih orodij, ki vsebujejo svinec, cink, baker, kositer, kadmij ali kovine z nizkim -tališčem-, je za strojno obdelavo titanovih zlitin strogo prepovedana. Oprema, napeljave in orodja, ki se uporabljajo za titanove zlitine, morajo biti čisti in nekontaminirani. Obdelovance iz titanove zlitine je treba očistiti takoj po strojni obdelavi, ostanki svinca, cinka, bakra, kositra, kadmija, kovin z nizkim -tališčem- itd. pa niso dovoljeni na površinah iz titanove zlitine. Pri premikanju in ravnanju z obdelovanci iz titanove zlitine je treba uporabiti posebne posode za prenos, da se izognete mešanju in shranjevanju z obdelovanci iz drugih materialov. Pri pregledovanju in čiščenju fino strojno obdelanih površin iz titanove zlitine nosite čiste rokavice, da preprečite onesnaženje z oljem in prstne odtise, ki bi lahko povzročili razpoke zaradi napetostne korozije in vplivali na delovanje obdelovanca iz titanove zlitine.
3.4 Parametri rezanja
Glavni rezalni parametri za titanove zlitine so rezalna hitrost, podajalna hitrost in globina reza, pri čemer je rezalna hitrost glavni dejavnik, ki vpliva na njihovo obdelovalnost. Primerjalni testi med rezanjem s konstantno vrtilno hitrostjo in rezanjem s konstantno površinsko hitrostjo obdelovancev iz titanove zlitine kažejo, da je rezanje s konstantno vrtilno hitrostjo slabše kot rezanje s konstantno površinsko hitrostjo. Pri hitrosti rezanja vc=60 m/min, hitrosti podajanja f=0.127 mm/vrt in globini reza ap=0.05–0,1 mm za titanove zlitine je na površini titanove zlitine redko najti utrjeno plast.
Ker se utrjena plast pojavi predvsem na površini obdelovanca po končni obdelavi, globina reza med končno obdelavo ne sme biti prevelika, sicer bo nastala velika rezalna toplota. Akumulacija rezalne toplote lahko povzroči spremembe v metalografski strukturi površine titanove zlitine, kar zlahka ustvari utrjeno plast na površini dela. Pretirano majhna globina reza lahko povzroči trenje in iztiskanje na površini obdelovanca, kar vodi do utrjevanja. Zato mora biti med obdelavo obdelovancev iz titanove zlitine globina reza za končno obdelavo večja od velikosti brusa orodja (priprava robov).
Izbira hitrosti podajanja za titanove zlitine mora biti zmerna. Če je pomik premajhen, orodje med obdelavo zareže v utrjeno plast, kar povzroči hitrejšo obrabo. Hitrost podajanja je mogoče izbrati glede na različne radije konice orodja. Končna obdelava na splošno izbere manjšo hitrost podajanja, ker velika hitrost podajanja poveča rezalne sile, zaradi česar se orodje segreje in upogiba ali odkroji. Tabela 2 prikazuje skupne parametre za rezanje titanovih zlitin z različnimi vrstami in materiali orodij.
3.5 Hladilni sistem
Zahteva za rezalno tekočino pri rezanju titanove zlitine je nizka stopnja rosenja. Za obdelavo titanove zlitine je treba- izbrati visokotlačna hladilna orodja,配合机床高压泵,冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Pa (približno 60–150 barov). Uporaba -orodij za hlajenje pod visokim tlakom za obdelavo titanovih zlitin lahko poveča hitrost rezanja za 2–3-krat, podaljša življenjsko dobo orodja in izboljša morfologijo odrezkov titanove zlitine. Pri nanašanju rezalne tekočine med strojno obdelavo titanove zlitine se rezalna sila zmanjša za 5 %–15 % v primerjavi s suhim rezanjem titanove zlitine, radialna sila se zmanjša za 10 %–15 %, rezalna temperatura se zmanjša za 5 %–10 %, morfologija površine strojno obdelane titanove zlitine pa je boljša z manj masivnim oprijemom, kar vodi k doseganju višje kakovosti površine.
Trenutno uporabljena kemična emulzija Trim E206, zmešana iz 8 % koncentrata in 92 % čiste vode, s koncentracijo 7 %–9 %, dosega dobre rezultate strojne obdelave materialov iz titanove zlitine in se lahko uporablja pri operacijah struženja, rezkanja in brušenja. Trim E206 vsebuje posebne dodatke, ki učinkovito nadzorujejo nastajanje nad-robov. Rezalna tekočina vsebuje drobne emulgirane molekule, ki izboljšujejo stabilnost rezalne tekočine in zmanjšujejo odnašanje med obdelavo, zaradi česar rezalna tekočina lažje vstopi v območje rezanja. Poleg tega je Trim E206 močno odporen na onesnaženje z oljem, ostanki rezalne tekočine pa so zlahka topni v vodi in delovni tekočini, kar pomaga vzdrževati čistočo opreme in površin obdelanih delov.
4. Površinska celovitost titanove zlitine
4.1 Pregled mikrostrukture odkovkov iz titanove zlitine
Pregled mikrostrukture titanove zlitine vključuje pregledovanje površine jedkanega dela iz titanove zlitine pod elektronskim mikroskopom za opazovanje morfoloških značilnosti, porazdelitve itd. mikrostrukture materiala, ki se uporablja za preverjanje, ali je metalografska struktura titanove zlitine v skladu z ustreznimi standardi in specifikacijami risb. Koraki za pregled mikrostrukture odkovkov iz titanove zlitine so: groba obdelava odkovka → površinsko poliranje → površinsko jedkanje → čiščenje → sušenje → mikroskopski pregled. Mikroskopski pregled titanove zlitine Ti6Al4V je prikazan na sliki 2.
a) Poliranje površine b) Jedkanje površine
c) Izpiranje z vodo d) Mikroskopski pregled
Namen grobe obdelave odkovka je popolna odstranitev ohišja. Površina iz titanove zlitine je polirana z brusnim papirjem iz aluminijevega oksida z velikostjo zrna 400#–800#, površinska hrapavost pa mora doseči Ra=0.025 μm ali višje zahteve. Pri jedkanju se uporablja Krollov reagent, pripravljen kot vodna raztopina 2 % HF, 4 % HNO₃. Ustrezno količino Krollovega reagenta nanesemo na polirano površino titanove zlitine, dokler ne dobimo želene prozorne strukture, nato speremo z vodo in posušimo. Za pregledovanje površine titanove zlitine se uporablja ročni elektronski mikroskop. Struktura mora vsebovati 10–50 % primarnega. Mikrostrukturna morfologija titanove zlitine Ti6Al4V, prikazana na sliki 3, predstavlja kvalificirano metalografsko strukturo.
a) Primarni v -transformirani matriki b) Prekinjeni na mejah zrn
c) Lamelni v zrnih
4.2 Pregled korozije z modro eloksacijo za titanove zlitine
Med strojno obdelavo titanove zlitine, ko pride do obrabe boka orodja, se udarna odpornost orodja postopoma zmanjšuje, kar povzroči otrdelost na obdelani površini titanove zlitine zaradi ekstruzije in pregrevanja. Metoda modre anodizirajoče korozije se običajno uporablja za odkrivanje utrjevanja in drugih napak. Površina obdelovanca iz titanove zlitine po modri eloksirani koroziji je prikazana na sliki 4. Po raztapljanju obdelovanca iz anodizirane titanove zlitine po-obdelavi mora biti barva kvalificiranega oksidnega filma enakomerno svetlo modra (glejte sliko 4a). Delovno-kaljeni obdelovanci iz titanove zlitine po korozijskem pregledu kažejo temno modro površino (glej sliko 4b) ali lokalizirana temnejša področja (glej sliko 4c) z neenakomerno porazdelitvijo barve po različnih področjih.
a) Enotna svetlo modra b) Temno modra c) Lokalno temno modra
Po modri eloksirani koroziji je za dele, ki kažejo obdelovalno utrjevanje, mogoče uporabiti metode, kot so prilagajanje materiala rezalnega orodja, prevleke in rezalnih kotov za obdelavo titanove zlitine, optimizacijo poti orodja in parametrov rezanja, za nadzor in odpravo obdelovalnega utrjevanja.
4.3 Površinska obdelava titanovih zlitin
Za odstranitev površinskih napak na kompresorskih diskih iz titanove zlitine, pestah, rotorjih, gredi in distančnikih rotorja ter za izboljšanje življenjske dobe delov lahko po končanih vseh mehanskih obdelavah na obdelovancu iz titanove zlitine za končno obdelavo površine uporabite ročno končno obdelavo plošč z loputami. Končna obdelava z lamelnim diskom zahteva uporabo orodij za končno obdelavo, prikazanih na sliki 5: rotacijsko zračno orodje (hitrost 18.000 vrt./min), polirni trn in brusno krpo iz aluminijevega oksida ali silicijevega karbida (specifikacija 10 mm × 20 mm, zrnatost 120#).
a) Rotacijsko zračno orodje b) Polirni trn c) Brusilna krpa
Končna obdelava z notranjimi utori obdelovanca iz titanove zlitine je prikazana na sliki 6. Za doseganje dobrih rezultatov končne obdelave lahko uporabite naslednje metode:
Brusno krpo iz aluminijevega oksida zložite po dolžini in jo trdno vstavite v vpenjalno režo na sprednjem koncu polirnega trna. Zategnite ga v nasprotni smeri od smeri vrtenja trna. Po končani obdelavi vsake površine obdelovanca zamenjajte novo abrazivno krpo (glejte sliko 6a).
Vrtljiva abrazivna krpa se mora vrteti po površini titanove zlitine en ali dva cikla, pri čemer vsak cikel traja 10–30 sekund, s hitrostjo vrtenja približno 1,57 mm/s (glejte sliko 6b).
Pri končni obdelavi različnih površin obdelovanca iz titanove zlitine med cikli zamenjajte brusno krpo. Med ročno končno obdelavo uporabite ustrezen ključ za prislon ali mehansko napravo za omejitev globine, da nadzirate prehod vrteče se brusne krpe.a) Namestitev brusne krpe b) Rotacijsko poliranje
5. Zaključek
Titanova zlitina je značilen material,-{1}}ki ga je težko obdelati. Zaradi visokih rezalnih sil, visokih rezalnih temperatur in močne obrabe orodja med obdelavo je izbira primernih materialov orodja in geometrije ploščic glavni izziv pri obdelavi titanovih zlitin. Ti-vsebujoča karbidna orodja imajo dobro proti-difuzijsko obrabo. Med rezanjem se na površini orodja oblikuje stabilna adhezijska plast titanove zlitine, ki lahko zavira obrabo. Z razvojem domačih orodij se je učinkovitost obdelave titanovih zlitin postopoma izboljšala, prihranila stroške obdelave in igrala pozitivno vlogo pri uresničevanju splošne lokalizacije motorjev. V proizvodni praksi mora strojna obdelava titanovih zlitin temeljiti na obstoječih pogojih podjetja glede tehnologije, opreme, upravljanja in stroškov. Izbrati je treba primerne vpenjalne naprave in rezalne parametre optimizirati z uporabo informacijske podatkovne platforme podjetja, pri čemer se postopoma odmikamo od obsežnega koncepta obdelave, pri katerem izbiramo parametre izključno na podlagi izkušenj in analogij.
Z izvajanjem pregledov mikrostrukture odkovkov iz titanove zlitine je mogoče primerjati in ovrednotiti metalografsko strukturo grobo obdelane titanove zlitine. Končna obdelava lahko učinkovito odstrani strojne napake in napake materiala na površini titanove zlitine, kar izboljša življenjsko dobo obdelovanca. Inšpekcija korozije z modrim eloksiranjem lahko učinkovito prepozna napake, kot je utrjevanje, ki se pojavi med strojno obdelavo titanove zlitine. Učinkovit nadzor celovitosti površine obdelane titanove zlitine je velikega pomena za stabilizacijo kakovosti obdelave titanove zlitine in izboljšanje življenjske dobe obdelovancev iz titanove zlitine.
Ta članek je bil objavljen vObdelava kovin (hladna obdelava), številka 7, 2021, strani 1–5, avtorja Huang Qianga iz AECC Xi'an Aero-Engine Ltd., z izvirnim naslovom »Metode obdelave in tehnologija nadzora integritete površine za titanove zlitine v vesolju«.
