Analiza procesa obrade legure titana na temelju karakteristika obrade, alata, učvršćenja i parametara rezanja, s uvodom u tehnike kontrole integriteta površine
Viši inženjer Huang Qiang
1. Uvod
Posljednjih godina potražnja za legurama titana u zrakoplovnoj industriji značajno je porasla. Legure titana naširoko se koriste u velikim zrakoplovima. Kao izvrstan materijal za proizvodnju zrakoplova i motora, legure titana imaju visoku strukturnu čvrstoću, malu težinu i dobru otpornost na koroziju. Obradivost materijala od legure titana često rezultira lošim površinskim integritetom izratka nakon strojne obrade. U nastavku se uvode metode strojne obrade i tehnologije kontrole integriteta površine za zrakoplovne titanove legure s aspekta karakteristika obrade, alata za rezanje, odabira učvršćenja i parametara rezanja.
2. Značajke i primjena legura titana
U zrakoplovnoj industriji, legure titana uglavnom se koriste za proizvodnju komponenti kao što su diskovi kompresora motora, šuplje lopatice ventilatora, diskovi turbina i kućišta kućišta, kao i strukturnih dijelova poput stajnog trapa velikih zrakoplova, vanjskih dijelova krila, obloga trupa, vrata, hidrauličkih sustava i stražnjih dijelova trupa. Trenutačno je udio upotrebe legura titana u zrakoplovnoj industriji porastao sa 6% na više od 15%. Boeing 777 koristi 7%–9% dijelova od legure titana; kako bi se postiglo smanjenje potrošnje goriva od 20%, približno 2 milijarde RMB uloženo je u razvoj Boeinga 787 posebno za istraživanje zamjene aluminijskih legura legurama titana u određenim dijelovima zrakoplova, što je rezultiralo sadržajem legura titana od 15% u konstrukciji Boeinga 787. U projektima domaćih velikih zrakoplova, upotreba legura titana postupno je porasla s 4,8% u regionalnom mlaznom avionu ARJ21 na preko 9% u trupu trupa C919.
Zahtjevi za konstrukcijskom lakoćom i visokom čvrstoćom u području zrakoplovstva čine ga sve više ovisnim o legurama titana. Na temelju čvrstoće i performansi pri visokim-temperaturama, legure titana mogu se klasificirati u legure titana, legure titana, + legure titana i intermetalne spojeve titan-aluminija, među kojima se legure + titan (poput Ti6Al4V) najčešće koriste. legure titana imaju dobru toplinsku zavarljivost i jaku otpornost na oksidaciju, ali prosječnu žilavost; legure titana imaju bolju sposobnost kovanja, hladno oblikovanje i sposobnost ojačanja toplinskom obradom; + legure titana imaju dobru žilavost, zavarljive su i ojačane toplinskom obradom te imaju dobru otpornost na zamor.
Materijalni sastav Ti6Al4V uglavnom uključuje Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu i male količine N, H, B i Y. Legure titana imaju izvrsna sveobuhvatna mehanička svojstva, nisku gustoću i dobru otpornost na koroziju. Kao legirani-materijal visoke čvrstoće, kontinuirano se promiču za upotrebu u zrakoplovnim motorima i zrakoplovnoj industriji. Međutim, visoke temperature i velike sile rezanja tijekom strojne obrade titanovih legura dovode do ozbiljnog otvrdnjavanja obrađene površine, pogoršavajući trošenje alata i rezultirajući lošom obradivošću. Ovi čimbenici su štetni za postizanje dobre kvalitete površine i utječu na životni vijek komponenti od legure titana i performanse motora. U nastavku, korištenjem Ti6Al4V kao predmeta istraživanja i kombiniranjem iskustva stečenog u proizvodnoj praksi, predstavljene su performanse rezanja, metode strojne obrade i tehnike pregledavanja površine za dijelove od legure titana.
3. Metode obrade legura titana
3.1 Odabir alata
Materijali alata za obradu titanovih legura trebaju imati karakteristike kao što su dobra žilavost, tvrdoća na vruće, rasipanje topline i otpornost na trošenje. Osim toga, alati trebaju ispunjavati zahtjeve poput oštrih reznih rubova i glatke površine. Pri obradi materijala od legure titana preferiraju se alati od tvrdog metala s dobrom toplinskom vodljivošću i visokom čvrstoćom, koji imaju mali nagibni kut i veliki reljefni kut. Kako biste spriječili pucanje i lomljenje vrha alata, oštrica na vrhu treba imati zaobljeni prijelaz. Rezni rub bi trebao biti oštar tijekom strojne obrade kako bi se olakšalo pravovremeno uklanjanje strugotine i izbjeglo prianjanje strugotine.
Prilikom strojne obrade legura titana, kako bi se spriječile reakcije afiniteta između podloge/prevlake alata i legure titana, koje bi ubrzale trošenje alata, općenito se izbjegavaju karbidi koji-sadrže titan i alati za prevlaku-na bazi titana. Godine proizvodne prakse otkrile su da iako su alati od tvrdog metala koji sadrže titan-skloni prianjanju i habanju, oni posjeduju izvrsnu sposobnost protiv-difuzijskog trošenja, posebno tijekom-brzinskog rezanja, gdje je njihova izvedba znatno bolja od alata od tvrdog metala tipa YG-.
Veliki svjetski proizvođači alata predstavili su rezne pločice posebno za strojnu obradu dijelova od legure titana. Stalna poboljšanja alatnih materijala i materijala za premazivanje poboljšala su učinkovitost rezanja materijala od legura titana i pospješila razvoj industrije legura titana. Na primjer, ISCAR-ove pločice IC20, s oštrim reznim rubovima, prikladne su za završnu obradu izradaka od legure titana. Njegovi IC907 umeci učinkovito poboljšavaju otpornost na habanje, prikladni za grubu i polu{5}}završnu obradu. SECO-ovi CP200 i CP500 za strojnu obradu legura titana su visoko-tvrdoće, ultra-fino zrnati materijali za umetke koji koriste tehnologiju fizičkog taloženja parom (PVD). Walterovi WSM30, WSM20 i WAM20, koji koriste prevlake TiCN, TiAlN, TiN i Al₂O₃, nude jaku otpornost na deformacije i habanje. Često korišteni alati i premazi za strojnu obradu legura titana prikazani su u tablici 1.
Prema statistici, sektor zrakoplovne proizvodnje uvelike se oslanja na uvezene alate, a ovisnost je još veća za materijale koje je teško --obraditi kao što su legure titana. Stoga je promicanje razvoja i primjene domaćih alata i materijala za premazivanje učinkovit način da se temeljno riješi problem strojne obrade legura titana u Kini.
3.2 Trošenje alata i rješenja
Prilikom strojne obrade legura titana pri velikim brzinama rezanja i velikim dubinama rezanja, trošenje u obliku kratera (trošenje na bočnoj strani) stvara se na čeonoj površini na točki najviše temperature rezanja, s jasnom površinom između kratera i oštrice. Širina i dubina kratera postupno se povećavaju kako trošenje napreduje, smanjujući krutost oštrice, što potencijalno dovodi do krhotina ako se alat nastavi koristiti. Elektronske mikrografije trošenja umetka prikazane su na slici 1.
a) Trošenje kratera s pojavom krhotina. b) Trošenje boka
c) Izgrađen-rub
Tijekom strojne obrade legure titana, jako trenje između umetka i obratka uzrokuje trošenje na reljefnoj plohi u blizini reznog ruba, formirajući malu habajuću površinu s nultim kutom reljefa, poznato kao bočno trošenje. Osim toga, zbog radnog otvrdnjavanja titanovih legura, debljina rezanja na vrhu alata na manjem reznom rubu postupno se smanjuje, uzrokujući klizanje reznog ruba, što također dovodi do značajnog trošenja reljefne površine.
Nakon što dođe do trošenja alata, parametri rezanja poput brzine rezanja i posmaka mogu se podesiti promatranjem morfologije strugotine i boje, kao i sile alata, zvuka i vibracija, kako bi se kontroliralo abnormalno trošenje čeone površine. Korištenje geometrije pločica s pozitivnim kutom nagiba, odabir -materijala za pločice ili premaza otpornih na habanje, može poboljšati vijek trajanja alata.
Nadograđeni rub (BUE) sklon je stvaranju tijekom strojne obrade legure titana. Kada je BUE stabilan, može zaštititi alat djelujući kao oštrica. Međutim, kada BUE naraste do određene mjere, njegov vrh se proteže izvan oštrice, povećavajući stvarni radni nagnuti kut. Nakupljanje i odvajanje BUE izravno utječu na točnost obrade. BUE fragmenti zalijepljeni za strojno obrađenu površinu legure titana stvaraju tvrda mjesta i neravnine, što utječe na kvalitetu površine. Nepravilno raspadanje i regeneracija BUE uzrokuju fluktuacije u sili rezanja, što dovodi do klepetanja i utječe na vijek trajanja alata. Uobičajene metode u proizvodnoj praksi za smanjenje ili izbjegavanje BUE stvaranja pri rezanju legure titana uključuju: povećanje brzine rezanja, postupno povećanje dubine rezanja do optimalne; upotrebom PVD-materijala za umetke; korištenje visoko{8}}rashladnih sustava itd.
U operacijama rezanja, zbog niske plastičnosti titanovih legura, kontaktna površina između strugotine i prednjeg dijela je mala, a trošenje alata se uglavnom događa na prednjem dijelu alata za okretanje. Stoga bi rezne pločice trebale biti odabrane s malim nagnutim kutom, obično od 0 stupnjeva do 5 stupnjeva. Mali nagibni kut učinkovito povećava kontaktnu površinu između strugotine i nagibne površine, pomažući raspršivanju topline koncentrirane u blizini oštrice. Odabir kuta rasterećenja od 5 stupnjeva do 10 stupnjeva može smanjiti trenje između alata i dijela. Odabirom kombinacije kontaktne površine u obliku slova V između baze umetka i držača alata, dizajn robusne stezne strukture, može učinkovito poboljšati krutost stezanja držača alata, eliminirati vibracije alata i poboljšati kvalitetu površine obrađenog izratka od legure titana.
3.3 Odabir učvršćenja
Prilikom pozicioniranja i stezanja izradaka od legure titana, interakcija između sile stezanja učvršćenja i potporne sile na izratku može uzrokovati deformaciju naprezanja u slobodnom stanju. Otpor sile rezanja tijekom strojne obrade legure titana je značajan, tako da procesni sustav mora imati dovoljnu krutost. Potrebno je analizirati strukturu pozicioniranja i dimenzije obratka, odabrati stabilne i pouzdane referentne točke i dodati pomoćne oslonce ili koristiti preko-ograničenje ako je potrebno za povećanje krutosti dijela. Budući da su legure titana sklone deformacijama, sila stezanja ne smije biti pretjerana; po potrebi se može koristiti momentni ključ kako bi se osigurala stabilna sila stezanja. Nadalje, kada koristite učvršćivače za pozicioniranje i stezanje dijelova od legure titana, osigurajte dobro pristajanje između površine za lociranje učvršćenja i površine za lociranje obratka i uravnotežite silu stezanja učvršćenja s potpornom silom izratka. Za relativno velike površine stezanja treba što je više moguće koristiti metodu raspodijeljenog stezanja kako bi se izbjegla deformacija uzrokovana koncentriranim pritiskom. Točke stezanja stezaljki trebaju biti što je moguće bliže strojno obrađenoj površini obratka kako bi se smanjile vibracije nastale tijekom rezanja legure titana.
Upotreba učvršćenja, mjernih alata ili raznih privremenih alata koji sadrže olovo, cink, bakar, kositar, kadmij ili metale s-talištem-strogo je zabranjena za strojnu obradu legura titana. Oprema, uređaji i alati koji se koriste za leguru titana moraju se održavati čistima i nezagađenima. Radne dijelove od legure titana treba očistiti odmah nakon strojne obrade, a ostaci olova, cinka, bakra, kositra, kadmija, metala niske-ta-točke itd. nisu dopušteni na površinama od legure titana. Prilikom premještanja i rukovanja radnim dijelovima od legure titana treba koristiti posebne spremnike za prijenos kako bi se izbjeglo njihovo miješanje i skladištenje s radnim dijelovima od drugih materijala. Kada pregledavate i čistite fino obrađene površine od legure titana, nosite čiste rukavice kako biste spriječili kontaminaciju uljem i otiske prstiju, koji bi mogli uzrokovati pucanje uslijed korozije i utjecati na radni učinak izratka od legure titana.
3.4 Parametri rezanja
Glavni parametri rezanja titanovih legura su brzina rezanja, brzina posmaka i dubina rezanja, pri čemu je brzina rezanja primarni faktor koji utječe na njihovu obradivost. Usporedni testovi između rezanja konstantnom rotacijskom brzinom i rezanja konstantnom površinskom brzinom obradaka od legure titana pokazuju da je rezanje konstantnom rotacijskom brzinom lošije od rezanja konstantnom površinskom brzinom. Kada je brzina rezanja vc=60 m/min, brzina posmaka f=0.127 mm/okretaj i dubina rezanja ap=0.05–0,1 mm za legure titana, očvrsli sloj se rijetko nalazi na površini legure titana.
Budući da se stvrdnuti sloj uglavnom pojavljuje na površini obratka nakon završne obrade, dubina rezanja tijekom završne obrade ne bi smjela biti prevelika, inače će generirati značajnu toplinu rezanja. Akumulacija topline rezanja može uzrokovati promjene u metalografskoj strukturi površine titanijske legure, lako stvarajući otvrdnuti sloj na površini dijela. Pretjerano mala dubina rezanja može uzrokovati trenje i istiskivanje na površini obratka, što dovodi do otvrdnuća. Stoga, tijekom strojne obrade izradaka od legure titana, dubina rezanja za završnu obradu mora biti veća od veličine brusa alata (priprema ruba).
Odabir brzine punjenja za legure titana treba biti umjeren. Ako je posmak premalen, alat tijekom obrade reže unutar očvrslog sloja, što dovodi do bržeg trošenja. Brzina napredovanja može se odabrati na temelju različitih radijusa vrha alata. Završna obrada općenito odabire manju brzinu posmaka jer velika brzina posmaka povećava sile rezanja, uzrokujući zagrijavanje alata i savijanje ili kršenje. Tablica 2 prikazuje uobičajene parametre za rezanje legura titana s različitim vrstama i materijalima alata.
3.5 Sustav hlađenja
Zahtjev za tekućinu za rezanje pri rezanju legure titana je nisko magljenje. Visok{1}}alati za hlađenje trebaju biti odabrani za obradu legure titana,配合机床高压泵,冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Pa (približno 60–150 bara). Korištenje-alata za hlađenje pod visokim tlakom za obradu legura titana može povećati brzinu rezanja za 2-3 puta, produljiti životni vijek alata i poboljšati morfologiju strugotine legure titana. Prilikom nanošenja tekućine za rezanje tijekom strojne obrade legure titana, sila rezanja je smanjena za 5%-15% u usporedbi sa suhim rezanjem legure titana, radijalna sila je smanjena za 10%-15%, temperatura rezanja je smanjena za 5%-10%, a površinska morfologija strojno obrađene legure titana je bolja s manje masivnim prianjanjem, što je pogodno za postizanje veće kvalitete površine.
Trenutačno korištena kemijska emulzija Trim E206, pomiješana od 8% koncentrata i 92% čiste vode, s koncentracijom od 7%–9%, postiže dobre rezultate strojne obrade materijala od legure titana i može se koristiti u operacijama tokarenja, glodanja i brušenja. Trim E206 sadrži posebne aditive koji učinkovito kontroliraju stvaranje izgrađenog-ruba. Tekućina za rezanje sadrži sićušne emulgirane molekule, poboljšavajući stabilnost tekućine za rezanje i smanjujući-odnošenje tijekom strojne obrade, što olakšava ulazak tekućine za rezanje u zonu rezanja. Dodatno, Trim E206 ima jaku otpornost na kontaminaciju uljem, a ostaci rezne tekućine lako su topivi u vodi i radnoj tekućini, što pomaže u održavanju čistoće opreme i površina obrađenih dijelova.
4. Cjelovitost površine legure titana
4.1 Pregled mikrostrukture otkivaka od legure titana
Provjera mikrostrukture legure titana uključuje ispitivanje površine ugraviranog dijela od legure titana pod elektronskim mikroskopom kako bi se promatrale morfološke karakteristike, distribucija itd. mikrostrukture materijala, što se koristi za provjeru je li metalografska struktura legure titana u skladu s relevantnim standardima i specifikacijama crteža. Koraci za ispitivanje mikrostrukture otkivaka od legure titana su: gruba strojna obrada otkivka → površinsko poliranje → površinsko jetkanje → čišćenje → sušenje → mikroskopski pregled. Mikroskopski pregled Ti6Al4V legure titana prikazan je na slici 2.
a) Poliranje površine b) Jetkanje površine
c) Ispiranje vodom d) Mikroskopski pregled
Svrha grube strojne obrade otkova je potpuno uklanjanje kućišta. Površina legure titana polirana je brusnim papirom od aluminijevog oksida s granulacijom 400#–800#, a hrapavost površine mora doseći zahtjeve Ra=0.025 μm ili više. Jetkanje koristi Krollov reagens, pripremljen kao vodena otopina 2% HF, 4% HNO₃. Odgovarajuća količina Krollovog reagensa nanese se na poliranu površinu legure titana dok se ne dobije željena prozirna struktura, zatim se ispere u vodi i osuši. Za pregled površine legure titana koristi se ručni elektronski mikroskop. Struktura bi trebala sadržavati 10%–50% primarnog . Mikrostrukturna morfologija Ti6Al4V legure titana prikazana na slici 3 predstavlja kvalificiranu metalografsku strukturu.
a) Primarni u -transformiranoj matrici b) Diskontinuirani na granicama zrna
c) Lamelarni u zrnu
4.2 Ispitivanje korozije plavom anodizacijom za legure titana
Tijekom strojne obrade legure titana, kada dođe do trošenja bočne strane alata, otpornost alata na udar postupno se smanjuje, što dovodi do otvrdnjavanja obrađene površine legure titana zbog ekstruzije i pregrijavanja. Metoda plave anodizirajuće korozije obično se koristi za otkrivanje otvrdnuća i drugih nedostataka. Površina izratka od legure titana nakon plave anodizirajuće korozije prikazana je na slici 4. Nakon -otapanja obrade izratka od anodizirane legure titana, boja kvalificiranog oksidnog filma trebala bi biti jednolika svijetloplava (vidi sliku 4a). Obrad-kaljeni obradaci od legure titana, nakon pregleda korozije, pokazuju tamnoplavu površinu (vidi sliku 4b) ili lokalizirana tamnija područja (vidi sliku 4c), s nejednakom raspodjelom boje na različitim područjima.
a) Ujednačena svijetloplava b) Tamnoplava c) Lokalizirana tamnoplava
Nakon plave anodizirajuće korozije, za dijelove koji pokazuju otvrdnuće pri obradi, metode kao što su podešavanje materijala alata za rezanje, prevlake i kutova rezanja za strojnu obradu legure titana, optimiziranje putanja alata i parametara rezanja, mogu se koristiti za kontrolu i uklanjanje otvrdnuća pri radu.
4.3 Površinska obrada legura titana
Za uklanjanje površinskih nedostataka s diskova kompresora od legure titana, glavčina, rotora, osovina i odstojnika rotora i produžavanje životnog vijeka dijelova, nakon dovršetka svih operacija mehaničke obrade na radnom komadu od legure titana, za završnu obradu površine može se koristiti ručna završna obrada diska. Završna obrada preklopnog diska zahtijeva upotrebu alata za završnu obradu prikazanih na slici 5: rotacijski zračni alat (brzina 18 000 okretaja u minuti), trn za poliranje i abrazivna tkanina od glinice ili silicij karbida (specifikacija 10 mm × 20 mm, granulacija 120#).
a) Rotacijski zračni alat b) Trn za poliranje c) Brusno platno
Završna obrada unutarnjeg utora izratka od legure titana prikazana je na slici 6. Za postizanje dobrih rezultata završne obrade mogu se koristiti sljedeće metode:
Savijte brusnu tkaninu od glinice po dužini i čvrsto je umetnite u stezni utor na prednjem kraju igle za poliranje. Zategnite ga u smjeru suprotnom od smjera vrtnje igle. Promijenite novu abrazivnu tkaninu nakon završetka svake površine obratka (vidi sliku 6a).
Rotirajuća abrazivna tkanina trebala bi se kretati preko površine titanijske legure jedan ili dva ciklusa, svaki ciklus u trajanju od 10-30 sekundi, uz klipnu brzinu od oko 1,57 mm/s (vidi sliku 6b).
Prilikom završne obrade različitih površina obratka od legure titana, promijenite brusnu tkaninu između ciklusa. Tijekom ručne završne obrade koristite odgovarajući granični ključ ili mehanički uređaj za graničnik dubine za kontrolu prolaza rotirajuće abrazivne tkanine.a) Instalacija abrazivne tkanine b) Rotacijsko poliranje
5. Zaključak
Legura titana tipičan je-materijal za-strojnu obradu. Zbog velikih sila rezanja, visokih temperatura rezanja i ozbiljnog trošenja alata tijekom strojne obrade, odabir razumnih materijala alata i geometrije pločica primarni je izazov u strojnoj obradi titanijske legure. Alati od karbida koji sadrže ti- imaju dobre performanse protiv-difuzijskog trošenja. Tijekom rezanja, na površini alata stvara se stabilan adhezijski sloj legure titana, koji može spriječiti trošenje. S razvojem domaćih alata, učinkovitost obrade legura titana postupno se poboljšala, smanjujući troškove obrade i igrajući pozitivnu ulogu u realizaciji ukupne lokalizacije motora. U proizvodnoj praksi, strojna obrada legure titana trebala bi se temeljiti na postojećim uvjetima poduzeća u pogledu tehnologije, opreme, upravljanja i troškova. Treba odabrati razumno pozicioniranje učvršćenja, a parametre rezanja treba optimizirati pomoću informacijske podatkovne platforme poduzeća, postupno se udaljavajući od opsežnog koncepta strojne obrade odabira parametara isključivo na temelju iskustva i analogije.
Provođenjem ispitivanja mikrostrukture na otkivcima od legure titana može se usporediti i ocijeniti metalografska struktura grubo obrađene legure titana. Završna obrada može učinkovito ukloniti mehaničke nedostatke i nedostatke materijala na površini legure titana, poboljšavajući radni vijek obratka. Inspekcija korozije plavom anodizacijom može učinkovito identificirati nedostatke poput otvrdnuća koji se javljaju tijekom strojne obrade legure titana. Učinkovita kontrola integriteta površine strojno obrađene legure titana od velike je važnosti za stabilizaciju kvalitete obrade legure titana i poboljšanje radnog vijeka izradaka od legure titana.
Ovaj je članak objavljen uObrada metala (hladna obrada), Izdanje 7, 2021., stranice 1–5, čiji je autor Huang Qiang iz AECC Xi'an Aero-Engine Ltd., izvornog naslova "Metode obrade i tehnologija kontrole integriteta površine za zrakoplovne titanijske legure".
