Analiza proceselor de prelucrare a aliajelor de titan pe baza caracteristicilor de prelucrare, scule, fixare și parametrii de tăiere, cu o introducere în tehnicile de control al integrității suprafeței
Inginer superior Huang Qiang
1. Introducere
În ultimii ani, cererea de aliaje de titan în industria de producție a aviației a crescut semnificativ. Aliajele de titan sunt utilizate pe scară largă în aeronavele mari. Fiind un material excelent de fabricație pentru avioane și motoare, aliajele de titan au rezistență structurală ridicată, greutate redusă și rezistență bună la coroziune. Prelucrabilitatea materialelor din aliaje de titan are ca rezultat adesea o integritate slabă a suprafeței piesei de prelucrat după prelucrare. Mai jos, metodele de prelucrare și tehnologiile de control al integrității suprafeței pentru aliajele aerospațiale de titan sunt introduse din aspectele caracteristicilor de prelucrare, unelte de tăiere, selecție de fixare și parametri de tăiere.
2. Caracteristicile și aplicațiile aliajelor de titan
În industria aviației, aliajele de titan sunt utilizate în principal pentru fabricarea de componente precum discuri compresoare ale motorului, pale de ventilator goale, discuri de turbină și carcase, precum și piese structurale cum ar fi trenul de aterizare a aeronavelor mari, secțiunile exterioare ale aripilor, învelișurile fuselajului, ușile, sistemele hidraulice și secțiunile fuselajului din spate. În prezent, proporția de utilizare a aliajelor de titan în industria aviației a crescut de la 6% la peste 15%. Boeing 777 utilizează 7%-9% piese din aliaj de titan; pentru a obține o reducere cu 20% a consumului de combustibil, aproximativ 2 miliarde de RMB au fost investite în dezvoltarea Boeing 787 special pentru cercetarea înlocuirii aliajelor de aluminiu cu aliaje de titan în anumite părți ale aeronavei, rezultând un conținut de aliaj de titan de 15% în cadrul avionului Boeing 787. În proiectele interne de avioane mari, utilizarea aliajelor de titan a crescut treptat de la 4,8% în avionul regional ARJ21 la peste 9% în portbagajul C919.
Cerințele de ușurință structurală și rezistență ridicată în domeniul aviației îl fac să se bazeze din ce în ce mai mult pe aliajele de titan. Pe baza rezistenței și a performanței la temperatură ridicată, aliajele de titan pot fi clasificate în aliaje de titan, aliaje de titan, + aliaje de titan și compuși intermetalici de titan-aluminiu, printre care + aliajele de titan (cum ar fi Ti6Al4V) sunt cele mai utilizate. Aliajele de titan au o sudabilitate termică bună și o rezistență puternică la oxidare, dar duritate medie; Aliajele de titan au o mai bună forjabilitate, formabilitate la rece și capacitate de întărire a tratamentului termic; + Aliajele de titan posedă o tenacitate bună, sunt sudabile și pot fi consolidate prin tratament termic și au o bună rezistență la oboseală.
Compoziția materialului Ti6Al4V include în principal Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu și cantități mici de N, H, B și Y. Aliajele de titan au proprietăți mecanice complete excelente, densitate scăzută și rezistență bună la coroziune. Fiind un material de aliaj de înaltă-rezistență, acestea au fost promovate în mod continuu pentru utilizare în motoarele aeronautice și în industria aviației. Cu toate acestea, temperaturile ridicate și forțele mari de așchiere în timpul prelucrării aliajelor de titan duc la întărirea prin lucru severă a suprafeței prelucrate, exacerbând uzura sculei și conducând la prelucrabilitate slabă. Acești factori sunt dăunătoare pentru obținerea unei calități bune a suprafeței și afectează durata de viață a componentelor din aliaj de titan și performanța motorului. Mai jos, folosind Ti6Al4V ca subiect de cercetare și combinând experiența acumulată în practica de producție, sunt introduse performanța de tăiere, metodele de prelucrare și tehnicile de inspecție a suprafeței pentru piesele din aliaj de titan.
3. Metode de prelucrare a aliajelor de titan
3.1 Selectarea instrumentului
Materialele pentru scule pentru prelucrarea aliajelor de titan ar trebui să aibă caracteristici precum duritate bună, duritate la cald, disipare a căldurii și rezistență la uzură. În plus, uneltele ar trebui să îndeplinească cerințe precum muchii ascuțite și o suprafață netedă. La prelucrarea materialelor din aliaj de titan, sunt preferate sculele din carbură cu conductivitate termică bună și rezistență ridicată, având un unghi mic de greblare și un unghi de relief mare. Pentru a preveni ciobirea și ruperea vârfului sculei, muchia de tăiere de la vârf ar trebui să aibă o tranziție rotunjită. Muchia de tăiere trebuie menținută ascuțită în timpul prelucrării pentru a facilita îndepărtarea la timp a așchiilor și pentru a evita aderența așchiilor.
La prelucrarea aliajelor de titan, pentru a preveni reacțiile de afinitate între substratul/acoperirea sculei și aliajul de titan, care ar accelera uzura sculei, se evită, în general, uneltele de acoperire pe bază de titan-carburi-și de acoperire pe bază de titan-. Ani de practică de producție au constatat că, deși uneltele cu carbură-titan sunt predispuse la aderență și uzură, ele posedă o excelentă capacitate de uzură anti-difuzie, în special în timpul tăierii cu viteză-înaltă, unde performanța lor este semnificativ mai bună decât uneltele din carbură de tip YG-.
Principalii producători mondiali de scule au introdus inserții de tăiere special pentru prelucrarea pieselor din aliaj de titan. Îmbunătățirile continue ale materialelor pentru scule și materialele de acoperire au îmbunătățit eficiența de tăiere a materialelor din aliaje de titan și au promovat dezvoltarea industriei aliajelor de titan. De exemplu, inserțiile IC20 de la ISCAR, cu muchii ascuțite, sunt potrivite pentru finisarea pieselor din aliaj de titan. Plăcile sale IC907 îmbunătățesc în mod eficient rezistența la uzură, potrivite pentru degroșare și semi-finisare. CP200 și CP500 de la SECO pentru prelucrarea aliajelor de titan sunt materiale de inserție cu granulație ultra{-de duritate ridicată, ultra-care utilizează tehnologia de depunere fizică în vapori (PVD). WSM30, WSM20 și WAM20 de la Walter, folosind acoperiri TiCN, TiAlN, TiN și Al₂O₃, oferă o rezistență puternică la deformare și uzură. Uneltele și acoperirile utilizate în mod obișnuit pentru prelucrarea aliajelor de titan sunt prezentate în Tabelul 1.
Potrivit statisticilor, sectorul producției de aviație se bazează în mare măsură pe instrumente importate, iar dependența este și mai mare pentru materialele greu-de-prelucrate, cum ar fi aliajele de titan. Prin urmare, promovarea dezvoltării și aplicării de unelte casnice și materiale de acoperire este o modalitate eficientă de a rezolva în mod fundamental problema prelucrarii aliajelor de titan în China.
3.2 Uzura sculelor și soluții
La prelucrarea aliajelor de titan la viteze mari de așchiere și adâncimi mari de tăiere, se formează o uzură craterică (uzură flancului) pe fața greblei în punctul de cea mai ridicată temperatură de tăiere, cu un teren distinct între crater și muchia de tăiere. Lățimea și adâncimea craterului se extind treptat pe măsură ce uzura progresează, reducând rigiditatea muchiei de tăiere, ceea ce poate duce la așchiere dacă unealta continuă să fie utilizată. Micrografiile electronice ale uzurii inserției sunt prezentate în Figura 1.
a) Uzura craterului cu fenomen de ciobire. b) Uzura flancurilor
c) Marginea-întărită
În timpul prelucrării aliajului de titan, frecarea severă între inserție și piesa de prelucrat provoacă uzura feței de relief din apropierea muchiei de tăiere, formând un teren de uzură mic cu unghi de relief zero, cunoscut sub numele de uzură de flanc. În plus, din cauza întăririi prin muncă a aliajelor de titan, grosimea de tăiere la vârful sculei de pe muchia de tăiere minoră scade treptat, determinând derapajul muchiei de tăiere, ceea ce duce, de asemenea, la o uzură semnificativă a suprafeței de relief.
După ce apare uzura sculei, parametrii de tăiere precum viteza de tăiere și viteza de avans pot fi ajustați prin observarea morfologiei și culorii așchiilor, precum și a forței, sunetului și vibrațiilor mașinii-unelte, pentru a controla uzura anormală a feței greblei. Folosind geometrii de inserție cu unghi pozitiv, selectarea materialelor de inserție-rezistente la uzură sau acoperiri, poate îmbunătăți durata de viață a sculei.
Muchia-încorporată (BUE) este predispusă să se formeze în timpul prelucrării aliajelor de titan. Când BUE este stabil, poate proteja unealta acționând ca muchie de tăiere. Cu toate acestea, atunci când BUE crește într-o anumită măsură, partea superioară a acestuia se extinde dincolo de muchia de tăiere, crescând unghiul real de lucru. Acumularea și detașarea BUE afectează în mod direct precizia de prelucrare. Fragmentele BUE care aderă la suprafața prelucrată a aliajului de titan formează puncte dure și bavuri, afectând calitatea suprafeței. Deversarea neregulată și regenerarea BUE provoacă fluctuații ale forței de așchiere, ducând la vibrații și afectând durata de viață a sculei. Metodele comune în practica de producție pentru a reduce sau a evita formarea BUE în tăierea aliajelor de titan includ: creșterea vitezei de tăiere, creșterea treptată a adâncimii de tăiere până la optim; folosind materiale de inserție acoperite cu PVD-; utilizând sisteme de răcire de înaltă-presiune etc.
În operațiunile de tăiere, din cauza plasticității scăzute a aliajelor de titan, aria de contact dintre așchiu și fața greblei este mică, iar uzura sculei are loc în principal pe fața greblă a sculei de strunjire. Prin urmare, inserțiile de tăiere trebuie selectate cu un unghi mic, de obicei de la 0 la 5 grade. Un unghi mic de greblare mărește efectiv aria de contact dintre așchiu și suprafața de greblare, ajutând la disiparea căldurii concentrate în apropierea muchiei de tăiere. Selectarea unui unghi de relief de 5 grade până la 10 grade poate reduce frecarea dintre unealtă și piesă. Alegerea unei combinații de suprafață de contact în formă de V-între baza inserției și suportul sculei, un design robust al structurii de prindere, poate îmbunătăți în mod eficient rigiditatea de prindere a suportului sculei, poate elimina vibrațiile sculei și poate îmbunătăți calitatea suprafeței piesei prelucrate din aliaj de titan.
3.3 Selectarea dispozitivului
La poziționarea și strângerea pieselor de prelucrat din aliaj de titan, interacțiunea dintre forța de strângere a dispozitivului de fixare și forța de susținere a piesei de prelucrat poate provoca deformarea la efort în stare liberă. Rezistența la forța de tăiere în timpul prelucrării aliajului de titan este semnificativă, astfel încât sistemul de proces trebuie să aibă suficientă rigiditate. Structura de poziționare și dimensiunile piesei de prelucrat trebuie analizate, selectând puncte de referință stabile și fiabile și adăugând suporturi auxiliare sau folosind supra-constrângeri, dacă este necesar, pentru a crește rigiditatea piesei. Deoarece aliajele de titan sunt predispuse la deformare, forța de strângere nu trebuie să fie excesivă; dacă este necesar, se poate folosi o cheie dinamometrică pentru a asigura o forță de strângere stabilă. În plus, atunci când utilizați dispozitive de fixare pentru a poziționa și fixa piesele din aliaj de titan, asigurați-vă că se potrivește bine între suprafața de localizare a dispozitivului de fixare și suprafața de localizare a piesei de prelucrat și echilibrați forța de strângere a dispozitivului de fixare cu forța de susținere a piesei de prelucrat. Pentru suprafețele de prindere relativ mari, trebuie utilizată cât mai mult posibil o metodă de prindere distribuită pentru a evita deformarea cauzată de presiunea concentrată. Punctele de prindere ale clemelor de fixare trebuie să fie cât mai aproape posibil de suprafața prelucrată a piesei de prelucrat pentru a reduce vibrațiile generate în timpul tăierii aliajului de titan.
Pentru prelucrarea aliajelor de titan este strict interzisă utilizarea dispozitivelor de fixare, a instrumentelor de măsurare sau a diferitelor instrumente temporare care conțin plumb, zinc, cupru, staniu, cadmiu sau metale cu punct de topire scăzut--. Echipamentele, accesoriile și uneltele utilizate pentru aliajul de titan trebuie păstrate curate și necontaminate. Piesele din aliaj de titan trebuie curățate imediat după prelucrare, iar reziduurile de plumb, zinc, cupru, staniu, cadmiu, metale cu punct de topire scăzut-- etc., nu sunt permise pe suprafețele din aliaj de titan. Recipientele speciale de transfer trebuie folosite la mutarea și manipularea pieselor de prelucrat din aliaj de titan pentru a evita amestecarea și depozitarea acestora cu piese de prelucrat din alte materiale. Atunci când inspectați și curățați suprafețele din aliaj de titan prelucrate fin, purtați mănuși curate pentru a preveni contaminarea cu ulei și amprentele digitale, care ar putea cauza fisurarea prin coroziune sub tensiune și poate afecta performanța de service a piesei de prelucrat din aliaj de titan.
3.4 Parametrii de tăiere
Principalii parametri de tăiere pentru aliajele de titan sunt viteza de tăiere, viteza de avans și adâncimea de tăiere, viteza de tăiere fiind factorul principal care afectează prelucrabilitatea sa. Testele comparative între tăierea cu viteză constantă de rotație și tăierea cu viteză constantă la suprafață a pieselor de prelucrat din aliaj de titan indică faptul că tăierea cu viteză constantă de rotație are rezultate mai slabe decât tăierea cu viteză constantă la suprafață. Când viteza de tăiere vc=60 m/min, viteza de avans f=0.127 mm/tur și adâncimea de tăiere ap=0.05–0,1 mm pentru aliajele de titan, un strat întărit se găsește rar pe suprafața aliajului de titan.
Deoarece stratul întărit apare în principal pe suprafața piesei de prelucrat după finisare, adâncimea de tăiere în timpul finisării nu trebuie să fie prea mare, altfel va genera căldură de tăiere semnificativă. Acumularea căldurii de tăiere poate provoca modificări ale structurii metalografice a suprafeței aliajului de titan, generând cu ușurință un strat întărit pe suprafața piesei. O adâncime de tăiere excesiv de mică poate provoca frecare și extrudare pe suprafața piesei de prelucrat, ducând la întărirea prin lucru. Prin urmare, în timpul prelucrării pieselor din aliaj de titan, adâncimea de tăiere pentru finisare trebuie să fie mai mare decât dimensiunea șlefuirii sculei (pregătirea muchiei).
Selectarea vitezei de avans pentru aliajele de titan ar trebui să fie moderată. Dacă viteza de avans este prea mică, unealta taie în stratul întărit în timpul prelucrării, ceea ce duce la o uzură mai rapidă. Viteza de avans poate fi selectată pe baza diferitelor raze ale vârfului sculei. Finisarea selectează, în general, o viteză de avans mai mică, deoarece o viteză mare de avans crește forțele de tăiere, determinând încălzirea și îndoirea sculei sau așchierea. Tabelul 2 prezintă parametri comuni pentru tăierea aliajelor de titan cu diferite tipuri și materiale de scule.
3.5 Sistem de răcire
Cerința pentru fluidul de tăiere în tăierea aliajului de titan este ceață scăzută. Uneltele de răcire cu presiune înaltă-trebuie selectate pentru prelucrarea aliajelor de titan,配合机床高压泵,冷却压力可达(60–150) × 10⁵ Pa (aproximativ 60–150 bar). Utilizarea sculelor de răcire cu presiune înaltă-pentru prelucrarea aliajelor de titan poate crește viteza de tăiere de 2-3 ori, poate prelungi durata de viață a sculei și poate îmbunătăți morfologia așchiilor din aliaj de titan. La aplicarea fluidului de tăiere în timpul prelucrării aliajului de titan, forța de tăiere este redusă cu 5%-15% în comparație cu tăierea uscată a aliajului de titan, forța radială este redusă cu 10%-15%, temperatura de tăiere este redusă cu 5%-10%, iar morfologia suprafeței aliajului de titan prelucrat este mai bună cu o calitate mai mică a suprafeței adezive, care este mai bună.
Emulsia chimică Trim E206 utilizată în prezent, amestecată din 8% concentrat și 92% apă pură, cu o concentrație de 7%–9%, obține rezultate bune de prelucrare în prelucrarea materialului din aliaj de titan și poate fi utilizată în operațiuni de strunjire, frezare și șlefuire. Trim E206 conține aditivi speciali care controlează eficient formarea-marchii în sus. Fluidul de tăiere conține molecule emulsionate minuscule, îmbunătățind stabilitatea fluidului de tăiere și reducând transportul-în timpul prelucrării, facilitând intrarea fluidului de tăiere în zona de tăiere. În plus, Trim E206 are o rezistență puternică la contaminarea cu ulei, iar reziduurile din fluidul de tăiere sunt ușor solubile în apă și fluidul de lucru, ajutând la menținerea curățeniei echipamentelor și a suprafețelor pieselor prelucrate.
4. Integritatea suprafeței din aliaj de titan
4.1 Inspecția microstructurii pieselor forjate din aliaje de titan
Inspecția microstructurii aliajului de titan implică examinarea suprafeței unei piese de aliaj de titan gravate sub un microscop electronic pentru a observa caracteristicile morfologice, distribuția etc. ale microstructurii materialului, utilizate pentru a verifica dacă structura metalografică a aliajului de titan respectă standardele relevante și specificațiile de desen. Pașii pentru inspecția microstructurii pieselor forjate din aliaj de titan sunt: prelucrarea brută a forjarii → lustruirea suprafeței → gravarea suprafeței → curățarea → uscarea → inspecția microscopică. Inspecția microscopică a aliajului de titan Ti6Al4V este prezentată în Figura 2.
a) Lustruirea suprafeței b) Gravarea suprafeței
c) Clătirea cu apă d) Examen microscopic
Scopul prelucrării brute a forjării este de a îndepărta complet carcasa. Suprafața aliajului de titan este lustruită cu șmirghel de alumină cu granulație de 400#–800#, iar rugozitatea suprafeței trebuie să atingă cerințele de grad Ra=0.025 μm sau mai mari. Gravarea folosește reactivul Kroll, preparat ca soluție apoasă 2% HF, 4% HNO₃. O cantitate adecvată de reactiv Kroll este aplicată pe suprafața din aliajul de titan lustruit până când se obține structura limpede dorită, apoi clătită cu apă și uscată. Un microscop electronic portabil este utilizat pentru a inspecta suprafața aliajului de titan. Structura trebuie să conțină 10%-50% primar. Morfologia microstructurală a aliajului de titan Ti6Al4V prezentată în Figura 3 reprezintă o structură metalografică calificată.
a) Primar în -matricea transformată b) Discontinuă la granițele granulelor
c) Lamelar în boabe
4.2 Inspecția coroziunii prin anodizare albastră pentru aliajele de titan
În timpul prelucrării aliajului de titan, când apare uzura flancului sculei, rezistența la impact a sculei scade treptat, ceea ce duce la întărirea prin lucru pe suprafața prelucrată a aliajului de titan din cauza extrudarii și supraîncălzirii. Metoda de coroziune cu anodizare albastră este utilizată în mod obișnuit pentru a detecta întărirea și alte defecte. Suprafața unei piese de prelucrat din aliaj de titan după coroziunea de anodizare albastră este prezentată în Figura 4. După dizolvarea post-tratamentului piesei de prelucrat din aliaj de titan anodizat, culoarea unei pelicule de oxid calificat ar trebui să fie un albastru deschis uniform (vezi Figura 4a). Piesele de prelucrat din aliaj de titan întărit, după inspecția la coroziune, prezintă o suprafață albastru închis (a se vedea figura 4b) sau zone mai întunecate localizate (a se vedea figura 4c), cu distribuție neuniformă a culorii în diferite zone.
a) Albastru deschis uniform b) Albastru închis c) Albastru închis localizat
După coroziune cu anodizare albastră, pentru piesele care prezintă întărire prin lucru, metode precum reglarea materialului sculei de tăiere, acoperirea și unghiurile de tăiere pentru prelucrarea aliajului de titan, optimizarea traseelor sculelor și parametrilor de tăiere pot fi utilizate pentru a controla și elimina întărirea prin lucru.
4.3 Finisarea suprafeței aliajelor de titan
Pentru a elimina defectele de suprafață ale discurilor compresoarelor, butucilor, rotoarelor, arborilor și distanțierilor rotorului din aliaj de titan și pentru a îmbunătăți durata de viață a piesei, după finalizarea tuturor operațiunilor de prelucrare mecanică a piesei de prelucrat din aliaj de titan, finisarea manuală a discurilor cu lampa poate fi utilizată pentru finisarea suprafeței. Finisarea discului cu clapete necesită utilizarea instrumentelor de finisare prezentate în Figura 5: o unealtă rotativă cu aer (viteză 18.000 rpm), un dorn de lustruire și o cârpă abrazivă din alumină sau carbură de siliciu (specificație 10 mm × 20 mm, granulație 120#).
a) Unealtă rotativă cu aer b) Mandrin de lustruit c) Pânză abrazivă
Finisarea canelurii interioare a unei piese de prelucrat din aliaj de titan este prezentată în Figura 6. Pentru a obține rezultate bune de finisare, pot fi utilizate următoarele metode:
Îndoiți cârpa abrazivă de alumină pe lungime și introduceți-o ferm în fanta de prindere de la capătul frontal al dornului de lustruit. Strângeți-l în direcția opusă direcției de rotație a dornului. Schimbați cu o cârpă abrazivă nouă după terminarea fiecărei suprafețe a piesei de prelucrat (vezi Figura 6a).
Pânza abrazivă rotativă ar trebui să se întoarcă pe suprafața aliajului de titan timp de unul sau două cicluri, fiecare ciclu durând 10-30 de secunde, cu o viteză alternativă de aproximativ 1,57 mm/s (vezi Figura 6b).
Când finisați diferite suprafețe ale piesei de prelucrat din aliaj de titan, schimbați cârpa abrazivă între cicluri. În timpul finisării manuale, utilizați o cheie de oprire adecvată sau un dispozitiv mecanic de oprire a adâncimii pentru a controla trecerea pânzei abrazive rotative.a) Instalarea pânzei abrazive b) Lustruire rotativă
5. Concluzie
Aliajul de titan este un material tipic, dificil de prelucrat--. Datorită forțelor mari de așchiere, temperaturilor ridicate de așchiere și uzurii severe a sculei în timpul prelucrării, selectarea materialelor rezonabile pentru scule și a geometriilor plăcuțelor este principala provocare în prelucrarea aliajelor de titan. Uneltele care conțin carbură de ti-au performanțe bune la uzura anti-difuzie. În timpul tăierii, pe suprafața sculei se formează un strat stabil de aderență din aliaj de titan, care poate inhiba uzura. Odată cu dezvoltarea uneltelor domestice, eficiența de prelucrare a aliajelor de titan s-a îmbunătățit treptat, economisind costurile de prelucrare și jucând un rol pozitiv în realizarea localizării generale a motoarelor. În practica de producție, prelucrarea aliajelor de titan ar trebui să se bazeze pe condițiile existente ale întreprinderii în ceea ce privește tehnologia, echipamentul, managementul și costul. Ar trebui selectate dispozitive de poziționare rezonabile, iar parametrii de tăiere ar trebui optimizați folosind platforma de date de informații a întreprinderii, îndepărtându-se treptat de conceptul extins de prelucrare de selectare a parametrilor bazat exclusiv pe experiență și analogie.
Prin efectuarea de inspecții de microstructură pe piesele forjate din aliaj de titan, structura metalografică a aliajului de titan prelucrat grosier poate fi comparată și evaluată. Prelucrarea de finisare poate elimina eficient defectele de prelucrare și materiale de pe suprafața aliajului de titan, îmbunătățind durata de viață a piesei de prelucrat. Inspecția coroziunii prin anodizare albastră poate identifica eficient defectele, cum ar fi întărirea prin muncă, care apar în timpul prelucrării aliajului de titan. Controlul eficient al integrității suprafeței aliajului de titan prelucrat este de mare importanță pentru stabilizarea calității prelucrarii aliajului de titan și pentru îmbunătățirea duratei de viață a pieselor din aliaj de titan.
Acest articol a fost publicat înPrelucrarea metalelor (prelucrare la rece), Numărul 7, 2021, paginile 1–5, scris de Huang Qiang de la AECC Xi'an Aero-Engine Ltd., inițial intitulat „Metode de prelucrare și tehnologie de control al integrității suprafeței pentru aliajele aerospațiale de titan”.
