Исследование накатывания резьбы на заготовках из труднообрабатываемых материалов

IV. Обсуждение результатов

Для производства катодов, используемых в установках магнетронного напыления, целостность поверхности не важна, однако, как уже было сказано ранее, технические требования к изготовлению катодов для установок магнетронного напыления не допускают наличия в поверхностном слое включений инородных материалов. Известно, что при электроэрозионной обработке поверхности обрабатываемой заготовки и электрода-инструмента подвергаются воздействию высоких температур и значительных давлений. Под их влиянием происходит образование различных фаз, подчиняющихся принципу минимума потенциальной энергии.

При детальном рассмотрении с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра на микрошлифах выявлена толщина дефектного слоя. Для первого прохода она составила не более 18 цш, для второго -не более 13цш, для третьего - не более 6 цш, а для четвертого - не более 3 цш. Предполагается, что глубина трещин не должна превышать толщину дефектного слоя, который можно удалить с помощью финишной механической обработки, такой как шлифование или полирование. Следует отметить, что для изделий, при производстве которых необходим высокий уровень адгезии такого рода трещины пойдут только на пользу, при этом не рекомендуется использовать изделия, обработанные с помощью ЭЭО там, где на обработанную поверхность будет оказываться высокое давление.

V. Выводы и заключение

Необходимо отметить, что электроэрозионная обработка является экономичным методом обработки тугоплавких металлов. Несмотря на это, из полученных в ходе исследования данных о глубине проникновения материала электрода-инструмента в поверхностный слой циркониевой мишени можно сделать вывод, что необходимо оставлять припуски для финишной шлифовки или полировки перед использованием изделий по назначению. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования данных образцов для назначения конкретных режимов шлифования или полирования.

Список литературы

1. Barenji R. V., Pourasl H. H., Khojastehnezhad V. M. Electrical discharge machining of the AISI D6 tool steel: Prédiction and modeling of the material removal rate and tool wear ratio // Precision Engineering. 2016. Vol. 45. P. 435-444.

2. Sharakhovsky L. I., Marotta A., Essiptchouk A. M. Model of workpiece erosion for electrical discharge machining process // Applied Surface Science. 2006. Vol. 253. P. 797-804.

3. Malek O., Vleugels J., Perez Y., Baets P. De Liu J., Berghe S. Van Den, Lauwers B. Electrical discharge machining of ZrO 2 toughened WC composites // Materials Chemistry and Physics. 2010. Vol. 123(1). P. 114-120.

4. Fukuzawa Y., Mohri N., Gotoh H., Tani T. Three-dimensional machining of insulating ceramics materials with electrical discharge machining // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009. Vol. 19. P. 150-156.

5. Aktug S. L., Kutbay I., Usta M. Characterization and formation of bioactive hydroxyapatite coating on commercially pure zirconium by micro arc oxidation // Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 695. P. 998-1004.

УДК 621.9

ИССЛЕДОВАНИЕ НАКАТЫВАНИЯ РЕЗЬБЫ НА ЗАГОТОВКАХ ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

И. А. Бугай, А. Ю. Попов, О. П. Евдокимова, П. В. Назаров, П. Е. Попов, К. С. Петроченко, М. А. Тотик, А. И. Дацько

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-93-97

Аннотация - В производстве аэрокосмической техники используются титановые сплавы, и одной из важнейших задач является повышение прочности изделий и ресурса в целом. В работе исследована возможность накатывания специальной резьбы на двухроликовом накатном станке на заготовке из титанового сплава ВТ 6. Это трудно деформируемый сплав, обработка которого в холодном состоянии вызывает проблемы из-за низкой пластичности. Получить накатыванием изделие с резьбой на сплаве ВТ-6 достаточно сложно, это и связано с большими осевыми перемещениями заготовки вследствие большого сопротивления сплава холодной пластической деформации. Обеспечение правильной кинематики требует экспериментальных исследований и подбора режимов - скорости накатывания и давления на подвижном ролике. Цель работы - определение оптимальных режимов для накатывания резьбы на заготовке из титанового сплава. Установлено, что после накатывания наблюдается повышение прочности изделия до 30%. По результатам работы создана установка и предложены рекомендации по выбору оптимальных режимов процесса накатывания.

Ключевые слова: пластическая деформация, накатывание резьбы, накатные ролики, титановый сплав, резьбонакатной станок.

I. Введение

Весьма производительным методом получения резьб является накатывание на двухроликовых станках в холодном состоянии вместо обработки резанием. Авиационные двигатели комплектуются ответственными резьбовыми деталями, условия работы которых требуют обеспечения высокой точности и повышения механических свойств резьбы. В качестве примера можно назвать силовые шпильки, крупные шпильки паровых, газовых и гидравлических турбин и прочие изделия, которые изготавливаются в больших количествах из высоколегированных термически обработанных сталей. Образование резьбы на таких деталях резанием довольно сложно, трудоемко и не обеспечивает необходимых физико-механических свойств. Поэтому более эффективной является обработка накатыванием.

Процесс накатывания в зависимости от конструкции детали может осуществляться на различном оборудовании: как на специальных резьбонакатных станках, так и на универсальных станках с использованием различной технологической оснастки и конструкций резьбонакатного инструмента.

Процесс накатывания резьбы происходит при постепенном сближении накатных роликов и обкатывании ими заготовки. В результате происходит перераспределение материала заготовки с поверхности во впадины витков резьбы роликов. Процесс продолжается или до полного заполнения витков резьбы роликов (при замкнутом контуре профиля инструмента), или до получения полного профиля резьбы на детали (при работе роликов с открытым контуром). Таким образом, при накатывании резьбы роликами происходит пластическое деформирование наружного слоя заготовки, которое вызывает изгиб наружных волокон металла эквидистантно профилю резьбы, при этом волокна металла заготовки не перерезаются, и процесс накатывания происходит без снятия стружки. Благодаря изгибу волокон металла резьба получается более прочной. Кроме того, поверхность резьбы получается уплотненной и наклепанной. Накатанная резьба, по сравнению с нарезанной, имеет увеличенную поверхностную твердость (до 30%).

Исследованием и практическим внедрением способов накатывания важное место занимают работы Т.А. Султанова, Ю.Л. Фрумина, И.Я. Шнайдермана, М.З. Хостикоева и других [0-4].

II. Постановка задачи

Изучению свойств титана в процессе холодной пластической деформации и их структуре посвящен ряд статей. Однако в большинстве случаев в статьях подобного рода рассматривается микроструктурный анализ титана после обработки прокаткой, выдавливанием профиля либо штамповкой. В другом случае приводятся свойства титана при учёте термических воздействий.

В данной работе исследована возможность накатывания специальной резьбы резьбонакатными роликами на заготовке из титанового сплава ВТ-6. Поскольку накатывание является способом холодной пластической деформации, можно принимать во внимание рекомендации, полученные из литературы. Однако накатывание -это процесс пластического формообразования профиля на поверхности заготовки в отличие от прокатки, когда воздействию подвергается вся заготовка, или штамповки, где воздействие оказывается на значительно меньшие участки заготовки.

Для определения возможности получения резьбы был использован образец титанового сплава ВТ6 диаметром 3 мм. Накатывание производилось на двухроликовом станке.

В процессе выполнения работ экспериментально было установлено, что для обеспечения накатывания необходимо обеспечить снижать скорость накатывания ниже пределов заложенных в конструкцию станка. Также стоит отметить, что сила обжатия роликов требовалась больше, чем при накатывании резьбы на аналогичных образцах из стали и сплавов. Попробуем объяснить с физической точки зрения результаты, полученные в работе.

III. Теория

На рис. 1 приводится зависимость основных механических свойств титана, таких как предел текучести, предел прочности от скорости деформации в при растяжении образцов. Из приведённой зависимости видно, что при увеличении скорости значения с0)2 и се постепенно возрастают. Следовательно, при увеличении скорости деформации механические свойства возрастают, что делает процесс обработки ещё более сложным.

a„'j, МШ

900

10

V мм'мин

а)

б)

Рис. 1. Зависимость предела текучести (а), предела прочности (б) от скорости растяжении образца для титана ВТ5

Применительно к работе с накатыванием резьбы на стержне можно констатировать следующее:

1. Напряжения в стержне зависит от скорости накатывания. С увеличением скорости вращения головки увеличивается сопротивление деформации. Следовательно, при более высоких оборотах деформация стержня замедляется еще и за счет упрочнения, и заготовка начинает перемещаться вдоль поверхности ножа из-за прекращения внедрения роликов в заготовку и несовпадения углов подъема резьбы на роликах и заготовке. Это органический недостаток метода накатывания.

2. В процессе накатывания без подачи (ролики перестают внедряться в заготовку из-за упрочнения поверхности резьбы) происходит отслаивание поверхностного слоя заготовки и появление «шелухи», которая делает шероховатость поверхности детали неприемлемой и приводит к разрушению и смятию участков резьбы роликов.

Опираясь на оба эти утверждения, можно сделать вывод о том, что с увеличением скорости накатывания ухудшаются показатели процесса резьбонакатывания. Эту зависимость можно представить в виде графика, на оси абсцисс которого будет отложено значение параметра, а по оси ординат значение скорости. График очень похож на графики изменения механических свойств от скорости растяжения элемента. Изменение значений происходит по линейному закону. В качестве точных значений можно указать, что для конкретных значений скорости значения механических свойств будут точки на графике. Если сравнивать эти значения со значениями для сталей, то можно заметить, что для титана при сопоставимых скоростях нагружения значения механических свойств выше.

IV. Результаты экспериментов

Для выполнения работы потребовалось модифицировать двухроликовый резьбонакатной станок. На станок был установлен частотный регулятор, позволивший снизить скорость вращения головки в 4 раза. Тем самым удалось достичь малой скорости накатывания до 5-7 м/мин.

Получены графики относительно упрочнения от температуры:

т°,с

Рис. 2. Упрочнение рассмотренных материалов от температуры

В рабочем диапазоне температур (200-600 °С) временное сопротивление для сталей снижается, а для титановых сплавов, несмотря на незначительное снижение, остается высоким (рисунок 1).

Для титанов и сталей (и сплавов) повышение температуры влияет на упрочнение одинаково. Но у титана теплопроводность ниже, и чтобы улучшить процесс обработки, его рекомендуют нагревать. Но, поскольку при высокой скорости обработки материал инструмента нагревается интенсивнее, чем титан (чего не скажешь о сталях) из-за повышенной температуры в зоне контакта заготовки и инструмента, то и вероятность разрушения инструмента выше, откуда следует, что при всех прочих схожих параметрах и изменении температуры целесообразно обрабатывать титан при меньших скоростях с использованием СОЖ и давлением в гидроцилиндре подачи ролика выше, чем для стали.

V. Обсуждение результатов В процессе работы получилось накатать круглую резьбу на заготовке из титана диаметром 3 мм на низких скоростях накатывания (рис. 2). При подробном рассмотрении можно заметить на вершинах резьбы канавку, характерную для накатывания.

Рис. 3. Накатанная резьба

Проведено исследование возможности накатывания резьбы на титановом сплаве ВТ6. Проведён анализ экспериментального накатывания, в результате которого были установлены закономерности, которые необходимо учитывать при подобном производстве. С учётом данных рекомендаций производство таким способом может быть реализовано.

VI. Выводы и заключение

Изучены основные характеристики и типы резьб, виды и способы пластического формообразования накатыванием. Изучены особенности накатывания резьбы на сплаве ВТ-6.

Для накатки резьбы на деталях из титановых сплавов целесообразно снижать скорость накатывания 5-7 м/мин при максимальном давлении в гидросистеме подачи ролика.

Список литературы

1. Карцев С. П. Резьбонакатной инструмент. М., 1959. 125 с.

2. Писаревский М. И. Накатывание точных резьб и шлицев. М.-Л.: Машгиз, 1963. 176 с.

3. Султанов Г. А. Резьбонакатные головки. М.: Машиностроение, 1966. 136 с.

4. Семенченко И. И. [и др.]. Проектирование металлорежущего инструмента. М., 1962.

5. Shi Ran, Nie Zhihua, Fan Qunbo, Li Guoju. Elastic plastic deformation of TC6 titanium alloy analyzed by in-situ synchrotron based X-ray diffraction and microstructure based finite element modeling // Ournal of alloys and compounds. 2016. Vol. 688. P. 787-795.

6. Zhao Zhuang, Chen Jing, Tan Hua, Lin Xin, Huang Weidong. Evolution of plastic deformation and its effect on mechanical properties of laser additive repaired Ti64ELI titanium alloy // Optics and laser technology. 2017. Vol. 92. P. 36-43

7. Dong He, Qiang Li, Yu Yan, Xiguang Huang, Tabassam Yasmeen. Study of plastic deformation mechanisms in TA15 titanium alloy by combination of geometrically necessary and statistically-stored dislocations // International journal of materials research. 2016. Vol. 107. Is. 12. P. 1073-1081.

8. Korovin G. I., Filippov A. V., Proskokov A. V., Gorbatenko V. V. Cutting Edge Geometry Effect on Plastic Deformation of Titanium Alloy // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 125. DOI: 10.1088/1757-899X/125/1/012012.

9. Korovin G. I., Filippov A. V., Proskokov A. V., Gorbatenko V. V. Cutting Edge Geometry Effect on Plastic Deformation of Titanium Alloy // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vol. 125. https://doi.org/10.1088/1757-899X/125/1/012012.