Титановые сплавы (ТС) благодаря своим уникальным эксплуатационным свойствам находят все более широкое применение в различных отраслях машиностроения. Практика показывает, что они относительно хорошо обрабатываются лезвийным инструментом, значительно хуже — шлифованием. В статье рассматриваются причины низкой обрабатываемости ТС и приведены результаты технологических исследований по решению этой проблемы.

 

Растущие требования к современным материалам, расширение областей их применения приводят к появлению новых материалов, а также к росту объемов уже хорошо зарекомендовавших себя.
Титановые сплавы (ТС) благодаря своему высокому соотношению прочности к весу, а также исключительной коррозионной стойкости являются основным материалом для изготовления широчайшего спектра различных компонентов, в частности, ступеней компрессоров в 
авиадвигателях. Содержание этих материалов увеличилось с 3% в 1950‑х годах до 33% в настоящее время от массы авиадвигателей [1].

 

Наиболее типичным представителем (α+β)-титановых сплавов является Ti6Al4V, используемый для изготовления вращающихся и статических деталей газотурбинных двигателей (ГТД). Этот сплав используется для изготовления дисков вентилятора и компрессора низкого давления, а также лопаток, например, двигателя Pratt и Whitney 4084.

 

На долю сплава класса Ti6Al4V (обозначение UNS R56400), который иногда называют TC4, Ti64 [2] или ASTM Grade 5, приходится около 50% всех изделий из ТС, а в аэрокосмической промышленности и медицине применение этого сплава составляет до 80% изделий [3].

 

В настоящее время максимальный температурный предел для материалов, близких к α-сплавам и работающих при повышенных температурах, составляет около 540°C. Такое температурное ограничение для ТС означает, что самые горячие детали компрессора, т. е. диски и лопатки последних ступеней компрессора, должны изготавливаться из жаропрочных сплавов на основе никеля, вес которых почти вдвое больше. Поэтому предпринимаются огромные усилия по разработке компрессора, полностью изготовленного из титана. Требуются ТС, которые могут использоваться при температурах 600°C и выше.

 

За последние 30 лет были предприняты значительные усилия по разработке интерметаллических сплавов для применения в авиационных ГТД. Основной движущей силой была замена сплавов на основе никеля плотностью 8–8,5 г/см³ на материалы с меньшей плотностью (4–7 г/см³) и снижение веса двигателя. Наибольшее внимание было уделено системам на основе алюминидов титана и никеля.

 

Широкомасштабное применение γ-­TiAl в авиакосмических двигателях началось с использования этого дуплексного материала из гамма-­алюминида титана, в частности, сплава GE 48Al‑2Cr‑2NB, в двух последних ступенях двигателя GEnx для Boeing 787 Dreamliner, который поступил в эксплуатацию в 2011 году.

 

Новые двигатели Pratt и Whitney GTF, такие как CFM Leap, имеют разные ступени, состоящие из γ-­TiAl-лопаток в зонах турбин низкого давления. Термостойкость, обычно присущая никелевым сплавам, наряду с характеристиками легкого веса титана делают γ-­TiAl привлекательным для производителей двигателей, которые стремятся к повышению топливной экономичности и снижению выбросов [4].

 

Высокая точность механической обработки ТС и требуемое качество поверхности достигаются на этапах прецизионного шлифования. Актуальность вопросов финишной обработки ТС сопровождается интенсификацией информационных и технологических исследований.

 

В настоящее время наблюдается высокий интерес к исследованиям, посвященным шлифованию ТС. Результаты обработки данных по статистике публикаций и по наличию в названии профильных ключевых слов на информационной платформе ScienceDirect, издательства Elsevier, показаны на рис. 1. Известно, что ресурс ScienceDirect предоставляет доступ к более чем 14 миллионам публикаций, размещаемых в 2500 научных журналах, и 37 тысячам книг издательства Elsevier, а также к большому количеству журналов, которые выпускаются престижными научными сообществами.

 

Рис. 1. Рост числа публикаций, посвященных шлифованию ТС (статьи на английском языке) по данным сайта  ScienceDirect

 

 

Как видно из данных рис. 1, только один указанный интернет-­ресурс, содержащий более четверти всех мировых публикаций, позволяет определить ежедневный выход в 2023 году не менее 8 научных статей, посвященных исследованиям шлифования ТС.

 

Оценка поисковых запросов по всем регионам на словосочетания: в «Яндексе» — «обработка титановых сплавов» и Google — «titanium alloy machining» — позволила установить, что их суммарный объем составляет более 700 в месяц, при этом активность пользователей «Яндекса» в 2,8 раза превышала любознательность абонентов Google.

 

 

СВОЙСТВА Ti6Al4V, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ЕГО ШЛИФОВАНИЯ

 

 

Титан, являясь уникальным материалом, имеет и исключительную обрабатываемость. Обрабатываемость ТС шлифованием (шлифуемость) как комплексное технологическое свой­ство материала, характеризующее способность подвергаться обработке абразивным инструментом, зависит в первую очередь от физико-­химических свой­ств сплава, характеристики шлифовального круга и режимов обработки. В таблице 1 представлены некоторые сравнительные характеристики среднеуглеродистой стали и сплава Ti6Al4V, определяющие технологические особенности шлифования этого сплава [5, 6].

 

 

В таблице 2 на основании анализа работ [5–7] собраны сведения об особенностях шлифования ТС, обусловленных их физико-­химическими свой­ствами.

 

Титан очень плохо проводит тепло. На рис. 2 приведены круговые диаграммы распространения тепла в деталь, инструмент и стружку при механической обработке стали и ТС [7].

 

        а) Теплопередача                                          б) Теплопередача
            при механической                                       при механической
            обработке стали                                         обработке ТС
Рис. 2. Распространение тепла в деталь, инструмент и стружку при механической обработке стали и ТС

 

Низкая теплопроводность Ti6Al4V задерживает процесс теплоотвода и препятствует эффективному отводу тепла из зоны резания. Следует отметить, что при механической обработке ТС образуется более тонкая стружка из-за большого угла сдвига при отсутствии наростов на кромке. Более тонкая стружка соответствует меньшей площади контакта между режущим инструментом и стружкой, таким образом, меньшее количество тепла может быть выведено из зоны резания и передано стружке [8, 9]. Результаты сравнительных исследований, представленные на рис. 3, показали, что при механической обработке Ti6Al4V до 80% тепла остается в инструменте. Несмотря на некоторое разночтение выходных данных работ [7–9], они означают, что режущему инструменту передается огромное количество тепла, что определенно отрицательно сказывается на сроке службы инструмента.

 

Рис. 3. Распределение тепла между инструментом и стружкой при обработке Ti6Al4V и стали 45
 

 

В работах [10, 11], посвященных в том числе шлифованию ТС, также подчеркивается, что значительная часть тепла из зоны резания передается кругу, обрабатываемой детали и СОЖ. Реакционная способность титана взаимодействовать с кислородом, азотом, водородом и углеродом вместе с высокой температурой зоны контакта увеличивает износ шлифовального круга. Различают два разных типа износа. С одной стороны, это износ зерна, который еще называют усталостно-­адгезионным износом. Если же термическая и механическая стойкость связки недостаточна при высоких температурах зоны контакта, возникает другой вид износа: износ связки. Он характеризуется разрушением абразивных зерен при чрезмерном напряжении связки или при термическом или химическом износе связующего.

 

В испытаниях [11] при шлифовании TiAl6V4 до 80% износа шлифовального круга было вызвано износом связки. Большая часть износа была вызвана разрушением зерен и разрывом связей. Однако эта пропорция имела решающее значение для разрушения соединения, поскольку зерна затупились из-за износа и вызвали более высокие силы резания.

 

Износ абразивных зерен и связки происходит по различным механизмам изнашивания. В работе [12] классифицируются следующие типы абразивного износа: механический, химический и диффузионный. Механический износ означает, что абразивные частицы ломаются и отпадают из-за ударов и концентрации напряжений. Химический износ включает диффузионный износ, обусловленный ослаблением поверхностного слоя, вызванный взаимной диффузией элементов шлифовального круга, и окислительный износ, который означает, что оксидные абразивы стабильны на воздухе, в то время как поверхность других абразивов подвергается окислению при высокой температуре, что приводит к абразивному износу.

 

Износ абразивных зерен при обработке ТС кругами из SiC является как химическим, так и физическим, кругами КНБ — износ в основном физический, поскольку КНБ более устойчив к высоким температурам [13].

 

На основании изложенного следует предположить, что повышение эффективности процесса шлифования ТС будет происходить за счет усиления режущей способности абразивного инструмента, рациональных соотношений параметров режима шлифования, охлаждающей и смазочной способности СОЖ, эффективных конструкторских решений по отдельным узлам, системам и станку в целом.

 

 

УЛУЧШЕНИЕ РЕЖУЩИХ СВОЙСТВ ШЛИФОВАЛЬНЫХ КРУГОВ

 

 

Влияние твердости и других факторов, контролирующих износ кругов при шлифовании ТС, можно увидеть [14, 17] путем сравнения типичных значений коэффициента G для основных типов абразивов, шлифующих детали из различных промышленных материалов (таблица 3). Коэффициент шлифования G отражает работу абразивного инструмента и представляет собой отношение массы снятого материала к массе абразивного зерна, потерянного при обработке.

 

В работах [14–18] показано, что при шлифовании ТС круги с алмазным зерном дают самый высокий G-коэффициент, самые низкие усилия и температуры шлифования из всех стандартных типов абразивов, в то время как круги на основе оксида алюминия давали наихудшие 
результаты.

 

Несмотря на то, что алмазный круг [14] средней твердости позволяет шлифовать ТС более эффективно, чем СBN или SiC, тем не менее с экономической точки зрения SiC по-прежнему является предпочтительным абразивом в промышленности, отчасти из-за стоимости абразива, но в большей степени из-за простоты использования, особенно при обработке форм, важных для аэрокосмической и медицинской промышленности, при способности обеспечивать приемлемое качество заготовки.

 

При обработке ТС [10] образуется стружка с высокореактивной поверхностью, которая может застревать в порах шлифовального круга и приводить к засорению, поэтому в инструменте необходимо иметь достаточный объем порового пространства.

 

Для шлифования труднообрабатываемых материалов в нашей стране [19] разработаны специальные рецептурные составы, изготовлены и исследованы круги с широким спектром технологических и эксплуатационных свойств. В частности, для глубинного шлифования ТС круги из карбида кремния зеленого марки 63С и 64С и черного 54С с зернистостью 10, 12, 16 и 25, твердостью в диапазоне от ВМ1 до С1 и с номерами структуры 10, 12, 14 и 16.

 

Как показывают проведенные исследования шлифования сплава ВТ3‑1, с увеличением структуры кругов с 10 по 16 при уменьшении объемного содержания абразивного зерна с 42 до 30% потребляемая мощность резания заметно снижается (рис. 4). Это снижение тем больше, чем больше глубина обработки.

 

Рис. 4. Влияние глубины обработки на потребляемую мощность шлифования сплава ВТ3‑1 кругом 64С16ПМ112К с номерами структуры 10, 12, 14 и 16 при vкр = 20 м/с, vст = 40 мм/мин.
 

 

По результатам испытаний [19] можно сделать важный вывод о том, что оптимальная характеристика высокопористых кругов на керамических связках должна назначаться в зависимости от условий шлифования ТС. Для условий маятникового шлифования целесообразно применять круги твердостью М3…СМ1 со структурой 10…12, а для глубинного шлифования с циклической правкой инструмента — круги твердостью М1…М2 и структурой 12 и выше. Зернистость абразива зависит от требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности, но при глубинном шлифовании ТС более эффективно работают высокопористые круги с зернистостью 16.

 

Можно констатировать, что разработанный высокопористый инструмент на керамических связках со структурами 10…16 в сочетании с оптимальными режимами обработки дает возможность эффективной реализации процесса профильного глубинного шлифования различных деталей из ТС с производительностью до 300 мм³/мм·мин.

 

Заданный рельеф шлифовального круга может создаваться с помощью изменения режимов правки круга. Так, параметры правки круга: коэффициент перекрытия Uпр и глубина правки tпр формируют на режущей поверхности абразивного инструмента резьбу, или винтовой профиль, создающий эффективную режущую поверхность инструмента. Правильный выбор параметров правки определяет качество поверхности ТС, а также засаливание абразивного круга. В результате анализа результатов [20] установлено, что изменение состояния режущей поверхности круга SiC с агрессивной правки (U_пр = 3 и t_пр = 40 мкм) на состояние мягкой правки (U_пр = 12 и t_пр = 20 мкм) привело к снижению на 53,74% значений Ra и увеличению коэффициента G на 65,93% при шлифовании Ti6Al4V.

 

В статье [21] представлены результаты численного и экспериментального исследования по шлифованию Ti6Al4V с использованием традиционного шлифовального круга и вновь разработанного шлифовального круга с агрегатами зерен рис. 5.

 

Рис. 5. Конструкция шлифовального круга с агрегатами

 

 

Испытания и анализ процесса шлифования ТС проводились с использованием обычных кругов из Al₂O₃ и модифицированных кругов с 30% содержанием абразивных агрегатов.

 

Модифицированный круг состоял из зерен основного размера Al2O3 (250 мкм) и абразивных агрегатов большего размера (355 мкм), чем основные зерна. Сами абразивные агрегаты состоят из абразивных зерен меньшего размера (106 мкм), чем основные зерна круга.

 

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что увеличение количества активных зерен на режущей поверхности шлифовального круга приводит к уменьшению эквивалентной толщины стружки, что ведет к снижению усилий (рис. 6) в процессе традиционного плоского попутного маятникового шлифования Ti6Al4V с охлаждением поливом СОЖ. В результате были получены поверхности с пониженной на 10…30% шероховатостью за счет того, что абразивный агрегат содержит многочисленные близко расположенные режущие кромки. 

 

Рис. 6. Влияние глубины резания на величину удельного нормального усилия шлифования Fn при использовании кругов твердостью K и M обычных и с агрегатами
 

 

Расстояния между абразивными зернами в абразивном агрегате значительно короче расстояний между основными абразивными зернами.

 

 

Связка в агрегатах характеризуется меньшей прочностью, чем связка между агрегатами и основными абразивными зернами, из-за чего при шлифовании ТС в агрегатах образуются микрополости, локально увеличивающие пористость и снижающие сопротивление резанию.

 

Авторы [21] утверждают, что применение модифицированных кругов при шлифовании Ti6Al4V повышает эффективность удаления материала, снижает усилия и энергию шлифования, а также значение параметра шероховатости поверхности.

 

В исследовании [22] представлены результаты экспериментов по шлифованию Ti6Al4V трехслойным абразивным инструментом (рис. 7) с наружными слоями обычной структуры и внутренним слоем с добавлением 30% абразивных наполнителей. Размер абразивных зерен во внешнем слое равен 300–250 мкм (F60) в соответствии со стандартом FEPA (Федерации европейских производителей абразивных материалов), размер зерен во внутреннем слое равен 125–106 мкм (F120), а абразивных наполнителей — 53–44,5 мкм (F240). При испытаниях этот инструмент обеспечил меньшую шероховатость обрабатываемой поверхности и позволил уменьшить расход СОЖ.

 

Рис. 7. Структура и геометрические свой­ства трехслойного шлифовального инструмента:
(a) SEM-изображение обычных зерен во внешних слоях, (b) профиль внутреннего 
цилиндрического слоя, (c) профиль внешнего конического слоя и (d) SEM-изображение 
абразивного наполнителя (примеси к обычным зернам)

 

Остается актуальной проблема улучшения теплопередачи в контактной зоне шлифования ТС. С целью повышения теплопроводности шлифовальных кругов из CBN на керамической связке в работе [23] было предложено использовать в качестве добавки графит, обладающий теплопроводностью, смазывающим эффектом и соответствующими химическими свой­ствами.

 

Экспериментальное исследование показало, что добавление графита способствует образованию пор в образцах шлифовальных кругов после спекания, улучшает способность шлифовального круга удерживать стружку и усиливает теплопроводность специализированного шлифовального круга. Были изготовлены шлифовальные круги на керамической связке с высокой теплопроводностью. Установлено, что при добавке графита 2 мас.% тугоплавкость и текучесть керамической связки становятся выше, прочность на изгиб образца шлифовального круга несколько снижается, а пористость увеличивается. Таким образом, стружкоемкость специализированного шлифовального круга становится выше.

 

Шлифование титанового сплава ТС4 в равных условиях эксперимента показало, что круги из CBN с высокой теплопроводностью превосходят обычные круги с точки зрения температуры и усилия шлифования, а также шероховатости поверхности TC4.

 

Известно улучшение теплопроводности режущих инструментов при токарной обработке и сверлении с помощью тепловых трубок, которые являются эффективным средством охлаждения зоны обработки без необходимости подачи СОЖ [24]. В настоящее время появилось достаточно много статей об оснащении шлифовальных кругов тепловыми трубками разной конструкции. Так, в публикациях [24, 25] предложены новые профильные шлифовальные круги с тепловыми трубками (рис. 8) для обработки Ti6Al4V.

 

а) Схема шлифовального круга                                    б) Эскиз и внешний вид круга и шпинделя
Рис. 8. Схемы и внешний вид используемых для обработки аэрокосмических деталей профильных шлифовальных кругов и шпинделя, оснащенных тепловыми трубками

 

Как известно, тепловая трубка — это устройство для теплопередачи, которое использует фазовый переход при передаче тепла между двумя твердыми поверхностями. При применении кругов с тепловыми трубками тепло из зоны шлифования будет передаваться наружу через рабочий слой круга, испарительную, адиабатную и конденсаторную секции пульсирующих тепловых трубок.

 

Учитывая, что размеры и форма шлифовальных кругов могут быть различными, на рис. 9 схематично показаны [26, 27] различные конструкции дисковых шлифовальных кругов с тепловыми трубками.

 

а) Шлифовальный круг с тепловыми трубками    б) Шлифовальный круг с кольцевой                         
                                                                                      вращающейся тепловой трубкой
Рис. 9. Различные конструкции дисковых шлифовальных кругов, оснащенных тепловыми трубками
 

 

В многочисленных работах [24–28] экспериментально и численно исследовалось влияние внутреннего диаметра трубок, рабочих тел и теплового потока на теплообменную способность. В качестве рабочей жидкости в трубках использовались деионизированная вода, ацетон, алмазная наножидкость и др. В публикации [24] установлено, что температура шлифования в зоне контакта с обычным шлифовальным кругом при скорости вращения 1180 об./мин самая высокая, а у круга с тепловыми трубками, наполненными алмазной наножидкостью, примерно на 12% ниже.

 

Для исследования [28] улучшенной теплоотдачи и способности регулировать температуру использовались четыре шлифовальных круга с 2, 4 и 6 вращающимися тепловыми трубками и круг без вращающихся трубок. При использовании большего количества вращающихся тепловых трубок улучшается теплопередающая способность шлифовального круга и снижается температура шлифования. При сравнении шлифовальных кругов с 0 и 6 вращающимися тепловыми трубками установлено (рис. 10), что температура в зоне шлифования снижается с 917°C до 286°C (на 68,7%) при тепловом потоке 1 × 10⁷ Вт/м².

 

а) Шлифовальный круг с тепловыми трубками        б) Максимальная температура в зоне шлифования при различных значениях теплового потока и количества тепловых трубок
Рис. 10. Результаты испытаний шлифовальных кругов с разным числом тепловых трубок
 

 

Шлифовальный круг с высокой теплопередающей способностью изменяет распределение тепла в процессе шлифования.

 

В результате температура на поверхности шлифования значительно снижается, например, температура на поверхности шлифования Ti6Al4V снижается с 823°C до 244°C (на 70,4%) при переходе от шлифовального круга без пульсирующих тепловых трубок к шлифовальному кругу с 6 тепловыми трубками при тепловом потоке  1 ×10⁷ Вт/м² [28].

 

Паяные шлифовальные круги из КНБ для обработки ТС изготавливают тремя методами: в вакуумной печи и при использовании лазерной и индукционной пайки [29]. Индукционная пайка более подходит для изготовления паяных кругов из КНБ большого размера (400 мм), учитывая, что большие круги невозможно паять в вакуумной печи из-за ограничения размера камеры. Кроме того, благодаря высокой скорости и локальному нагреву индукционная пайка может значительно уменьшить тепловую деформацию металлического корпуса круга. При этом деформация, определяемая как разница размеров до и после пайки, как правило, менее 0,01 мм. Это объясняется быстрым локальным нагревом во время процедуры индукционной пайки. Поэтому индукционная пайка оказалась отличным методом борьбы с деформацией круга.

 

Сравнение результатов шлифования TiAl6V4 кругом, паяным индукционным методом и инструментом на гальванической связке [29] показано на рис. 11. Отмечено, что удельная энергия шлифования уменьшается с увеличением удельной скорости съема материала. Более того, при одинаковой скорости съема материала удельная энергия шлифования паяного круга и параметр шероховатости Ra были заметно ниже, чем у круга с гальваническим покрытием. В основном это связано с достаточной стружкоемкостью и острыми режущими кромками на поверхности паяного круга, которые требовали меньше энергии для удаления материала и предотвращения налипания стружки.

 

Рис. 11. Зависимость удельной энергии шлифования от удельной скорости съема материала для разных кругов КНБ
 

 

Было обнаружено, что абразивный износ является основным видом разрушения шлифовального круга, полученного методом индукционной пайки, в то время как налипание и вырыв зерен являются основными видами разрушения гальванического круга.

 

С целью решения проблем прилипания и риска прижогов при сухом шлифовании ТС была проведена оценка эффективности шлифования [30] паяным кругом из КНБ с твердым смазочным покрытием из дисульфида молибдена MoS2. Проанализирован механизм смазки MoS2 в процессе шлифования и подготовлен круг КНБ с покрытием MoS2. Результаты показывают, что твердая смазка MoS2 образовывает смазочную пленку на поверхности шлифования и снижает коэффициент трения и усилие шлифования. В рамках экспериментов выявлено: нормальная составляющая усилия уменьшилось на 42,5%, а тангенциальная — на 28,1%.

 

Таким образом, смазка MoS2 эффективно улучшает отвод тепла из зоны шлифования ТС. По сравнению с обычным шлифовальным кругом КНБ КНБ-круг с покрытием MoS2 имеет более низкую температуру шлифования. Когда глубина шлифования достигает 20 мкм, температура шлифования снижается на 30,5%.

 

Смазывающее покрытие MoS2 существенно снижает износ зерен, уменьшает адгезию стружки, продлевает срок службы круга и улучшает качество поверхности обрабатываемой детали.

 

 

РАЦИОНАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ШЛИФОВАНИЯ ТС

 

 

На основании публикаций [31, 32] в таблице 4 собраны параметры классических методов шлифования ТС.

 

 

Лучшее качество поверхности ТС было достигнуто при использовании алмазных шлифовальных кругов на металлической или керамической связке без непрерывной правки [33], а маятниковое шлифование на небольшую глубину резания и высокие скорости стола, как правило, в большей степени подходят для шлифования Ti6Al4V, чем процессы глубинного шлифования, из-за благоприятных температурных условий [41, 42].

 

Известно, что при обычном шлифовании Ti6Al4V [34] существуют значительные риски потери режущей способности круга, прилипания стружки, возникновения поверхностных прижогов и высоких термических напряжений.

 

Чтобы улучшить результаты обработки ТС и избежать проблем, возникающих при классической обработке, в ряде научных центров исследуются нетрадиционные методы, включая ультразвуковое шлифование (УЗШ) [35], абразивное электроэрозионное шлифование (АЭЭШ) [36], лазерное шлифование (ЛШ) [37, 38], электрохимическое шлифование (ЭХШ) и их комбинации [39].

 

В исследовании [40] изучено влияние воздействия ультразвуковой вибрации при врезном плоском шлифовании сплава Ti6Al4V. Вибрация в диапазоне ультразвуковых частот (20 кГц) накладывалась на заготовку в направлении подачи, при этом усилия шлифования и шероховатость поверхности Ra сравнивались с обычной обработкой. В экспериментах использовался круг компании TYROLIT — 89А60К5АВ217 (175х15х51мм), в качестве правящего инструмента — единичный алмаз, СОЖ — щелочное мыло и для сравнения осуществлялась обработка без СОЖ.

 

Нормальные и тангенциальные составляющие силы резания при ультразвуковом шлифовании Ti6Al4V имеют среднее снижение на 13,5% и 14,2% соответственно. Спад сил больше при сухом шлифовании, чем при обработке с СОЖ. Параметр Ra уменьшился в среднем на 10% при воздействии ультразвуковой вибрации.

 

За счет снижения сил шлифования и улучшения шероховатости поверхности при шлифовании ТС возможна обработка на большую глубину и скорость резания с меньшим расходом СОЖ, что приведет к увеличению производительности и снижению себестоимости производства продукции. Кроме того, снижение потребления СОЖ желательно для экологически безопасного производства.

 

Результаты испытаний можно объяснить изменением динамики процесса шлифования при воздействии вибрации. Ультразвуковые вибрации создают ударные нагрузки, уменьшают контактную поверхность, изменяют глубину резания, способствуют самозатачиванию и улучшают проникновение смазки, что и приводит к положительным изменениям.

 

Экспериментальные исследования [36] абразивного электроразрядного шлифования (ЭРШ) Ti6Al4V с использованием шлифовального круга CBN на металлической связке позволили определить эффективность процесса по значениям удельной касательной силы шлифования и энергии искрового электрического разряда. Эксперименты проводились с использованием обычного шлифовального станка для чистовой обработки поверхностей и специально адаптированного генератора импульсов искрового разряда.

 

Установлено, что эффективность удаления припуска в среде ЭРШ зависела от условий процесса. Выявлены существенные различия в формировании геометрической текстуры поверхности, образующейся при ЭРШ и обычном шлифовании.

 

Значительное снижение значения тангенциальной составляющей силы резания было получено при ЭРШ с положительной поляризацией. Результаты эксперимента доказывают, что применение процесса ЭРШ (+) оказывают сильное влияние на эффективность удаления припуска при обработке.

 

Эксперименты по шлифованию Ti6Al4V показали, что процесс ЭРШ дает несколько худшие (более высокие) показатели шероховатости и волнистости по сравнению с традиционным шлифованием, однако эти параметры могут быть снижены за счет дополнительной фазы выхаживания (без фазы электроразряда) на заключительной стадии процесса ЭРШ. Последний проход приводит к значительно меньшей шероховатости поверхности, сравнимой с шероховатостью, достигаемой при обычном шлифовании.

 

Лазерное микрошлифование исследовалось в работе [37] с помощью диодного лазера с длиной волны 808 нм, который был установлен на прецизионный шлифовальный станок. Оно осуществлялось с предварительным нагревом детали лазером и при нанесении микроканавок на высокопрочных материалах, включая нитрид кремния и оксид алюминия, посредством микрошлифования. Результаты экспериментов показали, что лазерное шлифование способствует образованию более глубоких канавок из-за теплового расширения материалов заготовки, вызванного лазерным нагревом. При этом шероховатость обработанной поверхности была стабильно лучшей, чем шероховатость, полученная при использовании процесса индивидуального шлифования и подачи СОЖ. На СЭМ-изображениях поперечных сечений обработанных заготовок при использовании процесса лазерного шлифования не было обнаружено никаких повреждений подповерхностного слоя.

 

Проведенные в работе [38] эксперименты по ленточному шлифованию высокопрочного титанового сплава TC17 по схеме, показанной на рис. 12, как с применением лазерного источника мощностью 4,8 Вт, длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 13 пс, скоростью сканирования 1000 мм/с и частотой 2000 кГц, так и без лазерного воздействия показали снижение повреждений при лазерной обработке, что указывает на преимущества этого метода.

 

Рис. 12. Схема экспериментальной установки
 

 

В работе [39] предложен гибридный метод финишной обработки Ti6Al4V, включающий импульсное электрохимическое шлифование и ультразвуковую поддержку, схема показана на рис. 13. Как известно, при электрохимическом шлифовании для удаления материала используются механические и электрохимические воздействия, что приводит к снижению износа инструмента и улучшению шлифуемости ТС.

 

Рис. 13. Схема ультразвукового импульсного электрохимического шлифования
 

 

Шлифовальный круг из КНБ на металлической связке являлся катодом, заготовка — анодом, круг и заготовка заряжены соответственно отрицательно и положительно, когда между ними приложено электрическое напряжение. В то время когда жидкий электролит подается в зону шлифования между кругом и заготовкой, рабочий материал окисляется, и на большей части поверхности заготовки в зоне шлифования образуется тонкий слой кислорода за счет электролитического воздействия.

 

Абразивные зерна круга служат изолятором для поддержания индивидуальных химических реакций (анодного оксида), происходящих в зазоре обработки, а кислородный слой удаляется абразивными зернами механическими воздействиями. Испытания показали улучшение качества поверхности, снижение сил шлифования и уменьшение коэффициента трения, обусловленное образованием продукта электролиза TiO2 при увеличении входного напряжения до 20 В и числа оборотов круга.

 

С целью получения синергетического эффекта от возрастания эффективности процесса в результате интеграции авторы предложили использовать для удаления размягченной окисленной пленки, образовавшейся в результате электрохимической реакции, ультразвуковое шлифование, и в этом случае был получен гибридный технологический процесс — ультразвуковое импульсное электрохимическое шлифование (УИЭШ). На шлифовальный круг из КНБ диаметром 1,8 мм накладывали ультразвуковые колебания в направлении собственной оси.

 

В качестве заготовки использовали бруски Ti6Al4V размерами 14×10×6 мм, закрепленные на рабочем столе станка с ЧПУ 3D посредством трехкомпонентного динамометра. Экспериментами УИЭШ установлено, что нормальная и тангенциальная составляющие усилия резания при входном напряжении 20 В были уменьшены на 42,0% и 48% соответственно по сравнению с таковыми при обычном электрохимическом шлифовании ТС.

 

В заключение целесообразно отметить ряд доказанных результатами научных исследований приоритетов в шлифовании ТС:
• Преимущественное использование в качестве шлифовальных кругов абразивных материалов из зерен алмаза, КНБ и SiC.
• Применение высокоструктурных, высокопористых шлифовальных кругов.
• Безусловный положительный эффект от применения шлифовальных кругов с тепловыми трубками.
• Применение паяных шлифовальных кругов.
• Окончательных выбор традиционной или новой характеристики инструмента и его конструкции должен производиться на основе технико-­экономических показателей технологической операции конкретной детали.
• Использование как классических, так и нетрадиционных методов шлифования ТС, выбор метода определяется конструкцией детали и ее назначением.

 

Изучение и развитие средств и методов повышения эффективности шлифования ТС является ключевым для современной промышленности и производства и может принести значительные выгоды в виде повышения производительности, экономии ресурсов и улучшения качества продукции.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Muktinutalapati N.R. Materials for gas turbines-an overview //Advances in gas turbine technology.  2011. Т. 23.
2. Chu P.K., Lu X. P. (ed.). Low temperature plasma technology: methods and applications.  CRC press, 2013.
3. Wang H., Fang Z. Z., Sun P. A critical review of mechanical properties of powder metallurgy titanium // International journal of powder metallurgy.  2010.  Т. 46. № 5.  С. 45–57.
4. Grinding Gamma Titanium Aluminide. Andrew Biro. Norton Saint-­Gobain. 2015.
5. Технический паспорт титанового сплава Ti6Al4V (Grade 5) https://kyocera-­sgstool.co.uk/
6. Саютин Г.И. Шлифование деталей из сплавов на основе титана: монография / Г. И. Саютин, В.А. Носенко.  М.: Машиностроение, 1987.  80 с.
7. Bruhis Y., Sebring W., Noland D. High performance milling in aerospace materials // Niagara Cutter.  2014.
8. Ezugwu E.O., Wang Z.M. Titanium alloys and their machinability — a review // Journal of materials processing technology.  1997.  Т. 68. № 3.  С. 262–274.
9. Konig W. Applied research on the machinability of titanium and its alloys // Proc. 47th Meeting of AGARD Structural and Materials Panel, Florence, 1978. 
10. König W. Fertigungsverfahren 2: Schleifen, Honen, Läppen.  Springer-­Verlag, 2006.
11. Hönscheid W. Abgrenzung Werkstoffgerechter Schleifbedingungen für die Titanlegierung TiAI6V4:  дис.  Rheinisch-­Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1975.
12. Bhushan B. Modern tribology handbook, two volume set. CRC press, 2000.
13. Xu X., Yu Y., Huang H. Mechanisms of abrasive wear in the grinding of titanium (TC4) and nickel (K417) alloys // Wear.  2003.  Т. 255.  № 7–12.  С. 1421–1426.
14. Kumar K.V. Superabrasive grinding of titanium alloys //SME MR90‑505.  1990.
15. Ren J. . et al. Grinding burn and crack of Titanium alloy // Manufacturing Technology & Machine Tool.  2000.  Т. 10.  С. 40–42.
16. Renke K., Jingting Y., Jingxin R. Effect of grinding fluid on grinding properties of vitrified bonded BN wheel // Journal-­Northwestern Polytechnical University. 2000.  Т. 18.  № 4. С. 526‑531.
17. Jackson M.J., Hitchiner M.P. Abrasive tools and bonding systems // Machining with abrasives.  2011.  С. 1–77.
18. Kumagai N. Grinding of titanium with jet infusion of grinding fluid // Titanium'84 Science and Technology (5th Int. Conf. on Titanium), 1985.   Т. 2.  С. 1015.
19. Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. Учебное пособие.  2007.
20. Pereira M.F. et al. Influence of grinding wheel conditioning on the grindability of Ti6Al4V alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2023.  Т. 125.  № 3. 
21.  С. 1531–1542.
22. Kacalak W. et al. Performance evaluation of the grinding wheel with aggregates of grains in grinding of Ti‑6Al‑4V titanium alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2018.  Т. 94.  С. 301‑–314.
23. Lipiński D., Banaszek K., Rypina Ł. Analysis of the Cutting Abilities of the Multilayer Grinding Wheels — Case of Ti‑6Al‑4V Alloy Grinding // Materials.  2021.  Т. 15.  № 1.  С. 22.
24. Shi Y. et al. Investigation on the grinding properties of high thermal conductivity vitrified bond CBN grinding wheel for titanium alloy // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2020.  Т. 107.  С. 1539–1549.
25. Zhang L. et al. Analysis for green grinding of Ti‑6Al‑4V titanium alloys with profile rotating heat pipe-grinding wheel // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2023.  С. 1–13.
26. Chen J. et al. Investigation on cooling behavior of axially rotating heat pipe in profile grinding of turbine blade slots // Applied Thermal Engineering.  2021.  Т. 182.  С. 116031.
27. Qian N. et al. Experimental investigation of thermal performance of the oscillating heat pipe for the    grinding wheel // International Journal of Heat and Mass Transfer.  2019. Т. 136. С. 911–923.
28. Chen J. et al. A study on thermal performance of revolving heat pipe grinding wheel // Applied Thermal Engineering.  2021.  Т. 182.  С. 116065.
29. Qian N. et al. Numerical analysis on temperature field of grinding Ti‑6Al‑4V titanium alloy by oscillating heat pipe grinding wheel // Metals.  2020. Т. 10.  № 5.  С. 670.
30. Qilin L. I. et al. Investigation on induction brazing of profiled cBN wheel for grinding of Ti‑6Al‑4V // Chinese Journal of Aeronautics.  2021.  Т. 34. № 4. С. 132–139.
31. Zhao J. et al. Grinding characteristics of MoS2‑coated brazed CBN grinding wheels in dry grinding of Titanium alloy //Chinese Journal of Mechanical Engineering.  2023. Т. 36. № 1.  С. 109.
32. Ding W. et al. Review on grinding-­induced residual stresses in metallic materials // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.  2017.  Т. 88.  С. 2939–2968.
33. Ермолаев В.К. Современные шлифовальные станки: новые методы абразивной обработки. // РИТМ машиностроения. 2017. № 10.  С. 28–33.
34. Klocke F., Kuchle A. Manufacturing processes.  Berlin: Springer, 2009.  Т. 2.  С. 433.
35. J. Elanchezhian, M. P. Kumar, G. Manimaran, Grinding titanium Ti‑6Al‑4V alloy with electroplated cubic boron nitride wheel under cryogenic cooling, J. Mech. Sci. Technol. 29 (2015) 4885‑4890.
36. Nik M.G., Movahhedy M. R., Akbari J. Ultrasonic-­assisted grinding of Ti6Al4 V alloy //Procedia Cirp.  2012.  Т. 1.  С. 353–358.
37.  Święcik R. Experimental investigation of abrasive electrodischarge grinding of Ti6Al4V titanium alloy // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering.  2009.  Т. 37. № 2.  С. 706–711.
38. Chang W.L. et al. Laser assisted micro grinding of high strength materials // Key engineering materials.  2012.  Т. 496.  С. 44–49.
39. He Y. et al. Surface formation in laser-­assisted grinding high-strength alloys // International Journal of Machine Tools and Manufacture.  2023.  Т. 186.  С. 104002.
40. Li S. S., Wu Y. B., Nomura M. Fundamental investigation of ultrasonic assisted pulsed electrochemical grinding of Ti‑6Al‑4V // Materials Science Forum.  Trans Tech Publications Ltd, 2016.  Т. 874.  С. 279–284.
41. M.G. Nik, M.R. Movahhedy, J. Akbari, Ultrasonic-­assisted grinding of ti6Al4V alloy, Procedia CIRP 1 (1) (2012) 353–358.
42. Ермолаев В.К. Быстроходное шлифование — новые технологии и оборудование. // РИТМ машиностроения. 2020. № 2.  С. 8–14.
43. Ермолаев В.К. Устойчивое шлифование. // РИТМ машиностроения. 2023. № 4.  С. 52–59.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2024