ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ И ТОЧНОСТИ ПРИ ТОЧЕНИИ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЫВА ЦЕПИ ТЕРМОТОКА

Титановые сплавы являются одним из основных конструкционных материалов, применяемых в настоящее время в разных отраслях промышленности. Широкое применение титана и титановых сплавов обусловлено их отличительными свойствами, такими как высокая удельная прочность, коррозионная стойкость во многих агрессивных средах, немагнитность, хорошая жаропрочность при температурах эксплуатации до 500–600^° С [3].

Из сплавов на основе титана изготавливают различные детали машин, двигателей, корпусные детали. Примерами применения титана в промышленности являются бурильные и добывающие установки, насосы, трубы и трубопроводы, фланцы, втулки. Титановые сплавы широко используются для изготовления деталей машин, работающих в агрессивных средах и под высокими нагрузками.

При обработке изделий из титановых сплавов возникает немало трудностей: режущий инструмент быстро изнашивается, сложно достичь требуемого качества поверхностного слоя изделия, процесс резания является низко производительным и требует больших финансовых затрат. Одной из отличительных особенностей является то, что титановая пыль имеет свойство взрываться, поэтому при обработке резанием следует тщательно выбирать режимы резания и соблюдать условия безопасности. В связи с этим возникает потребность в изучении и предложении новых методов обработки изделий из титановых сплавов, а также усовершенствовании уже применяющихся на практике [2].

Целью работы является исследование метода повышения качества обработанной поверхности и точности при токарной обработке изделий из титановых сплавов путем электрической изоляции режущего инструмента.

При резании металлов и в процессе их трения возникает ряд физических явлений. Одно из таких явлений – возникновение тэрмоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в зоне контакта инструмента и обрабатываемой детали и, как следствие, появление термотока. В процессе резания металлов и металлических сплавов выделяется тепло и возникает естественная термопара между материалом режущего инструмента и обрабатываемой заготовкой. Вследствии того, что контактирующие материалы разнородны и являются естественной термопарой, помимо электродвижущей силы (ЭДС) также появляется термоэлектродвижущая сила. При этом в замкнутом контуре «станок-инструмент-изделие-станок» начинает функционировать термоток.

При обработке титановых сплавов возникают три известных термоэлектрических эффекта: Зеебека, Пельтье и Томсона.

Эффект Зеебека – явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термоЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах.

Эффект Пельтье заключается в дополнительном выделении и поглощении тепла в спаях разнородных проводников при протекании электрического тока, эффект Томсона – в обратимости выделения тепла в однородном проводнике, по которому течет ток, при одновременном наличии градиента температуры [1].

Появление термоЭДС объясняется тем, что материалы режущего инструмента и обрабатываемой заготовки разные и в результате их контакта возникает контактная разность потенциалов (КРП). Ее значение определяется разностью работ выхода электрона двух металлов и напрямую зависит от температуры контакта двух металлов.

В результате контакта двух разнородных металлов возникает контактная разность потенциалов (КРП), значение которой определяется разностью работ выхода электрона двух металлов. Контактная разность потенциалов зависит от температуры спая двух металлов. На схеме (рис.1) показан принцип появления термоЭДС при точении металла.

Рисунок 1. Схема возникновения термоЭДС и термотока при резании

В стационарном состоянии КРП спаев I, II, III равны. При установлении резания спай I нагревается и разность его КРП и КРП спаев II и III обуславливает появление электродвижущей силы, которую называют термоЭДС.

Как упоминалось выше, точение титана и титановых сплавов является сложным и весьма трудоемким процессом. Одной из причин возникновения дефектов на поверхности обрабатываемой детали является выделение тепла в процессе резания. Для охлаждения зоны резания применяется способ электрической изоляции режущего инструмента.

В процессе резания режущий инструмент зачастую является положительным полюсом электрической цепи «станок-инструмент-изделие-станок» и, как доказано на практике, при его электрической изоляции температура в зоне резания снижается. Это обуславливается тем, что путем электрической изоляции режущего инструмента устраняется дополнительная сила, вызванная действием электрического тока в цепи «станок-инструмент-изделие-станок». В связи с этим уменьшается сила резания и усадка стружки, что благоприятно влияет на качество обработанной поверхности и стойкость инструмента.

При этом управляя величиной ЭДС путем ее компенсаций или изоляцией инструмента, можно снизить шероховатость обработанной поверхности более значительно, чем это удается сделать приращением скорости резания [4].

В ходе изучения вопроса влияния электрической изоляции режущего инструмента на качество и точность обработанной поверхности, необходимо провести серию опытов. Для этого необходимо произвести точение детали изолированным и неизолированным резцом при прочих равных условиях.

В работе [4] была разработана установка для контроля величины ЭДС (рис. 2). В ходе эксперимента обработка производится твердосплавным резцом, изолированным при помощи прокладок-пластин, выполненных из сплава ОТ4. Для создания требуемой изоляции необходимо электрическое сопротивление 200 Мом. Для обеспечения требуемого сопротивления прокладки предварительно подвергают термическому оксидированию в печи. Такой способ изоляции позволяет сохранить жесткость системы и избежать вибрации.

Рисунок 2. Экспериментальная установка: 1 – пруток; 2 – резец; 3 – электрический соединитель Mercotac 110; 4 – шунт 75ШСУ3; 5 – плата сбора данных NI-USB 6210; 6 – персональный компьютер

В ходе работы доказано, что при обработке изолированным резцом стойкость режущего инструмента повышается в 1,2…2 раза и, как следствие, повышается качество и точность обработанной поверхности.

В ходе проведенных экспериментов была подтверждена эффективность предложенного метода для обработки ряда деталей типа «тела вращения», используемых в ряде узлов и механизмов, в том числе горного машиностроения.

Техническим результатом, является повышение качества и точности обработанной поверхности при одновременном сохранении технических и эксплуатационных характеристик технологической системы «станок - приспособление - инструмент – изделие».

Список литературы:

1. Бурлакова В.Э. Об эффективности управления электрическими процессами в условиях резания // Вестник ДГТУ. – 2012. - №2. – С. 80-86.
2. Илларионов А.Г. Технологические и эксплуатационные свойства титановых сплавов / А.Г. Илларионов, А.А. Попов - Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. – 138с.
3. Ильин А.А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник / А. А. Ильин, Б. А. Колачев, И. С. Полькин – М.: ВИЛС – МАТИ, 2009. – 520 с.
4. Медисон В.В. Повышение стойкости режущего инструмента методом электроизоляции при обработке титановых сплавов: дис. канд. техн. наук. – Нижний Тагил, 2014. – С.35-37.