Динамика коэффициента трения между титановыми и инструментальным сплавами в среде СОЖ

Производство двигателей летательных аппаратов часто требует назначения припусков на обработку и режимов резания расчетным путем. Это связано в основном с повышенными требованиями к точности изготавливаемых изделий, дороговизной используемых в авиационной промышленности материалов, а также с трудностью их обработки. Особенно распространенными в этой сфере являются титановые сплавы, из-за своих уникальных физико-механических свойств.

Однако высокие эксплуатационные свойства титановых сплавов являются нежелательными при их механической обработке. Низкая теплопроводность приводит к концентрации высокой температуры в узкой области вблизи зоны резания, а повышенная (по сравнению с конструкционными сталями) сопротивляемость разрушению титановых сплавов приводят к росту сил резания и повышенному износу инструмента.

Общая схема износа лезвийного инструмента [1] представлена на рис. 1. Как видно из рисунка при обработке стружка изнашивает переднюю поверхность путем трения с образованием характерной лунки. В процессе изнашивания инструмента его задняя поверхность, по которой происходит контакт с заготовкой, непрерывно увеличивается. Данный факт способствует увеличению отвода тепла в заготовку, что на начальных стадиях износа положительно сказывается на тепловой нагруженности ин-

струмента, уменьшаяя её. Но, ввиду постоянно растущих сил резания, вызванных затуплением инструмента, температура в зоне резания начинает стремительно возрастать. Соответственно повышается и тепловая нагруженность самого режущего клина. Кроме того в процессе износа инструмента происходит непрерывное увеличение радиуса скругления режущей кромки. Износ режущего инструмента в совокупности с ударными нагрузками (возникающими, например, при врезании или обработке поверхностей с отверстиями, выемками, пазами) может привести к поломке режущего клина.

Таким образом, геометрическое изменение формы режущего клина в процессе износа негативно влияет на распределение температурных полей в инструменте и заготовке; на величину пиковых значений температуры; на величину сил действующих в зоне резания. Всё это сказывается на качестве поверхностного слоя получаемой детали и времени эксплуатации инструмента. Существующие методики [2, 3] на основе которых возможен подбор рациональных режимов обработки требуют знания коэффициента трения между жду инструментом и заготовкой. По этой причине были проведены работы по измерению фактических значений коэффициентов трения популярных в авиационной промышленности титановых сплавов ВТ6, ВТ9 и ОТ4 о материал ВК8, часто используемый для изготовления режущих пластин, фрез и резцов, предназначенных для обработки этих сплавов [2, 4].

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ

Все испытания на трение проходили на автоматическом трибометрическом комплек-

Заготовка

Износ по передней поверхности

Режушии клин

Зона вероятного скола

Износ по задней поверхности

Износ радиуса скругления --------------------------^ режушеи кромки

Рис. 1. Схема износа режущего инструмента

се CSM Instruments TRB . Трибометр проводит испытания по стандарту ASTM G99 “Standard Test Method for wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus” . Схема измерений приведена на рис. 2.

Образец 1 – шар ВК8, прижатый с усилием Р (Н) к Образцу 2, изготовленному в виде диска из ВТ6/ВТ9/ОТ4 с шероховатостью Ra 2,5, вращающемуся с частотой w (мин^-1). Скорость V (м/мин) рассчитывалась следующим образом:

V = л • D • ю,

где D – диаметр трения, м.

При проведении испытаний с СОЖ использовалась Blasocut 4000 CF (концентрация 10 %). Представляет собой концентрат зеленого цвета с содержанием минерального масла 54%, воды 6%, плотности при 20°C равной 0,952 г/см3, вязкости при 40°C равной 48 мм2/c. Эмульсия имеет уровень рН в пределах 8,5–9,2, фактор рефрактометра 1,0.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

По результатам проведения измерений были получены следующие зависимости, представленные на рис. 3 (без использования СОЖ) и рис. 4 (с использованием СОЖ).

ВЫВОДЫ

По результатам проделанной работы получены значения коэффициентов трения твердого сплава ВК8 о титановые сплавы ВТ6, ВТ9, ОТ4 на сухую и с использованием СОЖ Blasocut 4000 CF.

По полученным зависимостям можно сказать, что точность измерения возрастает, с ростом скорости и усилия прижима.

Также было отмечено, что за счет высокой адгезии СОЖ с образцами происходило налипание микростружки на беговых дорожках образца, что способствовало росту коэффициента трения. Образцы после испытаний представлены на рис. 5.

ц

0,45

0,38

0,30

0,23

0,15

ц

0,6

0,46

0,33

0,19

0,05

Рис. 3. Графики зависимости коэффициента трения от скорости для: а) ВТ6, P = 2 Н; б) ВТ6, Р = 26 Н; в) ВТ9, Р = 2 Н; г) ВТ9 Р = 26 Н;

д) ОТ4, Р = 2 Н; е) ОТ4, Р = 26 Н. Трение без использования СОЖ.

На всех графиках: —•— максимальные значения; —■— средние значения;

0,45

0,40

0,35

0,30

0,25

12    18,6   25,3    32    38,6    45,3    52 V, м/мин

—х— минимальные значения

0,45

0,36

0,28

0,19

0,1

Рис. 4. Графики зависимости коэффициента трения от скорости для: а) ВТ6, P = 2 Н; б) ВТ6, Р = 26 Н; в) ВТ9, Р = 2 Н; г) ВТ9 Р = 26 Н;

д) ОТ4, Р = 2 Н; е) ОТ4, Р = 26 Н. Трение с использованием СОЖ.

На всех графиках:

максимальные значения; —■— средние значения;

—х— минимальные значения

Рис. 5. Образец после испытаний и с использованием СОЖ. Общий вид (слева) и вид сверху (справа)