Ученые Пермского Политеха выяснили, как повысить скорость и качество обработки новых титановых сплавов

Сплавы на основе титана широко применяют в авиастроении. Этот материал отличается высокой прочностью, но предполагает трудоемкую обработку. Во время резания его поверхность деформируется — увеличивается шероховатость, меняется микроструктура и сильно изнашивается рабочий инструмент. Сейчас для получения более совершенных деталей исследуют сплавы с ультрамелкозернистой структурой. Процесс их резания отличается от стандартных крупнозернистых, и необходим правильный подбор параметров. Ученые Пермского Политеха выяснили, какие факторы обеспечивают нужное качество получаемых изделий из титана. Результаты повышают скорость обработки материала и уменьшают износ инструмента.

Статья опубликована в журнале «Наукоемкие технологии в машиностроении» № 7, 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Структура большинства металлов состоит из кристаллов (зерен) различной геометрической формы, которые можно рассмотреть под микроскопом. В ультрамелкозернистых сплавах их размер менее 1 микрометра. По сравнению со «стандартными» крупнозернистыми, их сопротивление усталости выше, они более прочные, твердые и износостойкие.

От выбранных режимов и условий резания титановых сплавов зависит качество итоговой поверхности детали и износ режущего инструмента. Получение новых высококачественных материалов может решить проблемы с их обрабатываемостью. При этом пока недостаточно изучено, как их повышенная прочность и твердость влияют на процесс обработки.

Ученые Пермского Политеха провели комплексные исследования и определили наиболее рациональные параметры обработки титана с ультрамелкозернистой структурой, которые позволяют добиться необходимого качества поверхности изделия.

Политехники исследовали, как параметры резания, такие как скорость, глубина и подача, влияют на шероховатость, остаточные напряжения, микротвердость и микроструктуру поверхностного слоя с обычной крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой. Эксперименты с образцами проводили с 8 различными режимами и выявили наиболее оптимальные для лучшей обработки нового типа титана.

— Результаты показали, что наименьшая шероховатость достигается с большей скоростью резания, тогда как для сплава с крупными зернами такой режим не подходит, скорость должна быть меньше. Этот фактор позволит в 1,5 раза повысить производительность механической обработки титана. Влияние же подачи и глубины резания незначительно, — рассказывает Михаил Песин, декан механико-технологического факультета ПНИПУ, доктор технических наук.

Политехники отмечают, что применение любого режима не приводит к повреждениям слоя. Микроструктура сплава остается однородной и без признаков перегрева. Это говорит о возможности бездефектного применения повышенных скоростей.

— Также замечено, что при обработке титанового сплава с ультрамелкозернистой структурой на 15-20% снижаются вибрации, шум и мощность резания по сравнению с обработкой крупнозернистого, — добавляет Михаил Песин.

Ученые Пермского Политеха доказали перспективу применения новых титановых сплавов для современных газотурбинных установок ПД14 и ПД35. Они имеют лучшую обрабатываемость, чем те, что применяют сейчас для деталей авиадвигателей. Рекомендованные в исследовании режимы резания повысят скорость их механической обработки и значительно уменьшат износ режущего инструмента.