Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

УДК 669.14-156

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ И ПЛОТНОСТИ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ CO–B

В.В. Конашков1, В.В. Вьюхин1, А.И. Латыпова2

1Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия

e-mail: vvk98005@gmail.com

2АО «ОКБ «Новатор», Екатеринбург, Россия e-mail: latypova_anna@inbox.ru

Проведены исследования по определению кинематической вязкости, плотности и поверхностного натяжения для расплавов Co–B различной концентрации. Отмечена немонотонность зависимости вязкости от температуры, выражающаяся

ввиде «температурного излома» на политермах. Зависимость наблюдаемой «температуры излома» на графиках зависимости от содержания бора обнаруживает минимум этой температуры

вдиапазоне 4,4–5,8 мас. % бора. Данный концентрационный диапазон приблизительно соответствует эвтектике на двойной диаграмме Co–B.

Ключевые слова: кинематическая вязкость, магнитомягкий сплав, аморфные материалы, кобальт, бор.

Существование взаимосвязи между характеристиками образующегося твердого металла и свойствами исходного расплава показывает необходимость изучения его структурно-чувствитель- ных свойств в жидком состоянии. В данной работе рассмотрен один из важнейших параметров расплава – кинематическая вязкость на примере двойных сплавов Co–B. Кобальт и бор входят в состав многих сплавов, используемых для получения современных магнитомягких материалов, которые представляют собой металлические сплавы в аморфном или нанокристаллическом

121

состоянии. Соответственно технология их получения почти всегда предполагает закалку из жидкого состояния.

Существует много работ по изучению свойств двойных сплавов Co–B, но публикаций, в которых представлены свойства этих сплавов в жидком состоянии, очень мало. При этом знание того, как бор влияет на свойства расплава, важно для успешной подготовки расплава к закалке из жидкого состояния.

Методика проведения эксперимента заключается в следующем. Образцы, полученные при сплавлении чистого кобальта и заранее подготовленной лигатуры Co–B, общей массой 20 г помещались в тигли из оксида бериллия.

Для измерения значений кинематической вязкости применен метод крутильных колебаний тигля с расплавом [1]. Используемая экспериментальная установка позволяет проводить измерения при температурах до 1900 ºC. Конструкция вискозиметра подробно описана в [2]. Математическая обработка экспериментальных данных проведена по методу Е.Г. Швидковского [3].

Также были проведены исследования по определению значений плотности и поверхностного натяжения методом лежачей капли [4]. Эксперименты проводились в атмосфере гелия. Капля размещалась на подложке из оксида бериллия. Фотографирование жидкой капли производилось на цифровую камеру с использованием системы светофильтров. Полученные фотографии обрабатывались с помощью специального программного обеспечения. Все эксперименты проводились двумя сериями, после каждой из которых проверяли неизменность химического состава в ходе экспериментов.

К сожалению, нам не удалось получить воспроизводимости результатов по поверхностному натяжению при повторных опытах. По этой причине численные значения поверхностного натяжения не приводим. Тем не менее можем утверждать, что увеличение содержания бора в целом приводит к увеличению поверхностного натяжения. Все изученные образцы имеют поверхностное натяжение выше, чем у чистого кобальта.

122

Полученные результаты

Вся описанная выше серия из восьми экспериментов была проведена дважды на установках по вязкости и плотности. При этом были использованы те же самые образцы из первой серии. Результаты всех опытов были усреднены. Диапазон химических составов – от 0,8 до 7,5 % бора. Пример полученной зависимости вязкости от температуры представлен на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости вязкости от температуры

Рис. 2. Экспоненциальная зависимость логарифма вязкости от обратной температуры

На всех зависимостях можно выделить по два температурных интервала. В пределах каждого такого интервала зависи-

123

мость вязкости от температуры удовлетворительно описывается показанными на рисунке уравнениями. На приведенных графиках (рис. 2) четко видны изломы, свидетельствующие об изменениях энергии активации вязкого течения. Представляет интерес тот факт, что данные изменения происходят скачкообразно, при определенной для каждого образца температуре. Можно предположить, что эти изменения представляют собой некий аналог фазового перехода.

По результатам всех проведенных экспериментов также построены концентрационная зависимость вязкости, зависимость плотности расплава от температуры, концентрационная зависимость плотности.

Выводы

Установлено, что температурные зависимости кинематической вязкости не подчиняются теоретическому уравнению Аррениуса во всем температурном диапазоне исследования. Каждая температурная зависимость состоит из двух участков. Внутри каждого участка зависимость корректно описывается экспоненциальным уравнением Аррениуса. Для каждого образца можно указать температуру, при которой меняется уравнение температурной зависимости. Минимальная «температура излома» наблюдается у образца с химическим составом, близким к эвтектике (4,5 мас. % бора).

Наблюдаемое явление излома на политерме, вероятно, связано сизменениямивхарактерелокальногоупорядочениярасплава.

Кривая зависимости температуры излома от концентрации бора имеет минимум при эвтектической концентрации бора. Это может свидетельствовать о подобии структур ближнего порядка в жидкостииструктурыкристаллическихфазаналогичногосостава.

Концентрационная зависимость вязкости показывает увеличение вязкости с увеличением содержания бора.

Плотность жидких образцов закономерно уменьшается на 4,9 % с ростом температуры. С увеличением концентрации бора плотность жидких образцов уменьшается на 8 %, аналогично с твердыми образцами того же состава при комнатной температуре.

124

Обнаружено, что увеличение содержания бора повышает поверхностное натяжение расплава. Все изученные образцы имеют поверхностное натяжение существенно большее, чем чистый кобальт.

Библиографический список

1.Жидкая сталь / Б.А. Баум, Г.А. Хасин, Г.В. Тягунов

[и др.]. – М.:Металлургия, 1984. – 206 с.

2.Автоматизированная установка для изучения кинематической вязкости высокотемпературных металлических расплавов / В.В. Конашков, В.С. Цепелев, В.В. Вьюхин, А.М. Поводатор, А.И. Подольская // Приборы и техника эксперимента. – 2011. – № 2. – С. 149–150.

3.Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. – М.: Госгортехтереоиздат, 1955. – 208 с.

4.Физико-химические методы исследования металлургических процессов / П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников, Л.А. Пронин, Е.С. Филиппов. – М.: Металлургия, 1988. – 511 с.

125

УДК 621.91.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА

Р.Р. Башаров, Р.Г. Кудояров, Е.А. Уткина, М.С. Грачев

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

e-mail: 3rash@mail.ru

Приведены результаты исследования стойкости режущего инструмента из твердого сплава ВК6ОМ при высокоскоростном точении титанового сплава ВТ9. На основании проведенных экспериментов получены графики зависимости интенсивности износа резца, температуры резания и температуры стружки от скорости резания.

Ключевые слова: высокоскоростная обработка, обработка титановых сплавов, стойкость инструмента, температура в зоне резания.

Особенностью современного технического прогресса в машиностроении является применение высокоскоростного резания при изготовлении деталей, позволяющее повысить производительность обработки деталей.

Ранее были определены [1] сверхкритические скорости обработки цветных металлов (v = 610…762 м/мин), после превышения которых температура резания не увеличивается, а наоборот – понижается и приближается к температуре, возникающей при традиционных условиях резания. Такой характер зависимости температуры резания от скорости можно объяснить тем, что при определенной скорости деформации происходит хрупкое разрушение обрабатываемого материала [2].

В настоящее время еще не создана теория высокоскоростной обработки, с помощью которой можно достаточно полно объяснить происходящие явления и процессы, а также назначить опти-

126

мальные параметры режима резания. На основе анализа литературных источников [2, 3] ориентировочно определены диапазоны скоростей ВСО с привязкой к материалу заготовки. Например, при обработке сталей твердосплавным инструментом диапазон рекомендуемых скоростей находится в пределах 500–2000 м/мин.

Наиболее широко известно применение технологии высокоскоростной обработки для повышения эффективности процесса фрезерования. Очевидно, такое положение дел связано с тем, что эффекты высокоскоростной обработки обусловлены существенным изменением силы резания в процессе фрезерования. Следовательно, данные эффекты в меньшей степени должны проявляться при стационарной токарной обработке. Для проверки данного предположения было проведено исследование стойкости режущего инструмента из твердого сплава ВК6ОМ при точении деталей из титанового сплава ВТ9 на станке Mori Seiki модели NL1500SY.

Всоответствии с данными Я.Л. Гуревича и др. [4] при чистовом точении титановых сплавов твердосплавными резцами рекомендуется назначать скорости резания в диапазоне 40– 60 м/мин. В работе [5] утверждается, что при высокоскоростной обработке скорость резания должна быть в 5–10 раз больше традиционной.

При проведении экспериментов использовался цельный твердосплавной инструмент ВК6ОМ (главный угол в плане 45º, вспомогательный угол в плане 25º, передний угол 0º, задние углы 10º, радиус вершины 0,5 мм). Эксперименты проведены на следующих скоростях резания: 20, 40, 60, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 м/мин. С учетом рекомендаций для чистовой обработки

[4]осуществлялась обработка с подачей S = 0,1 мм/об и глубиной резания t = 0,5 мм. Кроме износа резца контролировались температура в зоне резания методом естественной термопары и температура стружки с помощью тепловизора HotFind-VTXT.

Врезультате были получены графики зависимости интенсивности износа резца, температуры резания и температуры стружки от скорости резания, приведенные на рисунке.

127

высоких скоростей вследствие повышения интенсивности адгезионных и диффузионных процессов приводит к значительному износу контактныхплощадок вблизирежущейкромки.

2. Установлено, что эффекты, присущие технологии высокоскоростной фрезерной обработке титанового сплава, не в полной мере свойственны токарной обработке в условиях стационарного резания. В сравнении с известными рекомендациями в данном случае целесообразно повышение скорости резания до 200 м/мин, что позволяет увеличить производительность без существенного увеличения интенсивности износа инструмента.

Библиографический список

1.Deutsche Patenschrift Nr. 523594: „Verfahren zur Bearbeitung von Metallen oder bei einer Bearbeitung durch schneidende Werkzeuge sich ahnlich verhaltende Werkstoffe“.

2.Резание материалов. Режущий инструмент: учеб. пособие / В.М. Кишуров, Н.К. Криони, В.В. Постнов, П.П. Черников. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2009. – 492 с.

3.Высокоскоростная обработка. High Speed Machining (HSM): справ. издание. – 2-е изд., испр. – М.: ИТО, 2002. – 32 с.

4.Режимы резания труднообрабатываемых материалов: справочник / Я.Л. Гуревич [и др.]. – 2-е. изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 240 с.

5.Высокоскоростная обработка [Электронный ресурс]. – 2011. – URL: http://www.delcam-ural.ru/cam/tehpodderjka.

6.Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов / под ред. Н.И. Резникова. – М.: Машинострое-

ние, 1972. – 200 с.

129

УДК 621.9:658 (07)

СПОСОБ ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ МОДУЛЕЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Ю.В. Идрисова, С.И. Фецак, А.Г. Омельчак

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия

e-mail: yu.v.idrisova@mail.ru,

Приведены основные сведения о способе оперативной диагностики модулей металлорежущих станков (МРС), который позволяет своевременно обнаружить наличие и место дефектов в модулях МРС, а также разработать мероприятия по их устранению. Применение данного способа может повысить эффективность использования станочного оборудования и параметры качества изготавливаемых деталей.

Ключевые слова: металлообработка, диагностика МРС, параметры качества деталей, волнистость, шероховатость.

Качество поверхности изготавливаемых деталей, используемых в авиационной промышленности, машиностроении, в значительной степени зависит от технического состояния используемого станочного оборудования. При наличии дефектов изготовления и сборки узлов оборудования происходит ухудшение таких показателей качества, как шероховатость и отклонения формы (волнистость) поверхности деталей.

Современные МРС строятся по модульному принципу, основанному на использовании унифицированных функционально и конструктивно законченных узлов и механизмов (модулей).

Наличие дефектов изготовления и сборки узлов оборудования способствует ухудшению качества поверхности деталей и выпуску брака. Поэтому при эксплуатации МРС вопросы диагностирования работоспособного технического состояния их модулей имеют особое значение.

130