UA135894U - Спосіб обробки поверхні плоских деталей зі сплавів титану - Google Patents

Abstract

Спосіб обробки поверхні плоских деталей зі сплавів титану включає операцію очищення поверхні від окалини або оксидної плівки з одночасним видаленням дефектного поверхневого шару металу методом струмино-абразивної обробки поверхні дрібнодисперсними частками. При цьому плоску деталь жорстко закріплюють по внутрішній або зовнішній поверхні за допомогою формоутворюючого оснащення, після чого виконують струмино-абразивну обробку відповідно зовнішньої або внутрішньої поверхні деталі електрокорундом з розмірами часток 90-100 мкм при тиску повітря 2,0-2,5 бар.

Description

Корисна модель належить до галузі піскоструминної обробки, а саме до способів створення заданої текстури поверхні виробів, переважно тонколистових 3 титанових сплавів, під склеювання.

Підготовка деталі під склеювання включає: - очищення й знежирення поверхонь деталі, що підлягають склеюванню; - обробку поверхонь перед склеюванням.

Для обробки поверхні перед склеюванням застосовуються фізичні (механічні), хімічні й фізико-хімічні способи.

Фізичний (механічний) спосіб обробки поверхонь деталі представляє собою абразивну обробку струминними методами або зачищення поверхонь шліфувальними шкурками. Даний спосіб застосовується для підготовки поверхонь металів, склопластиків, композиційних матеріалів. При цьому струминні методи застосовуються для деталей з титанових сплавів товщиною не менш 3 мм із використанням електрокорунду, кварцового піску або карбіду кремнію. Якщо товщина деталі менш З мм, то після обробки вона буде мати значні жолоблення.

При абразивній обробці струминним методом важливу роль мають розміри й форма часток абразивного матеріалу, а також параметри процесу - тиск стисненого повітря, діаметр сопла, кут нахилу сопла й відстань його до оброблюваної поверхні.

При хімічному способі обробки поверхонь деталей з титанових сплавів без обмеження їхньої товщини застосовуються розчини, до складу яких входять сірчана, азотна, соляна або фосфорна кислоти. При взаємодії з хімічними реагентами на поверхні деталі відбувається витравлення металу, можливі нерівномірність шорсткості й місцеві розтрави. При деякій позитивності хімічного способу (механізований процес) необхідна наявність ізольованих, із припливно-витяжною вентиляцією, виробничих ділянок, складських приміщень для зберігання хімічних речовин, робочих місць для готування ванн із кислотними й лужними розчинами і їхнього контролю, а також ємностей для нейтралізації використаних розчинів.

Фізико-хімічний спосіб обробки поверхонь деталі перед склеюванням складається з комбінації методів фізичного (механічного) способу й хімічного (Петрова А.П. Клеящие материаль. Справочник. - М.: Каучук и резина, 2002. - С. 128-141).

Спосіб підготовки поверхонь може бути визначальним для забезпечення високої якості склеювання. Особливо це проявляється при склеюванні великогабаритних, що мають коробчасту форму, деталей з тонколистових титанових сплавів, що пройшли тривалу термічну обробку для зняття внутрішніх напружень і забезпечення розмірів після "холодного" формоутворення. Неякісна підготовка поверхні під склеювання приводить до зниження адгезії (зчепленню приведених у контакт різнорідних тіл) і, як правило, до руйнування клейового з'єднання. Спосіб підготовки поверхні повинен забезпечувати як максимально можливу міцність клейового з'єднання, так і його працездатність в умовах експлуатації. Підготовка під склеювання змінює поверхню субстрату (деталі), роблячи її більше активної при контакті із клеєм.

З рівня техніки відомий патент СА2597266 (заявник МІТ5ОВІЗНІ НЕАМУ ІМО СТО (ОРІ; МПК

В24С 11/00, В64С 11/00, С23С 8/12, С23С 8/36, С23С 8/80; пріоритет МУО2005ОРО2346 від 16.02.2005), згідно з яким поверхні елементів з титанового сплаву аерокосмічного встаткування для одержання високої зносостійкості, мастильної здатності й високої утомної міцності піддаються насиченню (дифузії) кисневмісним газом із наступним бомбардуванням повітряним потоком, що містить частинки. Даний спосіб не призначений для видалення шару окислів і крихкого кисненасиченого шару з поверхні титанового сплаву, а тільки перетворює їх. При бомбардуванні повітряним потоком з наявністю часток окисні шари можуть залишатися на поверхні або проникати в метал, що неприпустимо для поверхні, що склеюється.

Відомий спосіб обробки поверхні пластин (патент 56269669; заявники МІЗЗНІМ 5РІММІМО

ІУРЇ, МАСОНО СО ТО МІРІ; МПК 824С 1/06, В24С 11/00, 824С 3/12, В24С 9/00, С23С 22/07,

С23С 22/18, Е160 65/092; пріоритет УРІ1І9980092866 від 06.04.1998), оригінальність якого полягає в тому, що підготовка поверхні пластини для склеювання здійснюється підривною суспензією, що містить частки з нержавіючої сталі або титану через повітря під високим тиском.

Пластини встановлені на конвеєрі з магнітами для вловлювання іржі, сталевих окислів із суспензії. Подача суспензії виконується через сопла, встановлені уздовж конвеєра під різними кутами для послідовної обробки поверхонь пластин при русі конвеєра по маршруті циркуляції.

Даний спосіб може ефективно бути використаний у масовому виробництві.

Способами обробки поверхні металів, зокрема струмино-абразивним очищенням поверхні виробів з титанових сплавів, активно займається Відкрите акціонерне товариство "Корпорация

ВСМПО-АВИСМА" (Російська Федерація). Серед патентів, що належать даному заявникові, можна виділити ряд, що стосується галузі піскоструминної (струмино-абразивної) обробки бо металів, а саме до способів створення заданої текстури поверхні виробів з титанових сплавів.

Так, відомий патент КО2174461 (МПК 824С 1/00, 824С 11/00; заявка від 03.05.2000), заявлений спосіб належить до струмино-абразивної обробки поверхні литих напівфабрикатів і використовується в металургії для одержання високочистої (без окалини, шлаків, окісних плівок на поверхні) лігатури, що застосовується при виплавці злитків титанових сплавів. Видалення окалини, шлаків, окислів з поверхні титанової лігатури здійснюється струмино-абразивною обробкою шляхом дії на оброблювану поверхню водоповітряної суміші (пульпи) з дрібнодисперсними частками відходів плавильного виробництва розміром порядку 200 мкм при тиску 0,315-0,750 МПа (3,15-7,5 атм.). Після очищення напівфабрикати (лігатурні злитки) миються водою й сушаться потоком теплого стисненого повітря.

У патенті КО2381096 цього ж заявника (МПК В24С 11/00, В24С 11/00; заявка від 22.04.2008) представлений спосіб очищення струмино-абразивною обробкою поверхні виробів з титанових сплавів. При даному способі окалина й окисли, що утворюються на виробах з титанових сплавів після термічної обробки, видаляються частками гідроабразивної суспензії в струмені стисненого повітря. Спосіб забезпечує видалення окісних плівок, окалини з пористої поверхні литих деталей, необхідну шорсткість, розміри, знижує трудомісткість. При струмино-абразивній обробці поверхні виробів (довжина до 5000 мм з перерізом (15-30) х 40 мм) гідроабразивна суспензія із частками абразиву розміром 50-80 мкм подається струменем стисненого газу (повітря) тиском 3,0-3,5 бар через надзвукове сопло, а виріб, що обробляється, лінійно переміщується із заданою швидкістю. Всебічна обробка поверхні здійснюється повертанням (крутінням) виробу уздовж поздовжньої осі з кутом атаки 60-907 сопла до оброблюваної поверхні.

Зазначені ефективні в металургії способи видалення окалини, оксидної плівки або дефектного поверхневого шару з поверхні виробів і напівфабрикатів з титанових сплавів шляхом впливу на оброблювану поверхню водоповітряної суміші (пульпи) із частками абразиву поступаються застосовуваному в машинобудуванні способу обробки поверхонь частками електрокорунду в струмені стисненого повітря, при якому: - використовується багаторазовий електрокорунд на відміну від водоповітряної суміші (пульпа) разового застосування з необхідністю фільтрації й утилізації відходів; - немає необхідності в надзвуковому соплі для подачі гідроабразивної суспензії струменем

Зо стисненого повітря з високим тиском; - виключається необхідність у дорогому встаткуванні.

Найближчим аналогом вибраний спосіб обробки поверхні виробів за патентом КО2152865 (МПК 824С 1/00; заявка від 10.02.1999). Задачею способу є поліпшення якості й зовнішнього вигляду поверхні виробів з листових, товщиною 0,3-5,0 мм, титанових сплавів, підвищення технологічності напівфабрикатів при наступній їх обробці. По технічній сутності зазначений спосіб найбільш близький до способу, що заявляється.

У результаті гарячої прокатки або термічної обробки на поверхні листа з титанового сплаву утворяться шари окалини, окисні плівки, ділянки підвищеної твердості, які підлягають видаленню. Задача вирішена тим, що зазначеним способом проводяться очищення поверхні від окалини й окисних плівок з одночасним видаленням дефектного поверхневого шару металу струмино-абразивною обробкою (механічний спосіб) і виконується фінішна (остаточна) операція травлення або посвітління (хімічний спосіб) з одержанням текстури (характер будов твердої речовини, розташування його складових частин) поверхні довільного типу з величиною шорсткості Ка-0,5-5,5 мкм. Струмино-абразивна обробка здійснюється водоповітряною сумішшю, що наповнена дрібнодисперсними частками. При цьому суміш розганяється потоком стисненого повітря. Операція травлення (посвітління) проводиться в розчині кислот. Величина шорсткості поверхні забезпечується розмірами та твердістю часток, а також тиском стисненого повітря. Швидкістю зустрічі часток з оброблюваною поверхнею забезпечується довільний (пісковий) тип текстури.

При ефективності обробки поверхні листових титанових сплавів автори пропонованого способу вважають, що: - двостадійна обробка поверхні (механічний «ж хімічний спосіб) вимагає наявності окремих виробничих ділянок з додатковими витратами, що підвищують трудомісткість; - при фінішній операції (травлення або посвітління) можливі нерівномірність шорсткості, розтрави поверхні; - значне, за один прохід водоповітряної суміші, стоншення листа (50 мкм при товщині листа 2,5 мм і 30 мкм при обробці тонкого листа), а травлення при фінішній обробці додатково збільшить стоншення листа; - проблематично при використанні відходів виробництва як наповнювача водоповітряної бо суміші забезпечити повторюваність і однорідність мікрорельєфу й текстури поверхні листа;

- значний розбіг величин шорсткості (з Ка від 0,5 до 5,5 мкм) вимагає постійне регулювання й контроль технологічного процесу (заміна дрібнодисперсних часток, забезпечення необхідної швидкості часток), відсутність жолоблення листів товщиною 0,3 мм забезпечено використанням м'яких часток при обдуванні (твердість по шкалі Мооса від 1 до 2 - це тальк (1) або гіпс (2)).

В основу корисної моделі поставлено задачу створення способу видалення окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару з поверхні відпалених великогабаритних деталей, що мають складну конфігурацію й виконаних з тонколистового титанового сплаву, і одержання при цьому по всій площі деталей необхідної шорсткості й рівномірності поверхні без її жолоблення, що впливають на параметр, який визначає якість клейового з'єднання - змочуваність субстрату клеєм, тобто здатність клею розтікатися по поверхні субстрату.

У результаті був отриманий ефективний, малозатратний, екологічно чистий спосіб видалення окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару з поверхні великогабаритних тонколистових титанових деталей, що виключає жолоблення при підготовці їх до склеювання.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі обробки поверхонь плоских деталей зі сплавів титану, що включає операцію очищення поверхні від окалини або оксидної плівки з одночасним видаленням дефектного поверхневого шару металу, що виконується методом струмино-абразивної обробки поверхні дрібнодисперсними частками, згідно з корисною моделлю, плоску деталь жорстко закріплюють по внутрішній або зовнішній поверхні за допомогою формоутворюючого оснащення, після чого виконують струмино-абразивну обробку відповідно зовнішньої або внутрішньої поверхні деталі електрокорундом з розмірами часток 90- 100 мкм при тиску повітря 2,0-2,5 бар. Обробці підлягають поверхні плоских тонколистових великогабаритних деталей товщиною 0,4-0,5 мм.

Корисна модель пояснюється кресленнями: фіг. 1 - кожух звукопроникний перфорований; фіг. 2 - сполучність поверхонь кожуха з поверхнями коробів; фіг. З - кріплення кожуха в коробі для обдування зовнішньої поверхні; фіг. 4 - кріплення кожуха в коробі для обдування внутрішньої поверхні.

Спосіб обробки поверхні плоских деталей зі сплавів титану розглянутий на прикладі

Зо звукопроникного перфорованого кожуха 1 (див. фігю. 1), що входить до складу звукопоглинальних конструкцій (ЗПК) авіадвигунів розробки ДП "Івченко-Прогрес". Згадані ЗПК представляють собою багатошарові великогабаритні клеєні конструкції, що мають складний газодинамічний профіль трактової поверхні другого контуру турбореактивного двоконтурного двигуна (ТРДД).

Кожух 1 виготовляється по математичній моделі (мат. моделі) із плоского тонколистового (товщина листа п-0,4-0,5 мм) пластичного ерозійно-корозійностійкого титанового сплаву ОТ4-0 з попередньо виконаною перфорацією 2, отворами 3, 4 для виштамповок 5, 6 відповідно, а також вирізаними прямокутними кутами "холодним" (температура навколишнього середовища) штампуванням у штампі. Після чого формуванням на стапелі кожух 1 (див. фіг. 1, розрізи А-А та

Б-Б) отримує коробчасту форму з конічною або подвійної кривизни поверхнею - довжина по хорді а-700-1450 мм, ширина р-130-520 мм, висота с-20-25 мм. Кожух 1 має конструктивні елементи у вигляді отворів 3, 4 з виштамповками 5, 6, виконаними всередину кожуха 1 під кутом о-1207, а також чотирьох вертикальних пазів 7, виконаних по кутах кожуха 1, розмір яких становить І-2,5-4,0 мм.

Для зняття внутрішніх напружень і забезпечення форми й розмірів кожух 1, закріплений у штампі, проходить термічну обробку. В процесі тривалого нагрівання в атмосфері повітря на поверхні кожуха 1 відбувається утворення окалини (шару окислів) або оксидної плівки й дифузія кисню вглиб металу. При цьому під окалиною (оксидною плівкою) утвориться дефектний крихкий газонасичений (альфірований) шар металу, що знижує пластичність і працездатність деталі, зокрема кожуха 1. Глибина дефектного шару залежить від температури й часу нагрівання деталі, хімічного й фазового состава сплаву, з якого виготовлена деталь. При термообробці, зокрема температурному режимі 560-640 С і часу нагрівання 4-6 годин у закритому штампі, на поверхнях тонколистового кожуха 1 з ОТ4-0 утвориться окалина (шар окислів або оксидна плівка), що збільшує товщину листа на 5-7 мкм, і дефектний шар глибиною до 20 мкм.

Видалення окалини (шару окислів) або оксидної плівки й дефектного поверхневого шару з поверхонь жорстко закріпленого в формоутворюючому оснащенні відпаленого кожуха 1 виконується одночасно механізованим способом у вигляді абразивної обробки струминним методом, при якому робочим тілом є електрокорунд.

На фіг. 2 показана сполучність поверхонь кожуха 1 з поверхнями коробів 8 і 9. Короби 8, 9 являють собою формоутворююче оснащення та призначені для кріплення кожуха 1 при абразивній обробці та підготовці його поверхонь до склеювання.

Кожух 8 повторює форму кожуха 1 і має довжину й ширину на 0,6-1,0 мм менше габаритних розмірів кожуха 1 для забезпечення по периметру зазору ва розміром 5-0,3-0,5 мм між внутрішньою стінкою кожуха 1 і зовнішньою стінкою короба 8. Короб 8 має конструктивні елементи у вигляді отворів 10 з виштамповками 11, виконаними всередину короба 8 під кутом ос-1207, а також отвір 12, співвісний з отвором 4 у коробі 1. При цьому отвори 10 з виштамповками 11 у коробі 8 співвісні й збігаються з отворами З і виштамповками 5 у кожусі 1, а отвір 12 має діаметр, що дорівнює діаметру виштамповки 6 у кожусі 1.

Кожух 9 також повторює форму кожуха 1, але габаритні розміри короба 9 на 0,6-1,0 мм більше габаритних розмірів кожуха 1, що забезпечує по периметру зазор 9а розміром 5-0,3-0,5 мм між внутрішньою стінкою короба 9 і зовнішньою стінкою кожуха 1. Короб 9 має конструктивні елементи у вигляді отворів 13 з виштамповками 14, виконаними всередину короба 9 під кутом ос-120", які співвісні й збігаються з отворами З і виштамповками 5 у кожусі 1.

На фіг. З ї 4 показана установка й механічне кріплення кожуха 1 у коробах 8 і 9 відповідно для видалення окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару абразивною обробкою струминним методом - обдуванням електрокорундом з розміром часток 90-100 мкм у струмені стисненого повітря тиском 2,0-2,5 бар послідовно із зовнішньої (див. фіг. 3), а потім із внутрішньої (див. фіг. 4) поверхні кожуха 1.

Таким чином, короби 8, 9 представляють собою формоутворююче оснащення, що повторює протилежну поверхню від поверхні деталі, яку обробляють.

Для обробки зовнішньої поверхні кожуха 1 (див. фіг. 3) його встановлюють на виштамповки 5 і 6 у короб 8 через співвісні з виштамповками 5 кожуха 1 виштамповки 11 й отвори 10 короба 8, а також співвісний з виштамповкою б отвір 12. Вільна установка кожуха 1 у коробі 8 забезпечується зазором 5-0,3-0,5 мм по периметру між внутрішньою стінкою кожуха 1 і зовнішньою стінкою короба 8. При цьому кожух 1 жорстко закріплений у коробі 8 гвинтовим з'єднанням 15 через отвори 10 у коробі 8 і співвісні з ними отвори З виштамповок 5 у кожусі 1.

Після обдування електрокорундом зовнішньої поверхні кожуха 1 роблять обдування його

Зо внутрішньої поверхні (див. фіг. 4). Для обробки внутрішньої поверхні кожух 1 зафіксований по виштамповкам 5 і жорстко закріплений у коробі 9 гвинтовим з'єднанням 16 через отвори З у кожусі 1 і співвісними з ними отвори 10 у коробі 9. При цьому вільна установка кожуха 1 у коробі 9 забезпечується зазором 5-0,3-0,5 мм по периметру між внутрішньою стінкою короба 9 і зовнішньою стінкою кожуха 1.

Видалення окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару з поверхонь жорстко закріпленого в формоутворюючому оснащенні відпаленого кожуха 1 і підготовка його поверхонь під склеювання відбувається двома етапами: 1. загальне очищення й знежирення; 2. безпосередньо перед склеюванням обробка поверхонь, що підлягають склеюванню.

Очищення й знежирення поверхонь деталі, зокрема кожуха 1, здійснюється відомими способами - водяними розчинами мийних засобів або лужних препаратів з наступним промиванням у проточній воді до нейтральної реакції промивної води й сушінням на повітрі або обдуванням чистим сухим стисненим повітрям.

Для обробки поверхні плоских листових товщиною 0,4-0,5 мм деталей зі сплавів титану, зокрема тонколистового великогабаритного коробчастої форми кожуха 1 з титанового сплаву

ОТ4-0, що пройшов після формоутворення відпал при температурі 560-640 "С із утворенням на поверхні окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару, із забезпеченням необхідних характеристик клейових з'єднань запропонований метод струмино-абразивної обробки дрібнодисперсними частками. Обробка здійснюється електрокорундом з розміром часток 90-100 мкм у струмені стисненого повітря тиском 2,0-2,5 бар по черзі із зовнішньої, потім із внутрішньої поверхні жорстко закріпленої в формоутворюючому оснащенні тонколистової плоскої деталі, зокрема кожуха 1, через сопло діаметром 14-15 мм на відстані 140-145 мм і під кутом 40-45" до поверхні деталі (кожуха 1). Сопло переміщається зворотно-поступальним рухом уздовж оброблюваної поверхні, закріпленої в механізованій камері деталі (кожуха 1). Після обробки кожух 1 до склеювання зберігається в герметичному чохлі з поліетиленової плівки, виключається окислювання поверхні киснем повітря.

В результаті проведених досліджень доведена технічна, економічна й екологічна ефективність використання струминної обробки електрокорундом із застосуванням формоутворюючого оснащення при видаленні окалини або оксидної плівки та дефектного бо поверхневого шару з поверхні відпалених при температурі 560-640 "С протягом 4-6 годин тонколистових кожухів 1 з титанового сплаву ОТ4-0, отримана необхідна шорсткість, рівномірність поверхні, забезпечений рівень міцності клейових з'єднань: - застосування формоутворюючого оснащення (коробів 8, 9) при послідовній (спочатку зовнішня, потім внутрішня поверхня кожуха 1) струмино-абразивній обробці виключає жолоблення кожуха 1; - стоншення листа з ОТ4-0 після струминної обробки електрокорундом з розмірами часток 90-100 мкм при тиску повітря 2,0-2,5 бар становить 17-20 мкм із повним видаленням з поверхні окалини або оксидної плівки та дефектного поверхневого шару; - продуктивність обробки складає 18-20 хв. одного метра квадратного поверхні; - виключаються роботи зі шкідливими умовами праці, забезпечується охорона навколишнього середовища.

На підприємстві ДП "Івченко-Прогрес" по запропонованому способу підготовлені поверхні кожухів для ЗПК двох типорозмірів, що призначені для двигуна Д-436-148ФМ. Проведено перевірку якості виготовлення - жолоблення відсутні. Клейове з'єднання в ЗПК із підготовленими до склеювання поверхнями "кожух ї- заповнювач із полімерного композита" відповідає вимогам конструкторської документації.

Claims (2)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 1. Спосіб обробки поверхні плоских деталей зі сплавів титану, що включає операцію очищення поверхні від окалини або оксидної плівки з одночасним видаленням дефектного поверхневого шару металу методом струмино-абразивної обробки поверхні дрібнодисперсними частками, який відрізняється тим, що плоску деталь жорстко закріплюють по внутрішній або зовнішній поверхні за допомогою формоутворюючого оснащення, після чого виконують струмино- 25 абразивну обробку відповідно зовнішньої або внутрішньої поверхні деталі електрокорундом з розмірами часток 90-100 мкм при тиску повітря 2,0-2,5 бар.
2. 2. Спосіб обробки поверхні плоских деталей зі сплавів титана за п. 1, який відрізняється тим, що струмино-абразивній обробці підлягають поверхні плоских тонколистових великогабаритних деталей товщиною 0,4-0,5 мм.