В НГТУ НЭТИ совершенствуют технологию финишной обработки алюминиевых сплавов
В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ ведутся работы по определению рациональных методов финишной обработки пластичных алюминиевых сплавов без удаления материала. Преимущества таких методов по сравнению с традиционными процессами резания — в экономии ресурсов и упрочнении поверхности.
Алюминиевые сплавы сегодня используются буквально везде — от пищевой упаковки до авиационных конструкций, они незаменимы благодаря легкости и высокой удельной прочности. Но для пластичных, относительно мягких материалов вроде алюминия данных о том, как правильно проводить ультразвуковую обработку, чтобы избежать негативных эффектов, немного, большинство исследований посвящены сталям и титану, отмечает ассистент кафедры технологии машиностроения НГТУ НЭТИ Алина Иванова.
Работа с алюминием и его сплавами имеет ряд нюансов, обусловленных физико-химическими свойствами металла. Это, например, появление волн текучести — дефекта поверхности в виде волнообразных или кольцеобразных узоров, образующихся из-за пластической деформации материала; налипание — когда стружка прилипает к режущей кромке инструмента, что ухудшает качество поверхности и увеличивает износ инструмента.
В рамках исследовательской работы ученые использовали два метода обработки сплавов — алмазное выглаживание (АВ) и ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД). Они относятся к финишным операциям обработки, то есть применяются на последнем этапе изготовления детали, когда геометрия уже задана и нужно улучшить именно свойства поверхности.
«Суть первого метода в следующем: специальный инструмент с рабочей частью из твердого материала (синтетического алмаза или твердого сплава) прижимается к вращающейся детали с определенным статическим усилием и перемещается вдоль ее поверхности. Происходит локальная пластическая деформация, микронеровности сглаживаются, поверхностный слой упрочняется, в нем формируются сжимающие остаточные напряжения, повышающие усталостную прочность и препятствующие зарождению трещин. Все это происходит без удаления материала и без применения абразивного инструмента. При ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании на инструмент дополнительно накладываются ультразвуковые колебания порядка 20 кГЦ. Это превращает непрерывный контакт в серию микроударов, которые интенсифицируют деформацию и облегчают течение металла. Для мягких алюминиевых сплавов мы использовали тангенциальную схему ввода колебаний, когда инструмент колеблется не перпендикулярно поверхности, а по касательной, что позволяет избежать нежелательных эффектов», — рассказала Алина Иванова.
Ученые установили рациональные режимы АВ и УЗПД для пластичных алюминиевых сплавов и сравнили два метода на одних и тех же образцах в одинаковых условиях. Исследования проводились на цилиндрических образцах из двух алюминиевых сплавов (АМг6 и Д16Т), которые отличаются по физическим свойствам. АМг6 — пластичный, коррозионностойкий сплав с невысокой твердостью, применяется в аэрокосмической отрасли для топливных баков и сварных конструкций. Д16Т — дюралюминий, значительно более твердый и прочный, широко используется в авиации как конструкционный материал.
При рациональных режимах УЗПД шероховатость поверхности снижалась почти в пять раз (с Ra 0,679 мкм до Ra 0,158 мкм), микротвердость при этом возрастала на 30–40%. Кроме того, поверхность приобретала характерную ячеистую структуру, которая улучшает смачиваемость и удержание смазки, что напрямую влияет на износостойкость в условиях трения. Алмазное выглаживание давало более высокую микротвердость для АМг6, но УЗПД стабильно обеспечивало более гладкую поверхность и более благоприятную морфологию. Также ученые исследовали технологическую наследственность — то, как исходное состояние поверхности влияет на результат после обработки и сколько нужно проходов инструмента.
«Практическая ценность полученных результатов в том, что теперь у производств есть конкретные данные — при какой нагрузке и подаче работать с тем или иным сплавом, какой метод выбрать под конкретную задачу: если нужна максимальная твердость поверхности, предпочтительнее алмазное выглаживание, если важна совокупность свойств, то есть низкая шероховатость, износостойкость, усталостная прочность, то лучше работает ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование. Это поможет снизить процент брака и уменьшить затраты на подбор режимов методом проб и ошибок. Что касается области применения, это авиационная и аэрокосмическая промышленность, судостроение, химическое машиностроение, то есть те сферы, где используются алюминиевые детали с повышенными требованиями к надежности и долговечности», — добавляет Алина Иванова.
Сейчас ученые готовят новую серию экспериментов с использованием роликового инструмента. В отличие от алмазного деформатора ролик имеет значительно большую площадь контакта с поверхностью, а значит, для создания необходимого давления в зоне обработки требуются существенно большие нагрузки. Чтобы это стало возможным, была разработана и изготовлена недостающая оснастка. Это следующий шаг в исследовании режимов обработки и совершенствования технологии финишной обработки алюминиевых сплавов.