Výzkum technologie zpracování otvorů pro přenos tepla v trubkovém plechu z titanové slitiny Ti75

Byla provedena studie metod hloubkového vrtání, vyvrtávání a vystružování otvorů pro výměnu tepla na. Titanové slitiny Ti75 trubkové listy pomocí vícehlavého vrtacího stroje CNC Yinsai, který zajišťuje kvalitu průměru otvoru, přemostění otvoru a povrchu otvoru a splňuje požadavky na průnik trubky na vnitřní a vnější trubkové listy a meziprodukty. přepážka kondenzátoru.

0. Úvod

Titanová slitina Ti75, jako nový typ titanové slitiny pro lodní energetická zařízení nezávisle vyvinutá a navržená Čínou, byla široce používána v oblasti výroby lodí a ponorek díky své vysoké pevnosti 730 MPa, vynikající odolnosti proti korozi, dobré houževnatosti a svařitelnosti. Zejména při výrobě podmořských kondenzátorů se titanová slitina Ti75 (Ti-3Al-2Mo-2Zr) stala preferovaným materiálem pro trubkové desky díky své vynikající odolnosti vůči korozi mořskou vodou a namáhání solí. Zpracovatelské vlastnosti titanových slitin, jako je krátká délka kontaktu nástroje s třískou, špatná tepelná vodivost, vysoká chemická afinita a nízký modul pružnosti, však ztěžují řezání. Účelem tohoto článku je studium procesu obrábění otvorů pro přenos tepla na trubkových plechách ze slitiny titanu Ti75. Použitím vícehlavého vrtacího stroje CNC Yinsai je zajištěna kvalita průměru otvoru, můstku otvoru a povrchu otvoru, aby byly splněny požadavky na závitování vnitřních a vnějších trubkových plechů a mezipřepážky kondenzátoru.

1. Analýza obrobku

Kondenzátor jako klíčová součást podmořského energetického systému se skládá především z pláště, vodní komory, trubková deska, mezilehlou desku a svazek trubek. Jeho struktura je složitá a pracovní prostředí drsné, což vyžaduje, aby materiál trubkové desky odolával vysokému tlaku, vysokému rozdílu teplot a korozivní erozi mořské vody. Obrobkem této studie je trubková deska vyrobená z materiálu ze slitiny titanu Ti75 o vnějším průměru 2020 mm a tloušťce desky 80 mm. Hlavním výzkumným projektem je zpracování 3000 otvorů pro tepelnou výměnu o průměru 16,2 mm, s tolerancí průměru otvoru 0,1 mm, tolerancí můstku otvoru 0,2 mm a požadavkem na drsnost povrchu otvoru Ra1,6. Kromě toho se vzhledem k poměru otvorů (L/D) 4,9, který se blíží rozsahu obrábění hlubokých otvorů, stalo předmětem tohoto procesního výzkumu, jak zajistit kvalitu otvoru, můstku a povrchu teplosměnných otvorů.

Na obrázku 1 je znázorněna struktura trubkové desky, z níž je patrné, že na trubkové desce je rozmístěno velké množství otvorů pro přenos tepla. Kvalita a přesnost opracování těchto otvorů přímo ovlivňuje účinnost přenosu tepla a provozní stabilitu kondenzátoru.

Obrázek 1 Struktura trubkové desky

2. Vypracování procesního plánu

Tradiční metoda obrábění otvorů pro tepelnou výměnu spočívá v použití vrtací matrice pro jejich umístění na radiální vrtačce a dokončení procesu obrábění pomocí tří řezů: vrtáku, rozpěrného vrtáku a výstružníku. Výhodou této metody jsou relativně nízké náklady, ale nevýhodou je silné opotřebení nástroje a nízká účinnost zpracování, což nemůže splnit požadavky moderního průmyslu na vysokou účinnost a přesnost. Za účelem zvýšení účinnosti zpracování a zkrácení montážního cyklu bylo toto zpracování provedeno na CNC obráběcím stroji. CNC obráběcí stroj (vyrobený v Itálii, vícehlavý vrtací stroj Insei) má vlastnosti vysoké přesnosti a vysoké účinnosti a může splnit požadavky na zpracování otvorů pro výměnu tepla.

Využitím přesnosti samotného obráběcího stroje k zajištění polohy můstku otvoru pro výměnu tepla lze pomocí vrtáku, vyvrtávacího nástroje nebo výstružníku pro obrábění výrazně zvýšit efektivitu obrábění. Mezitím lze díky funkci víceosého propojení CNC obráběcích strojů obrábět složité tvary a polohy, což poskytuje více možností pro obrábění otvorů pro výměnu tepla.

3. Určení modelu nástroje a řezných parametrů

Podle předem stanoveného plánu obrábění je třeba určit materiál, model a řezné parametry řezného nástroje. Při výběru řezného nástroje se zohledňuje především jeho tvrdost, odolnost proti opotřebení, houževnatost a řezná účinnost. Po otestování a zpracování vrtáků, vyvrtávacích fréz a výstružníků poskytnutých výrobci nástrojů, jako jsou SECO, KOMET, SWISS TOOLS a SANDVIK, byly provedeny speciální kontroly otvoru, kolmosti otvoru a drsnosti povrchu otvoru. Na základě výsledků analýzy jsme nakonec použili vrtáky SWISS (plná tvrdá slitina) a KOMET (zapuštěná špička nástroje z tvrdé slitiny) ф 15,8, jednobřité vyvrtávací frézy SWISS ф 16,2 a přesné výstružníky KOMET quasi 16,2 se šesti břity.

Volba řezných parametrů má zásadní vliv na kvalitu a efektivitu obrábění. Při určování řezných parametrů je nutné zohlednit faktory, jako jsou řezné vlastnosti titanových slitin, materiál a model řezných nástrojů a výkonnost obráběcích strojů. Po opakovaných experimentech a optimalizaci byly nakonec stanoveny řezné parametry uvedené v tabulce 1.

Tabulka 1. Řezné parametry

Při volbě řezné rychlosti je třeba zohlednit špatnou tepelnou vodivost a vysokou chemickou afinitu titanových slitin, aby se zabránilo opotřebení nástroje a deformaci obrobku způsobené příliš vysokými řeznými teplotami. Volba rychlosti posuvu by měla zajistit stabilitu a účinnost řezného procesu. Volba otáček vřetena by měla odpovídat řezné rychlosti a rychlosti posuvu, aby bylo dosaženo nejlepšího řezného účinku. Výběr chladicí kapaliny by měl mít dobré chladicí, mazací a čisticí účinky, aby se snížilo opotřebení nástroje a deformace obrobku.

4. Stávající problémy a jejich řešení

Při zpracování otvorů pro přenos tepla v trubkách z titanové slitiny Ti75 se vyskytly některé technické potíže. Analýzou a výzkumem byla nalezena odpovídající řešení.

4.1 Deformace obrobku a řešení

Vzhledem k velkému průměru a nízké místní tvrdosti titanových desek je obrobek během upínání náchylný k deformaci a vtisku. Po pozorování a studiu místa bylo zjištěno, že obsluha při upínání vyvíjela nadměrný tlak, což vedlo ke vzniku tlakových stop v místech upnutí. Kromě toho dochází kvůli malému počtu opěrných bodů k jevu zborcení uprostřed trubkové desky.

K vyřešení tohoto problému byla přijata následující opatření: Na vnějším kruhu f 2020 je umístěno 8-12 kusů 100 mm vysokých podložek a na stejně vysoké podložky jsou umístěny měděné plechy, které chrání povrch titanové trubky a zabraňují otlakům. Současně je třeba umístit 12-16 nylonových podložek v neporézní oblasti uprostřed trubkové desky jako pomocné podpěry, aby se zvýšil počet opěrných bodů a zabránilo se zhroucení uprostřed trubkové desky. Provedením těchto opatření byl problém deformace obrobku účinně vyřešen.

4.2 Silné opotřebení nástrojů a řešení

Během obrábění bylo zjištěno, že dochází k silnému opotřebení nástroje, což ovlivňuje kvalitu a účinnost obrábění. Komunikací s dodavatelem bylo zjištěno, že trubkový plech je celý kovaný kus a přítomnost tvrdých míst uvnitř těla plechu je nevyhnutelná. Tato tvrdá místa mohou snadno způsobit zlomení nástroje a jeho opotřebení během vrtání.

K vyřešení tohoto problému byla přijata následující opatření: úprava otáček a rychlosti posuvu v oblasti tvrdých míst, snížení řezného zatížení nástroje snížením otáček a rychlosti posuvu a zamezení poškození otvoru způsobeného zlomením nástroje. Současně monitorujte otvor v reálném čase, abyste zajistili, že velikost otvoru odpovídá konstrukčním požadavkům. Kromě toho byl zvýšen průtok chladicí kapaliny, aby se snížila teplota břitu během řezání, a tím se snížilo opotřebení nástroje. Zavedením těchto opatření se účinně prodloužila životnost řezných nástrojů a zvýšila se účinnost obrábění.

4.3 Smršťování clony a řešení

Při zkoušce závitování s utaženými vnitřními a vnějšími deskami trubek bylo zjištěno, že některé titanové trubky nemohou hladce projít. Po kontrole bylo zjištěno, že ačkoli byly tyto otvory předtím zkontrolovány a kvalifikovány, při utažení došlo ke zmenšení jejich průměru. Podle výzkumu má materiál z titanové slitiny vysokou odolnost a je náchylný k deformaci v důsledku napětí při zpracování, což má za následek zmenšení otvoru a nekvalifikovaný průchod trubkou.

K řešení tohoto problému byla přijata tato opatření: opravit otvory označené jako nekvalifikované. K opravě otvoru na vrtačce použijte přesný výstružník a zajistěte, aby velikost otvoru odpovídala konstrukčním požadavkům. Současně byl optimalizován proces obrábění, aby se snížilo napětí a deformace během procesu obrábění. Zavedením těchto opatření byl účinně vyřešen problém smršťování otvoru, čímž byly splněny požadavky na montáž.

5. Závěr

Tento článek shrnuje výzkumný proces obrábění otvorů pro přenos tepla na trubkách z titanové slitiny Ti75. Analýzou obrobku, formulací procesního plánu, výběrem modelů nástrojů a řezných parametrů a zkoumáním řešení existujících problémů jsme úspěšně nasbírali zkušenosti s obráběním trubkových plechů ze slitiny titanu.

Při obrábění jsme plně využili vysoce přesných a vysoce účinných vlastností obráběcích strojů CNC, přijali jsme vhodné řezné nástroje a řezné parametry a zajistili jsme průměr, můstek a kvalitu povrchu otvorů pro výměnu tepla. Současně jsme přijali účinná opatření k řešení problémů, jako je deformace obrobku, silné opotřebení nástroje a smrštění otvoru, které se vyskytují během procesu obrábění, a zajistili tak kvalitu a efektivitu obrábění.

Výzkumem a zavedením této technologie zpracování jsme nejen splnili požadavky na závitování vnitřních a vnějších trubkových desek a mezipřepážky kondenzátoru, ale také jsme poskytli užitečné reference a inspiraci pro zpracování trubkových desek z titanové slitiny. V budoucnu budeme pokračovat v hloubkovém výzkumu vlastností a procesů zpracování slitin titanu a poskytovat technickou podporu a záruky pro jejich použití v širším spektru oborů.

Příloha

Příloha A Chemické složení a mechanické vlastnosti titanové slitiny Ti75

Chemické složení titanové slitiny Ti75 zahrnuje především prvky, jako je titan (Ti), hliník (Al), molybden (Mo), zirkonium (Zr) atd. Má vynikající mechanické vlastnosti, včetně vysoké pevnosti, vysoké houževnatosti, dobré odolnosti proti korozi a svařitelnosti. Specifické chemické složení a mechanické parametry jsou uvedeny v tabulkách A1 a A2.

Tabulka A1. Chemické složení titanové slitiny Ti75

Tabulka A2. Mechanické vlastnosti titanové slitiny Ti75

Tabulka A2. Mechanické vlastnosti titanové slitiny Ti75 (pokračování)

Vynikající mechanické a chemické vlastnosti slitiny titanu Ti75 umožnily její široké využití v oblastech, jako jsou lodě, ponorky a letectví. Zejména při výrobě podmořských kondenzátorů se titanová slitina Ti75 stala preferovaným materiálem pro trubkové desky díky své vynikající odolnosti vůči korozi mořskou vodou a namáhání solí.

Příloha B Úvod do CNC vícehlavé vrtačky Yinsai

Vícehlavý vrtací stroj CNC Yinsai je vysoce přesný a vysoce účinný CNC obráběcí stroj vhodný pro obrábění hlubokých otvorů v různých kovových materiálech. Tento obráběcí stroj má funkci víceosé vazby, díky níž lze dosáhnout obrábění složitých tvarů a poloh. Mezi jeho hlavní vlastnosti patří:

• Vysoká přesnost: Obráběcí stroj využívá pokročilý řídicí systém a přesný převodový mechanismus, který zajišťuje přesnost a stabilitu obrábění.
• Vysoká účinnost: Vícehlavé vrtačky mohou současně zpracovávat více otvorů, což výrazně zvyšuje efektivitu zpracování.
• Víceosé propojení: Obráběcí stroje jsou vybaveny funkcemi víceosého propojení, které umožňují zpracování složitých tvarů a poloh.
• Vysoký stupeň automatizace: Obráběcí stroj je vybaven automatickým podáváním, automatickou výměnou nástrojů a dalšími zařízeními, čímž je dosaženo automatizace procesu obrábění.
• Silná přizpůsobivost: Obráběcí stroje jsou vhodné pro zpracování různých kovových materiálů, včetně slitin titanu, nerezové oceli, hliníkových slitin atd.

V procesu obrábění otvorů pro výměnu tepla v trubkovém plechu z titanové slitiny Ti75 hrál důležitou roli vícehlavý vrtací stroj CNC Yinsai. Výběrem vhodných řezných nástrojů a nastavením řezných parametrů je zajištěn průměr, můstek a kvalita povrchu otvorů pro výměnu tepla. Vysoká přesnost a účinnost obráběcích strojů zároveň výrazně zlepšila kvalitu a efektivitu obrábění.

Dodatek C Výběr a funkce řezné kapaliny

Řezná kapalina hraje při řezání kovů zásadní roli. Dokáže nejen snížit teplotu řezu a opotřebení nástroje, ale také zlepšit kvalitu a účinnost obrábění. Při obrábění teplosměnných otvorů v trubkovém plechu z titanové slitiny Ti75 byla jako chladicí kapalina zvolena řezná kapalina rozpustná ve vodě.

Vodou rozpustná řezná kapalina má tyto hlavní funkce:

• Chladicí účinek: Řezná kapalina dokáže snížit teplotu v oblasti řezu, čímž zabraňuje poškození nástroje a obrobku v důsledku vysokých teplot. Snížení teploty může také snížit tepelnou deformaci a zbytkové napětí a zlepšit přesnost obrábění.
• Funkce mazání: Řezná kapalina může vytvářet mazací film, který snižuje tření a opotřebení mezi nástrojem a obrobkem. To může nejen prodloužit životnost nástroje, ale také zlepšit hladkost obrobeného povrchu.
• Funkce čištění: Řezná kapalina může čistit třísky a nečistoty vzniklé během řezání a zabraňuje jejich ucpávání kanálků nástroje a obráběcího stroje. Zároveň může čisticí funkce udržovat čistotu řezné plochy a zvyšovat efektivitu obrábění.
• Účinek prevence koroze: Inhibitor rzi v řezné kapalině může zabránit rezivění obrobku a obráběcího stroje během procesu obrábění a prodloužit tak jejich životnost.

Při tomto obrábění se díky použití ve vodě rozpustné řezné kapaliny účinně snížila řezná teplota, minimalizovalo opotřebení nástroje a zlepšila kvalita a účinnost obrábění. Současně čisticí a antikorozní účinky řezné kapaliny zajišťují dobrý stav obráběcího nástroje a obrobku.

Dodatek D Další bezpečnostní opatření při zpracování slitin titanu

Kromě výše uvedených technik zpracování a řešení je třeba při zpracování titanových slitin dbát také na následující body:

• Výběr vhodného materiálu nástroje: Řezání titanové slitiny vyžaduje vysoké nároky na nástrojové materiály. Mezi běžné nástrojové materiály patří tvrdé slitiny, rychlořezná ocel, keramika a kubický nitrid bóru. Při výběru řezných nástrojů je třeba komplexně zvážit faktory, jako jsou podmínky obrábění, materiály obrobku a řezné parametry.
• Přiměřené řezné parametry: Volba řezných parametrů má významný vliv na kvalitu a účinnost obrábění titanových slitin. Rozumný výběr řezné rychlosti, posuvu a hloubky řezu by měl vycházet z faktorů, jako je materiál nástroje, materiál obrobku a výkonnost obráběcího stroje. Mezitím by se měly provádět úpravy a optimalizace podle skutečné situace během obrábění.
• Prevence odlamování a lámání nástrojů: Řezání titanové slitiny je náchylné k vysokým teplotám a tlakům, které mohou snadno vést k odštípnutí a zlomení nástroje. Proto by měla být během obrábění přijata přiměřená chladicí opatření a opatření na ochranu nástroje, jako je použití chladicí kapaliny, zvýšení pevnosti a tuhosti nástroje atd.
• Řízení deformace při obrábění: Slitiny titanu jsou během obrábění náchylné k deformacím a zbytkovým napětím. Proto je třeba během obrábění přijmout rozumnou konstrukci upínacího přípravku a metody upínání, aby se snížila deformace obrobku a zbytková napětí. Současně by se po opracování mělo provést nezbytné tepelné zpracování a kalibrace.

Díky výzkumu a realizaci technologie zpracování otvorů pro přenos tepla pro trubkový plech z titanové slitiny Ti75 jsme nejen nashromáždili cenné zkušenosti, ale také poskytli technickou podporu a záruku pro širší použití titanové slitiny v různých oblastech. V budoucnu budeme pokračovat v hloubkovém výzkumu vlastností a procesů zpracování titanových slitin a podporovat neustálý vývoj a inovace technologie titanových slitin.