Forschung über die Verarbeitungstechnologie von Wärmeübertragungslöchern in Rohrblechen aus der Titanlegierung Ti75

Es wurde eine Studie über das Tieflochbohren, Aufbohren und Aufreiben von Wärmetauscherlöchern an Titanlegierung Ti75 Rohrböden mit einer CNC-Mehrkopf-Bohrmaschine von Yinsai, die die Qualität des Lochdurchmessers, der Lochbrücke und der Lochoberfläche sicherstellt und die Anforderungen an die Rohrdurchdringung auf den inneren und äußeren Rohrböden und den Zwischenböden erfüllt Ablenkungsmanöver des Verflüssigers.

0. Einführung

Die Titanlegierung Ti75, eine neue Art von Titanlegierung für Schiffsenergieanlagen, die unabhängig von China entwickelt und entworfen wurde, wird aufgrund ihrer hohen Festigkeit von 730 MPa, ihrer ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit, ihrer guten Zähigkeit und ihrer Schweißbarkeit häufig in der Schiffs- und U-Boot-Herstellung verwendet. Insbesondere bei der Herstellung von U-Boot-Kondensatoren hat sich die Titanlegierung Ti75 (Ti-3Al-2Mo-2Zr) aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und Salzbelastung zum bevorzugten Werkstoff für Rohrplatten entwickelt. Allerdings erschweren die Verarbeitungseigenschaften von Titanlegierungen, wie z. B. die kurze Kontaktlänge zwischen Werkzeug und Span, die schlechte Wärmeleitfähigkeit, die hohe chemische Affinität und der niedrige Elastizitätsmodul, die Zerspanung. Ziel dieses Artikels ist es, den Bearbeitungsprozess von Wärmeübertragungslöchern in Rohrböden aus der Titanlegierung Ti75 zu untersuchen. Durch die Anwendung der CNC Yinsai Mehrkopfbohrmaschine wird die Qualität des Lochdurchmessers, der Lochbrücke und der Lochoberfläche sichergestellt, um die Anforderungen an das Gewindeschneiden der inneren und äußeren Rohrböden und der Zwischenwand des Kondensators zu erfüllen.

1. Analyse des Werkstücks

Der Kondensator, eine Schlüsselkomponente des U-Boot-Energiesystems, besteht hauptsächlich aus dem Gehäuse und der Wasserkammer, Rohrboden, Zwischenrohrplatte und Rohrbündel. Die Struktur ist komplex und die Arbeitsumgebung ist rau, so dass das Material des Rohrbodens in der Lage sein muss, hohem Druck, hohen Temperaturunterschieden und korrosiver Meerwassererosion standzuhalten. Das Werkstück dieser Studie ist ein Rohrboden aus der Titanlegierung Ti75 mit einem Außendurchmesser von 2020 mm und einer Blechdicke von 80 mm. Das Hauptforschungsprojekt besteht in der Bearbeitung von 3000 Wärmetauscherlöchern mit einem Durchmesser von 16,2 mm, mit einer Toleranz des Lochdurchmessers von 0,1 mm, einer Toleranz des Lochstegs von 0,2 mm und einer geforderten Oberflächenrauhigkeit von Ra1,6. Aufgrund des Öffnungsverhältnisses (L/D) von 4,9, das in der Nähe des Bereichs der Tieflochbearbeitung liegt, wurde die Frage, wie die Qualität der Öffnung, des Stegs und der Oberfläche der Wärmeübertragungslöcher sichergestellt werden kann, in den Mittelpunkt dieser Prozessforschung gestellt.

Abbildung 1 zeigt die Struktur der Rohrplatte, aus der ersichtlich ist, dass eine große Anzahl von Wärmeübertragungslöchern auf der Rohrplatte verteilt ist. Die Bearbeitungsqualität und die Genauigkeit dieser Löcher wirken sich direkt auf die Wärmeübertragungseffizienz und die Betriebsstabilität des Kondensators aus.

Abbildung.1 Aufbau der Rohrplatte

2. Entwickeln Sie einen Prozessplan

Die herkömmliche Methode zur Bearbeitung von Wärmetauscherlöchern besteht darin, sie mit einem Bohrwerkzeug auf einer Radialbohrmaschine zu positionieren und den Bearbeitungsprozess durch drei Schnitte abzuschließen: Bohrer, Erweiterungsbohrer und Reibahle. Der Vorteil dieser Methode sind die relativ niedrigen Kosten, der Nachteil ist jedoch der starke Werkzeugverschleiß und die geringe Bearbeitungseffizienz, die den Anforderungen der modernen Industrie an hohe Effizienz und Präzision nicht gerecht werden. Um die Bearbeitungseffizienz zu verbessern und den Montagezyklus zu verkürzen, wurde diese Bearbeitung auf einer CNC-Werkzeugmaschine durchgeführt. Die CNC-Werkzeugmaschine (eine in Italien hergestellte Mehrkopf-Bohrmaschine von Insei) zeichnet sich durch hohe Präzision und hohe Effizienz aus und kann die Anforderungen an die Bearbeitung von Wärmetauscherbohrungen erfüllen.

Indem die Präzision der Werkzeugmaschine selbst genutzt wird, um die Position der Brücke für die Wärmeaustauschbohrung zu gewährleisten, kann durch die Verwendung eines Bohrers, eines Ausbohrwerkzeugs oder einer Reibahle für die Bearbeitung die Effizienz der Bearbeitung erheblich verbessert werden. Dank der mehrachsigen Verkettungsfunktion von CNC-Werkzeugmaschinen können komplexe Formen und Positionen bearbeitet werden, was mehr Möglichkeiten für die Bearbeitung von Wärmetauscherbohrungen bietet.

3. Bestimmen Sie das Werkzeugmodell und die Schnittparameter

Entsprechend dem vorgegebenen Bearbeitungsplan müssen der Werkstoff, das Modell und die Schnittparameter des Schneidwerkzeugs bestimmt werden. Bei der Auswahl eines Schneidwerkzeugs sind vor allem die Härte, die Verschleißfestigkeit, die Zähigkeit und die Schnittleistung zu berücksichtigen. Nach der Prüfung und Bearbeitung der Bohrer, Ausbohrer und Reibahlen, die von Werkzeugherstellern wie SECO, KOMET, SWISS TOOLS und SANDVIK zur Verfügung gestellt wurden, wurden spezielle Prüfungen der Öffnung, der Rechtwinkligkeit der Bohrung und der Oberflächenrauheit der Bohrung durchgeführt. Auf der Grundlage der Analyseergebnisse verwendeten wir schließlich SWISS (massive Hartlegierung) und KOMET (eingebettete Hartlegierung) ф 15.8 Bohrer, SWISS ф 16.2 Einschneidenbohrer und KOMET quasi 16.2 Sechsschneiden-Präzisionsreibahlen.

Die Auswahl der Schnittparameter hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität und Effizienz der Bearbeitung. Bei der Festlegung der Schnittparameter müssen Faktoren wie die Zerspanungseigenschaften von Titanlegierungen, der Werkstoff und das Modell der Schneidwerkzeuge sowie die Leistung der Werkzeugmaschinen berücksichtigt werden. Nach wiederholten Versuchen und Optimierungen wurden schließlich die in Tabelle 1 dargestellten Schnittparameter ermittelt.

Tabelle 1. Schnittparameter

Bei der Wahl der Schnittgeschwindigkeit sollte die schlechte Wärmeleitfähigkeit und die hohe chemische Affinität von Titanlegierungen berücksichtigt werden, um Werkzeugverschleiß und Werkstückverformung durch zu hohe Schnitttemperaturen zu vermeiden. Die Vorschubgeschwindigkeit sollte so gewählt werden, dass die Stabilität und Effizienz des Zerspanungsprozesses gewährleistet ist. Die Wahl der Spindeldrehzahl sollte auf die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub abgestimmt sein, um den besten Schneideffekt zu erzielen. Die Auswahl des Kühlmittels sollte eine gute Kühl-, Schmier- und Reinigungswirkung haben, um den Werkzeugverschleiß und die Verformung des Werkstücks zu verringern.

4. Bestehende Probleme und Lösungen

Bei der Bearbeitung von Wärmeübertragungslöchern in Rohrböden aus der Titanlegierung Ti75 traten einige technische Schwierigkeiten auf. Durch Analyse und Forschung konnten entsprechende Lösungen gefunden werden.

4.1 Werkstückverformung und Lösungen

Aufgrund des großen Durchmessers und der geringen lokalen Härte von Titanplatten neigt das Werkstück während des Spannvorgangs zu Verformungen und Eindrückungen. Nach Beobachtung und Untersuchung der Baustelle wurde festgestellt, dass der Bediener während des Spannens einen übermäßigen Druck ausübte, was zu Druckspuren an den Spannstellen führte. Darüber hinaus kommt es aufgrund der geringen Anzahl von Auflagepunkten zu einem Einbruch in der Mitte der Rohrplatte.

Um dieses Problem zu lösen, wurden die folgenden Maßnahmen ergriffen: 8-12 Stück 100 mm hohe Ausgleichsplatten werden am Außenkreis ф 2020 angebracht, und auf die gleich hohen Ausgleichsplatten werden Kupferbleche gelegt, um die Oberfläche der Titan-Rohrplatte zu schützen und Eindrücke zu vermeiden. Gleichzeitig sollten 12-16 Nylonpads im nicht porösen Bereich in der Mitte des Rohrbodens als Hilfsstützen angebracht werden, um die Stützpunkte zu erhöhen und einen Zusammenbruch in der Mitte des Rohrbodens zu vermeiden. Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen konnte das Problem der Werkstückverformung wirksam gelöst werden.

4.2 Starker Werkzeugverschleiß und Lösungen

Während des Bearbeitungsprozesses wurde festgestellt, dass der Werkzeugverschleiß sehr hoch war und die Bearbeitungsqualität und -effizienz beeinträchtigte. In Gesprächen mit dem Lieferanten erfuhr man, dass die Rohrplatte ein ganzes Schmiedestück ist und das Vorhandensein harter Stellen im Inneren des Plattenkörpers unvermeidlich ist. Diese harten Stellen können beim Bohren leicht zu Werkzeugbruch und Werkzeugverschleiß führen.

Um dieses Problem zu lösen, wurden folgende Maßnahmen ergriffen: Anpassung der Geschwindigkeit und des Vorschubs im Bereich der harten Stellen, Verringerung der Schnittbelastung des Werkzeugs durch Senkung der Geschwindigkeit und des Vorschubs und Vermeidung von Schäden an der Öffnung durch Werkzeugbruch. Gleichzeitig wird die Blende in Echtzeit überwacht, um sicherzustellen, dass die Blendengröße den Konstruktionsanforderungen entspricht. Darüber hinaus wurde die Durchflussmenge des Kühlmittels erhöht, um die Temperatur der Schneide während des Schneidens zu senken und so den Werkzeugverschleiß zu verringern. Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen konnte die Lebensdauer der Schneidwerkzeuge effektiv verlängert und die Bearbeitungseffizienz verbessert werden.

4.3 Blendenschrumpfung und Lösungen

Während des Gewindetests mit angezogenen inneren und äußeren Rohrplatten wurde festgestellt, dass einige Titanrohre nicht reibungslos hindurchgeführt werden konnten. Nach der Inspektion wurde festgestellt, dass sich der Durchmesser dieser Löcher, obwohl sie zuvor geprüft und qualifiziert worden waren, beim Anziehen verringert hatte. Untersuchungen haben ergeben, dass Titanlegierungen eine hohe Elastizität aufweisen und bei der Verarbeitung zu Spannungsverformungen neigen, was zu einer verringerten Öffnung und einer unqualifizierten Rohrdurchführung führt.

Um dieses Problem zu lösen, wurden folgende Maßnahmen ergriffen: Reparieren Sie die als unqualifiziert gekennzeichneten Löcher. Verwendung einer Präzisionsreibahle zur Reparatur der Öffnung auf der Bohrmaschine, um sicherzustellen, dass die Größe der Öffnung den Konstruktionsanforderungen entspricht. Gleichzeitig wurde der Bearbeitungsprozess optimiert, um Spannungen und Verformungen während des Bearbeitungsprozesses zu reduzieren. Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen wurde das Problem der Schrumpfung der Öffnung wirksam gelöst und die Montageanforderungen erfüllt.

5. Schlussfolgerung

Dieser Artikel fasst den Forschungsprozess der Bearbeitung von Wärmeübertragungslöchern in Rohrböden aus der Titanlegierung Ti75 zusammen. Durch die Analyse des Werkstücks, die Formulierung des Prozessplans, die Auswahl von Werkzeugmodellen und Schnittparametern sowie die Erforschung von Lösungen für bestehende Probleme haben wir erfolgreich Erfahrungen bei der Bearbeitung von Rohrböden aus Titanlegierungen gesammelt.

Während des Bearbeitungsprozesses haben wir die hochpräzisen und hocheffizienten Eigenschaften der CNC-Werkzeugmaschinen voll ausgenutzt, geeignete Schneidewerkzeuge und Schneidparameter eingesetzt und den Durchmesser, die Brücke und die Oberflächenqualität der Wärmetauscherlöcher sichergestellt. Gleichzeitig haben wir wirksame Maßnahmen ergriffen, um Probleme wie die Verformung des Werkstücks, den starken Werkzeugverschleiß und die Schrumpfung der Öffnungen, die während des Bearbeitungsprozesses auftreten, zu beheben und die Qualität und Effizienz der Bearbeitung zu gewährleisten.

Durch die Erforschung und Umsetzung dieser Verarbeitungstechnologie haben wir nicht nur die Anforderungen für das Gewindeschneiden der inneren und äußeren Rohrplatten und der Zwischenwand des Kondensators erfüllt, sondern auch nützliche Hinweise und Anregungen für die Verarbeitung von Rohrplatten aus Titanlegierungen geliefert. Auch in Zukunft werden wir die Verarbeitungseigenschaften und -verfahren von Titanlegierungen eingehend erforschen und technische Unterstützung und Garantien für ihre Anwendung in einem breiteren Spektrum von Bereichen bieten.

Anhang

Anhang A Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften der Titanlegierung Ti75

Die chemische Zusammensetzung der Titanlegierung Ti75 umfasst hauptsächlich Elemente wie Titan (Ti), Aluminium (Al), Molybdän (Mo), Zirkonium (Zr) usw. Sie hat hervorragende mechanische Eigenschaften, darunter hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit. Die spezifische chemische Zusammensetzung und die mechanischen Leistungsparameter sind in den Tabellen A1 und A2 aufgeführt.

Tabelle A1. Chemische Zusammensetzung der Titanlegierung Ti75

Tabelle A2. Mechanische Eigenschaften der Titanlegierung Ti75

Tabelle A2. Mechanische Eigenschaften der Titanlegierung Ti75 (Forts.)

Die hervorragenden mechanischen und chemischen Eigenschaften der Titanlegierung Ti75 haben dazu geführt, dass sie in Bereichen wie Schiffen, U-Booten und der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet ist. Insbesondere bei der Herstellung von U-Boot-Kondensatoren ist die Titanlegierung Ti75 aufgrund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und Salzbelastung zum bevorzugten Werkstoff für Rohrplatten geworden.

Anhang B Einführung in die CNC Yinsai Mehrkopf-Bohrmaschine

Die CNC Yinsai Mehrkopf-Bohrmaschine ist eine hochpräzise und hocheffiziente CNC-Werkzeugmaschine, die für die Tieflochbearbeitung verschiedener Metallmaterialien geeignet ist. Diese Werkzeugmaschine verfügt über eine Mehrachsen-Verknüpfungsfunktion, die die Bearbeitung komplexer Formen und Positionen ermöglichen kann. Seine wichtigsten Merkmale sind:

• Hohe Präzision: Die Werkzeugmaschine verfügt über ein fortschrittliches Steuerungssystem und einen präzisen Übertragungsmechanismus, um die Bearbeitungsgenauigkeit und Stabilität zu gewährleisten.
• Hohe Effizienz: Mehrkopf-Bohrmaschinen können gleichzeitig mehrere Löcher bearbeiten, was die Bearbeitungseffizienz erheblich verbessert.
• Mehrachsige Verkettung: Werkzeugmaschinen verfügen über eine mehrachsige Verkettung, mit der die Bearbeitung komplexer Formen und Positionen möglich ist.
• Hoher Grad der Automatisierung: Die Werkzeugmaschine ist mit automatischer Beschickung, automatischem Werkzeugwechsel und anderen Vorrichtungen ausgestattet, wodurch der Bearbeitungsprozess automatisiert wird.
• Starke Anpassungsfähigkeit: Werkzeugmaschinen eignen sich für die Bearbeitung verschiedener Metallwerkstoffe, einschließlich Titanlegierungen, Edelstahl, Aluminiumlegierungen usw.

Bei der Bearbeitung der Wärmeübertragungslöcher im Rohrboden aus der Titanlegierung Ti75 spielt die CNC-Mehrkopfbohrmaschine von Yinsai eine wichtige Rolle. Durch die Auswahl geeigneter Schneidwerkzeuge und die Einstellung der Schneidparameter werden der Durchmesser, die Brücke und die Oberflächenqualität der Wärmeübertragungslöcher sichergestellt. Gleichzeitig haben die hohe Präzision und Effizienz der Werkzeugmaschinen die Qualität und Effizienz der Bearbeitung erheblich verbessert.

Anhang C Auswahl und Funktion der Schneidflüssigkeit

Kühlschmierstoffe spielen bei der Metallzerspanung eine entscheidende Rolle. Sie kann nicht nur die Schnitttemperatur und den Werkzeugverschleiß verringern, sondern auch die Bearbeitungsqualität und -effizienz verbessern. Bei der Bearbeitung der Wärmetauscherlöcher im Rohrboden der Titanlegierung Ti75 wurde eine wasserlösliche Schneidflüssigkeit als Kühlmittel gewählt.

Wasserlösliche Schneidflüssigkeit hat die folgenden Hauptfunktionen:

• Kühlende Wirkung: Die Schneidflüssigkeit kann die Temperatur im Schneidbereich senken und so Schäden an Werkzeug und Werkstück durch hohe Temperaturen verhindern. Gleichzeitig können durch die Senkung der Temperatur auch thermische Verformungen und Eigenspannungen verringert und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden.
• Schmierungsfunktion: Die Schneidflüssigkeit kann einen Schmierfilm bilden, der die Reibung und den Verschleiß zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück verringert. Dies kann nicht nur die Lebensdauer des Werkzeugs verlängern, sondern auch die Glätte der bearbeiteten Oberfläche verbessern.
• Reinigungsfunktion: Die Schneidflüssigkeit kann die Späne und Verunreinigungen, die während des Schneidprozesses entstehen, reinigen und verhindern, dass sie die Kanäle des Werkzeugs und der Werkzeugmaschine blockieren. Gleichzeitig kann die Reinigungsfunktion auch die Sauberkeit des Schneidbereichs aufrechterhalten und die Bearbeitungseffizienz verbessern.
• Rostschutzwirkung: Das Rostschutzmittel in der Schneidflüssigkeit kann verhindern, dass das Werkstück und die Werkzeugmaschine während des Bearbeitungsprozesses rosten, was ihre Lebensdauer verlängert.

Bei diesem Bearbeitungsprozess senkt die Verwendung wasserlöslicher Schneidflüssigkeit die Schnitttemperatur, minimiert den Werkzeugverschleiß und verbessert die Bearbeitungsqualität und -effizienz. Gleichzeitig sorgen die Reinigungs- und Rostschutzwirkung der Schneidflüssigkeit für einen guten Zustand der Werkzeugmaschine und des Werkstücks.

Anhang D Sonstige Vorsichtsmaßnahmen bei der Verarbeitung von Titanlegierungen

Neben den oben genannten Verarbeitungstechniken und Lösungen sind bei der Verarbeitung von Titanlegierungen auch folgende Punkte zu beachten:

• Auswahl des geeigneten Werkzeugmaterials: Das Schneiden von Titanlegierungen stellt hohe Anforderungen an die Werkzeugmaterialien. Zu den gängigen Werkzeugwerkstoffen gehören Hartlegierungen, Schnellarbeitsstahl, Keramik und kubisches Bornitrid. Bei der Auswahl von Schneidwerkzeugen sollten Faktoren wie Bearbeitungsbedingungen, Werkstückwerkstoffe und Schnittparameter umfassend berücksichtigt werden.
• Angemessene Schnittparameter: Die Auswahl der Schnittparameter hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität und Effizienz der Bearbeitung von Titanlegierungen. Eine vernünftige Auswahl der Parameter Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe sollte auf Faktoren wie Werkzeugmaterial, Werkstückmaterial und Werkzeugmaschinenleistung basieren. Gleichzeitig sollten Anpassungen und Optimierungen entsprechend der tatsächlichen Situation während der Bearbeitung vorgenommen werden.
• Verhinderung von Werkzeugausbrüchen und -brüchen: Der Zerspanungsprozess von Titanlegierungen ist anfällig für hohe Temperaturen und Drücke, die leicht zu Werkzeugausbrüchen und -brüchen führen können. Daher sollten während des Bearbeitungsprozesses angemessene Kühlmaßnahmen und Maßnahmen zum Schutz des Werkzeugs ergriffen werden, wie z. B. die Verwendung von Kühlmittel, die Erhöhung der Werkzeugfestigkeit und -steifigkeit, usw.
• Kontrolle der Bearbeitungsdeformation: Titanlegierungen sind anfällig für Verformungen und Eigenspannungen während des Bearbeitungsprozesses. Daher sollten während der Bearbeitung angemessene Spannvorrichtungen und Spannmethoden verwendet werden, um die Verformung des Werkstücks und Eigenspannungen zu verringern. Gleichzeitig sollte nach der Bearbeitung die notwendige Wärmebehandlung und Kalibrierung durchgeführt werden.

Durch die Erforschung und Umsetzung der Technologie zur Verarbeitung von Wärmeübertragungslöchern für Rohrböden aus der Titanlegierung Ti75 haben wir nicht nur wertvolle Erfahrungen gesammelt, sondern auch technische Unterstützung und Garantien für die breitere Anwendung von Titanlegierungen in verschiedenen Bereichen geboten. Auch in Zukunft werden wir die Verarbeitungseigenschaften und -prozesse von Titanlegierungen eingehend erforschen und die kontinuierliche Entwicklung und Innovation der Titanlegierungstechnologie fördern.