Повышение эффективности упрочнения деталей из титановых сплавов

Введение. В современном машиностроении основным направлением повышения надежности и долговечности деталей является применение титановых сплавов. Титановые сплавы обладают высокой прочностью и пластичностью по сравнению с ранее применяемыми материалами. В практике используются различные методы для повышения прочностных характеристик титановых сплавов, такие как легирование, закалка, старение и поверхностное упрочнение. Последнее в основном связано с применением разных методов поверхностнопластического деформирования деталей из титановых сплавов, при этом наибольший потенциал демонстрирует процесс дробеструйного упрочнения (ДУ). Процесс дробеструйного упрочнения позволяет обрабатывать поверхности деталей сложной формы, предотвращая появление концентраций напряжений и стабилизируя шероховатость обработанных поверхностей. Кроме того, он способствует созданию в поверхностном слое необходимых сжимающих остаточных напряжений (ОН) и уровней пластической деформации. Для производства крупногабаритных деталей предпочтительным выбором является титановый сплав ВТ22. Этот материал выделяется высокой прочностью и достаточной пластичностью, что делает его подходящим в качестве базового материала для исследования процессов упрочнения. При изготовлении крупногабаритных деталей сложной формы из титановых сплавов применяется пневмодробеструйное упрочнение (ПДУ), которое не допускает формирование высоких остаточных напряжений поверхностного слоя. Процесс ПДУ крупногабаритных деталей осуществляется на пневмодробеструйной установке с ЧПУ, которая имеет 4 главных движения и позволяет перемещаться соплу так, чтобы упрочнять наружные поверхности при стабильном положении угла наклона сопла 60 − 90°. Процесс ПДУ осуществляется при скорости дроби 60 м/с и небольших подачах дроби, поэтому трудоемкость процесса упрочнения достаточно высокая. Повышение “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 127 Mechanical engineering and energy производительности возможно двумя способами: это изменение режимов упрочнения и увеличение количества обрабатывающих сопел. В производственных условиях количество работающих сопел – не более двух, поэтому повышение производительности процесса целесообразно осуществлять путем изменения режимных параметров, в частности скорости дроби. Опыт эксплуатации таких установок показал, что повышение скорости стальной дроби более 90 м/с приводит к расколу дроби на более мелкие фрагменты, при этом эффект упрочнения при таких скоростях на титановых сплавах не исследовался. В то же время увеличение скорости дроби повышает энергетическую составляющую процесса, и требуется проведение комплексного исследования по влиянию режимов упрочнения на качество поверхностного слоя. Таким образом, применение методов поверхностного пластического деформирования для упрочнения деталей из титановых сплавов требует разработки научно-обоснованных рекомендаций по управлению эффективности ПДУ крупно- габаритных деталей из титановых сплавов за счет определения рациональных режимов упрочнения и повышения скорости дроби. Постановка решаемой задачи и проблем. Для решения данной задачи целесообразно разработать имитационные модели ПДУ, устанавливающие влияние режимов обработки на условия взаимодействия потока дроби на обрабатываемую поверхность и их влияния на качество поверхности (остаточные напряжения, степень пластической деформации и шероховатость) деталей из титановых сплавов, поэтому повышение эффективности процесса ПДУ крупногабаритных деталей является актуальной задачей. Увеличение прочностных характеристик титановых сплавов, работающих при высоких температурах 550–600 °С является актуальной задачей. На практике применяется ряд способов, повышающих прочностные характеристики титановых сплавов: легирование, закалка, старение и поверхностное упрочнение. Поверхностное упрочнение в основном связано с применение различных методов поверхностно-пластического деформирования поверхности деталей из титановых сплавов, при этом наибольшими технологическими возможностями обладает процесс дробеструйного упрочнения. Процесс дробеструйного упрочнения позволяет обрабатывать поверхности деталей сложной формы, исключить появление концентраторов напряжений на поверхности деталей за счет стабилизации шероховатости обработанных поверхностей, создавать в поверхностном слое необходимые сжимающие остаточные напряжения и степень пластической деформации. Свойства высокопрочных титановых сплавов оцениваются через коэффициент стабилизации β-фазы (Kβ), который имеет следующие значения: ВТ16 – Kβ = 0,8, ВТ23 – Kβ = 0,9, ВТ22 – Kβ = 1,2, ВТ35 – Kβ = 1,45. Анализ эксперимента и полученных результатов. В современных конструкциях устройств технологических машин предъявляются высокие требования к качеству поверхностей, которые влияют на надежность деталей машин и обеспечиваются правильным построением операций упрочнения. Наиболее перспективным методом упрочнения крупногабаритных деталей из титановых сплавов, которые имеют сложные пространственные формы, являются процессы пневмодробеструйного упрочнения. Необходимо иметь в виду, что технологический процесс изготовления данных деталей достаточно сложен, так как они изготавливаются из титановых сплавов в условиях единичного и мелкосерийного производства. Учеными исследованы усталостные свойства деталей из титановых сплавов и влияние концентраторов напряжений на эксплуатационную долговечность. Показано, что область применения деталей из титановых сплавов снижается, так как титановые сплавы очень чувствительны к знакопеременным нагрузкам, связанным с разрушениями деталей, поэтому к качеству поверхностного слоя предъявляются повышенные требования [1]. Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 128 Mashinasozlik va energetika Детали машин упрочняется по наружной поверхности с помощью пневмодробеструйной обработки, внутренние цилиндрические отверстия раскатываются. В этом случае, доля пневмодробеструйной обработки составляет 90 % от трудоемкости упрочняющих операций. В производственных условиях промышленности пневмодробеструйное упрочнение деталей машин из титановых сплавов ВТ22 осуществлялось на установке с ЧПУ АКН-О-33030 А5-Н на следующих режимах:  Скорость дроби – 60 м/с.  Угол наклона сопла – 60 – 90°.  Расстояние от сопла до поверхности – 150 – 200 мм.  Диаметр дроби – 0,3 мм.  Скорость движения сопла – 0,5 – 0,6 мм/с.  Материал заготовки – титановый сплав ВТ22.  Материал дроби – ASH-230 (55 – 62 HRC).  Давление воздуха – 1,8 ± 0,2 бар.  Количество сопел – 2.  Расход дроби на каждое сопло – 2,5 ± 0,25 кг/мин. Допустимые технологические параметры поверхности для данной группы деталей из титановых сплавов после пневмодробеструйного упрочнения следующие: 1. Допустимая деформация образцов-свидетелей (С) – 0,1 – 0,2 мм. 2. Микротвердость – HV 810 МПа. 3. Глубина упрочнения – 100 мкм. 4. Максимальное значение остаточных напряжений – 800 МПа. 5. Глубина залегания остаточных напряжений – 100 мкм. 6. Допустимая шероховатость поверхности 𝑅𝑎 = 1,6 – 3,0 мкм. Разработка процесса пневмодробеструйного упрочнения является ответственной операцией, которая требует анализа возможностей повышения производительности и обеспечения качества поверхности деталей. Пути повышения производительности ПДУ: 1. Обоснованный выбор режимов процесса упрочнения, которые позволят достичь требуемого уровня и степени пластической деформации. 2. Нахождение рациональных условий взаимодействия дроби с обрабатываемой поверхностью (площадь контакта, диаметр дроби, количество сопел расход дроби, расстояние от сопла до поверхности детали, угол наклона сопла к поверхности) при обеспечении требуемого качества поверхности. 3. Проектирование оптимальной траектории движения сопла, которая обеспечивает требуемое перекрытия зон пластической деформации и создает требуемый уровень и глубину остаточных напряжений. 4. Обоснование правильного выбора скорости движения сопла для создания требуемой микрогеометрии с точки зрения упрочнения поверхности с концентраторами напряжений. Сущность метода дробеструйного упрочнения заключается в том, что деталь подвергается воздействию потока дроби. Дробинки, увлекаемые воздушной струёй, производят поверхностную обработку (упрочнение) детали, при этом меняются физические свойства поверхностного слоя металла. Известно, что пневмодробеструйное упрочнение выполняется двумя методами: эжекторный (сжатый воздух) и дробеметный (лопатки). Основным методом при обработке сложных поверхностей потоком дроби на ста ках с ЧПУ является эжекторный. В качестве рабочего инструмента используется эжектор (рис. 1) – устройство, в котором происходит смешивание воздуха, движущегося с большей скоростью с дробью. Подготовленная смесь “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 129 Mechanical engineering and energy выстреливает через отверстие d0 = 1 – 8 мм. Сопло имеет угол раскрытия 8 – 10° на выходе, в результате динамическое давление преобразуется в статическое [47]. Рис. 1. Конструкция эжектора: 1 – сменное сопло с отверстием Вентури; 2 – канал подачи дроби; 3 – канал подачи высокого давления; 4 – дробеструйное сопло; 5 – камера низкого давления для смешения воздуха и дроби Смесь воздуха с дробью при выходе из сопла перемещается в продольном и поперечном направлениях, поэтому поперечное сечение струи увеличивается по мере приближения к поверхности детали, изменяя скорость движения струи. В практических расчетах для круглого сечения струи угол одностороннего расширения струи колеблется от α1 ≈ 7° до α1 ≈ 15° (рис. 2) [2]. На начальном участке (см. рис. 2) скорость движения 𝜗𝑚 воздуха и смеси на аэродинамической оси равна скорости истечения 𝜗0 из отверстия сопла. На основном участке скорость 𝜗𝑚 снижается, а характер её распределения по сечениям описывается безразмерным уравнением Шлихтинга: 3 2 = [1 −( 𝑦 𝑅гр 𝜗 𝜗𝑚 ) ] (1) где: 𝜗− скорость какой-либо выбранной точки сечения, находящейся на удалении y от оси; 𝑅гр − радиус внешней границы струи в том же сечении, вычисляемый по формуле: 𝑅гр 𝑟0 = (3,4 𝑎𝑆 𝑟0 + 1) (2) Рис. 2. Схема свободной струи Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 130 Mashinasozlik va energetika Уменьшение массы дроби снижает скорость (в горизонтальном направлении). Расчёты проведены при неподвижном сопле, без учета диаметра дроби, угла наклона потока дроби, изменения скорости и направления движения дроби при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью, однако они подтверждают, что в пределах используемых расстояний от сопла до обрабатываемых поверхностей в пределах 100 – 200 мм сила сопротивления воздуха мала и можно говорить о равномерном прямолинейном движении микрочастиц в горизонтальном направлении [3]. Учеными предложена модель процесса накопления поврежденности в металле и разработана методика определения предельной пластичности при статическом нагружении, что не учитывает динамические процессы взаимодействия потока дроби с поверхностью. В динамических роцессах глубину деформации определяют через геометрические параметры отпечатка. При многократных ударах, предложена формулу (1.3), связывающую глубину деформации с диаметром дроби и физико-механическими характеристиками материала ℎН = 𝐾пл𝑑, (3) где: 𝐾пл − коэффициент, для стали равный 1,5; 𝑑 – диаметр дроби, мм. При динамическом контакте дроби с обрабатываемой поверхностью деформации вызывают в зоне контакта интенсивное смятие металла в радиальном направлении [18]. Как видим (рис. 3), в процессе динамического удара (скорость дроби 50 м/с) наблюдается стабилизация диаметра отпечатка (𝑑) материала после 10 ударов. Рис. 3. Изменения диаметра отпечатка при диаметре дроби: 1 – 10 мм, 2 – 8 мм Рис. 4. Влияние твердости на степень поверхностной деформации при d = 1 мм [10]: 1 – скорость V = 50 м/с; 2 – V = 30 м/с При динамическом взаимодействии дроби увеличение числа ударов c 5 до 12 увеличивает размер отпечатка в 1,25 – 1,55 раза. В литературных источниках отсутствуют сведения о взаимодействии дроби с титановым сплавом ВТ22; кроме того, в исследовании не учитывается изменение физических свойств материала после каждого удара. Следующая формула характеризует степень поверхностной деформации ψ как отношение диаметра отпечатка d 1 к диаметру дроби d: 𝜓= 𝑑1 𝑑 ⁄ (4) где: 𝑑1 = 𝐴ꞏ𝑑𝐵, 𝐴 и 𝐵− эмпирические коэффициенты, для титановых сплавов А = 0,34, В = 0,9. Степень поверхностной деформации 𝜓 связывается со скоростью дроби и с твердостью обрабатываемого материала (рис. 4). “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 131 Mechanical engineering and energy Увеличение скорости дроби на 40–50% повышает степень поверхностной деформации ψ в 1,3 раза. В исследованиях не изучено взаимодействие с высокопрочными титановыми сплавами. Известно, что площадь отпечатка зависит от диаметра дроби, расстояния от сопла до поверхности и углов наклона сопла в продольном и поперечном направлениях. Автор обращает внимание, что на формирование структуры струи оказывают влияние показатели процесса упрочнения. Опираясь на схему, приведенную на рис. 5, можно рассчитать размер контактного отпечатка по формуле (1.5). Рис. 5. Структурная схема свободной струи Таким образом, площадь контакта струи с поверхностью рассчитывается по формуле: 2 ( 𝑑0 2𝑡𝑔𝛽+ 𝑆) 2 𝑠𝑖𝑛𝛾∙𝑡𝑔𝛽[ 1 𝐹отп = 𝜋 𝑡𝑔(𝛾−𝛽) − 1 𝑡𝑔(𝛾+𝛽)], (5) где: 𝑑0 − диаметр сопла, мм; 𝑆− расстояние от сопла до поверхности детали, мм; 2𝑡𝑔𝛽− угол расширения потока; γ – угол наклона сопла. Проведенное исследование не учитывает форму поверхности, скорость движения сопла, диаметр дроби, изменение скорости и направление движения дроби при взаимодействии с обрабатываемой поверхностью. После дробеструйной обработки титановый сплав ВТ22 сохраняет пластичность и прочность при достаточно высоких температурах 400 – 550 °C, при ПДУ деталей из титановых сплавов температура процесса не превосходит 100 – 110 °С, поэтому температура не может оказать существенное влияние на формирование остаточных напряжений. На формирование остаточных напряжений оказывают влияние пластические деформации, которые зависят от режимов обработки. Установлено, что величина и глубина распространения остаточных напряжений зависят от физико-механических свойств титанового сплава, площади контакта, скорости дроби, диаметра дроби и других факторов. При разработке технологии ПДУ важно знать глубину наклепанного слоя ℎн и степень поверхностной деформации ψ [4]. Отрасль применения полученных результатов. В настоящее время появилось значительное количество исследований с целью определения глубины пластически деформированного слоя при упрочнении поверхностного слоя дробью. Исследование влияния режимов упрочнения на качество поверхности крупногабаритных деталей проводилось на опытных образцах, что снижает, в какой-то степени, достоверность проводимых исследований и не дает реального обоснования выбора режимов упрочнения. Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 132 Mashinasozlik va energetika На поверхностях деталей в результате ПДУ образуются микронеровности, которые в известной степени являются концентраторами напряжений, при этом расчеты показывают, что коэффициент концентрации напряжений колеблется от 2,0 до 3,5 и зависит от режимов упрочнения и диаметра дроби. Большое значение приобретают вопросы теоретического определения параметров шероховатости поверхностного слоя. На рис. 6 показано взаимодействие единичной дроби с обрабатываемой поверхностью. Рис. 6. Схема деформации микрорельефа поверхности обрабатываемого материала в зоне контакта с рабочей средой (дробью) На основании проведенных исследований можно сделать выводы о глубине проникновения дроби: 1. При увеличении динамического давления размеры отпечатка увеличиваются. 2. При увеличении диаметра и массы дроби размеры отпечатка увеличиваются. 3. При увеличении предела текучести материала детали размеры отпечатка уменьшаются. 4. На размеры отпечатка также оказывает влияние плотность пульпы, которая в свою очередь зависит от концентрации в ней дроби. При увеличении концентрации дроби скорость дроби снижается, что приводит к уменьшению размеров отпечатков. 5. Размеры пластического отпечатка, а следовательно, эффективность обработки при использовании ПДУ зависит от динамического состояния массива технологической дроби, действующей на обрабатываемую поверхность. На шероховатость поверхности после ПДУ оказывает влияние шероховатость, полученная на предыдущей технологической операции. Исследованиями установлено, что под ударом дроби вершины микронеровностей сминаются, при этом происходит образование новой микронеровности, особенно на чистовых операциях. Очень важно, чтобы параметры шероховатости до и после обработки совпадали. Этого можно достичь регулированием режимов обработки и диаметра дроби (рис. 7) [5]. Рис. 7. Схема деформирования поверхности после ПДУ “Fan va texnologiyalar taraqqiyoti” Ilmiy-texnikaviy jurnal №2/2026 133 Mechanical engineering and energy Управляя режимами ПДУ, можно повысить эффективность процесса при соблюдении требуемых технических условий по качеству поверхности. Нахождение рациональных режимов ПДУ позволяет установить количественные связи между технологическими факторами и шероховатостью поверхности [5]. Особенности формирования микронеровностей при обработке ПДУ следующие: • равномерность шероховатости в продольном и поперечном направлениях; • увеличение радиуса закругления во впадинах микронеровностей и снижения коэффициента концентрации напряжений на дне обработанных рисок; • связь между скоростью движения сопла, диаметром дроби и средним шагом микронеровностей при ПДУ. Выводы. Таким образом, на поверхности деталей из титановых сплавов при ПДУ наблюдается наличие концентраторов напряжений, образование высоких как растягивающих, так и сжимающих остаточных напряжений, недопустимых пластических деформаций. Кроме того, данные детали крупногабаритные, имеют сложную пространственную форму, поэтому основным процессом упрочнения является пневмодробеструйная обработка. В качестве ключевых параметров при описании процесса ПДУ используются такие параметры, как материал и его твердость, размер единичной дроби, скорость дроби и др. Опираясь на то, что финишное дробеструйное упрочнение является ответственной операцией, полезно иметь возможность анализировать имитационную модель процесса ПДУ по нескольким причинам: ▪ уметь прогнозировать состояние материала после упрочнения без проведения крупномасштабных физических испытаний; ▪ уметь разрабатывать процессы обработки, упрочнения и декорирования, которые позволят достичь желаемого уровня остаточных напряжений; ▪ изучить последствия ПДУ материала, к которому предъявляются особые технические ограничения по качеству поверхностного слоя. Выбор режимов ПДУ предусматривает построение имитационных моделей процесса взаимодействия дроби с обрабатываемой поверхностью. Процесс движения потока дроби в скоростной воздушной струе и их динамическое воздействие на обрабатываемую поверхность необходимо имитировать в параметрическом виде с помощью программ, основанных на использовании метода конечных элементов. Данный метод даёт возможность рассмотреть подробную хронологию напряжений во время воздействия удара, развитие полей пластической деформации в обрабатываемом материале и, следовательно, оценку поля остаточных напряжений, созданного единичным взаимодействием. Литература. 1. Бабичев, А. П. Вибрационная обработка деталей /– М.: Машиностроение, 1974. – 134 с. 2. Балтер, М. А. Упрочнение деталей машин / – М.: Машиностроение, 1978. – 181 с. 3. Браславский, В. М. Деформационное упрочнение деталей машин / В. М. Браславский, А. А. Бараз // Вестник машиностроения. – 1983. – №7. – С. 61 – 63. 4. Бубнов, В. А. Титан и его сплавы в машиностроении / В. А. Бубнов, А. Н. Князев // Вестник Курганского государственного университета. – 2016. – №3 (42). – С. 16 – 22. 5. Джураев, А. Д. Анализ напряженно–деформированного состояния поверхностного слоя при дробеструйном упрочнении деталей машин / А. Д. Джураев, И. Г. Шин. // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2009. – № 10. – С. 3 – 7. Бафоев Дусмурод Холмуродович – Бухарский государственный технический университет, старший преподаватель кафедры “Инженерия транспортных средств”. Тел.:(+99890)745-10-40. Email: bafayev07111967@mail.ru Development of science and technology Scientific and technical journal №2/2026 134