CC BY
30
УДК 621.9.62:621.81-192
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ И МАЛОЖЁСТКИХ ДЕТАЛЕЙ ГТД НА ОСНОВЕ ДОПУСКАЕМЫХ ДЕФОРМАЦИЙ
© 2009 С. А. Букатый1, А. С. Букатый2
Рыбинская государственная авиационная технологическая академия 2Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск
На основе анализа остаточного напряжённого состояния детали и использования понятия начальных напряжений разработан энергетический метод определения рациональных режимов упрочнения, обеспечивающий повышение сопротивление усталости и геометрической точности детали в пределах технологического допуска. Показана реализация метода на примере упрочнения микрошариками.
Поверхностное упрочнение, остаточные напряжения, технологические остаточные деформации, энергия поверхностного слоя, допускаемые деформации, номограмма
В настоящее вpемя широко используется уточнение деталей машин поверхностным пластическим дефоpмиpованием (ППД). Однако, наpяду с улучшением повеpхности и повышением сопротивления усталости, возникающие после ППД остаточные наряжения (ОН) приводят к нежелательным, а в pяде случаев к недопустимым изменениям размеров и формы - технологическим остаточным деформациям (ТОД) деталей. Проблема обеспечения геометрической точности особенно важна в энергетическом и авиационном
машиностроении, где преобладают тонкостенные и маложёсткие детали.
В основе решения задачи назначения рациональных режимов упрочнения лежит создание в поверхностном слое детали такого распределения ОН, при котором деталь будет обладать необходимым или максимально-возможным пределом выносливости при условии, что технологические остаточные деформации (ТОД) не превысят технологические допуски. Для решения данной задачи необходимо:
- установить связь предела выносливости материала с основными параметрами режимов упрочнения и величиной ОН, образующихся при упрочнении;
- разработать рабочие методики прогнозирования ТОД и анализа связи ТОД с величиной и расположением зон упрочнения.
Указанные расчетные методики могут быть разработаны на основе аналитических [1] и конечно-элементных - численных методов [2]. В данной работе рассмотрены оба
подхода к прогнозированию ТОД.
Для реализации указанных этапов необходимо предварительное проведение экспериментальных исследований связи параметров режима упрочнения с величиной и глубиной залегания ОН и пределом выносливости, которые определяют на образцах или опытных деталях. Для широко используемого в настоящее время дробеструйного способа упрочнения микрошариками к таким основным параметрам относятся: давление энергоносителя (воздуха или жидкости) р, диаметр шариков ёш, время упрочнения т, концентрация микрошариков Кш, скорость движения сопла ¥с, расстояние от сопла до упрочняемой поверхности к, скорость вращения рабочего стола юс. Обычно управляемым параметром является давление воздуха или рабочей жидкости р. Остальные параметры регламентированы исходя из конструкции установок, либо являются взаимозависимыми и обусловлены размерами и геометрией упрочняемых деталей.
Из закона сохранения энергии следует, что энергия упругой деформации деталей ид (т.е. энергия ТОД) связана с энергией иа поверхностного слоя а, пластически деформированного в процессе упрочняющей обработки. Следовательно
ид =Аиа = /(иа ).
Очевидно, что энергия иа обусловлена необратимыми изменениями линейных размеров в материале (пластические деформации, структурно-фазовые превращения и др.), называемыми первоначальными деформациями (ПД) [3]. Однако, в силу отсутствия
достаточно точных методов определения ПД, на практике для определения Vа удобнее пользоваться понятием условных начальных напряжений [4]. При этом, как показано в работе [1], для расчета ТОД можно использовать размеры детали без уменьшения их на величину слоя а. Такой подход становится особенно удобным и эффективным при расчёте ТОД методом КЭ с применением специализированных пакетов А№У8,
КОСМОС и др.
В настоящее время известны два способа определения НН на основе ОН: путем численного решения интегрального уравнения [5] и методом последовательных приближений [1]. На наш взгляд предпочтительнее метод последовательных приближений, позволяющий использовать ОН, получаемые из эксперимента. Расчеты показывают, что количество необходимых приближений существенно зависит от отношения а/к. Если величина а/к < 0,05, то с точностью до 3 -5 % различием между ОН и НН можно пренебречь. В таких случаях для расчета ТОД можно использовать ОН.
Обычно ОН определяют методом послойного стравливания поверхностного слоя на образцах прямоугольной формы (рис. 1). Толщину образцов к выбирают близкой к толщине упрочняемых деталей кд, если величина а/ кд< 0,1 , но не менее 2,5 - 3мм.
Рис. 1. Ориентация системы координат и направления остаточных напряжений
Принято считать, что дробеударные способы упрочнения создают в направлениях X и У одинаковое пластическое деформирование поверхностного слоя и, следовательно, Ох = оу. Поскольку метод удаления поверхностных слоёв позволяет определять только совокупность ОН Оост = (ох - роу), то можно принять
а ост
анх =ану =~Тн- , анг =аи? = °. (1)
- 1 -т
Здесь ^ - коэффициент Пуассона материала.
В общем случае выражение для удельной энергии деформированного по -верхностного слоя имеет вид
«0 =:А;[ст2 +а2 +ст2 -ЭДа^ +а2аз +аза,)],(2)
2Е
где о1, о2, о3 - главные НН.
Учитывая, что при ППД возникают сжимающие ОН и НН, то в рамках условия (1) можно принять
п а н
а1 = 0, а 2 = а 3 =
1 -m
Тогда на основании (2) получаем следующее выражение для удельной энергии деформированного поверхностного слоя
2
и=тт^ • (3)
(1 -m) • E
В тех случаях, когда ОН ох ф оу и уп-рочняемая поверхность детали обладает существенной кривизной, то следует анализировать соответствующее начальное напряженное состояние в слое а и определять главные напряжения. При этом в большинстве практических случаев напряжениями он- можно пренебречь, т.к. их величина имеет порядок он*а/Я, где R - радиус кривизны поверхности.
Введём понятие удельной энергии поверхностного слоя а:
a I а
U0 = f и 0 *= тт^ fs н dx- (4)
о (1 m) E 0
Тогда параметры режимов упрочнения будем связывать с величиной и глубиной залегания НН через U0, от которой зависят ТОД. В этом случае становится возможным пренебречь характером распределения НН по толщине слоя а. Это существенно упрощает расчеты ТОД, т.к. фактическое распределение НН можно заменить некоторыми постоянными по толщине слоя а эквивалентными напряжениями оэ = const, величину которых найдем из соотношений
1 а 1 а
ио =------: 1^=7^—Г^М'
а2 • а
1 -m
и, соответственно, для НН
(1-m) • e 0 (1-m) • eo
Отсюда получаем
(1-m) • e
(5)
Выражение (5) удобно для расчёта ТОД стержневых и кольцевых деталей с недефор-мируемым поперечным сечением. В общем случае для деталей сложной формы требуются обе составляющие эквивалентных НН, которые обозначим оэ2. Тогда в соответствии с (1) получим
1
=
а
11
а 0
-|а н «X
(6)
--и
Таким образом, величина и0 может служить универсальным критерием для перехода от режимов упрочнения к ТОД. Особенно удобным становится применение и0 в задачах, где равномерная обработка упрочнением по всей поверхности детали вызывает недопустимые ТОД. В этом случае на эффективном режиме обрабатывают наиболее ответственные и опасные участки поверхности (например, наиболее нагруженные участки или зоны концентрации напряжений). В зависимости от возникающих при этом ТОД остальная поверхность, подлежащая упрочняющей обработке, обрабатывается на пониженном или повышенном (для исправления геометрии) относительно основного режимах. Решение принимают на основе предварительного расчётного анализа ТОД.
Рассмотрим задачу определения необходимых параметров вышеуказанных режимов на основе расчётной величины и0р. Для этого введем понятия допускаемой деформации [А]] и “единичной” деформации Ду - от “единичной” величины эквивалентных напряжений оэ1:
[А.] = Д. -А. фф,
I j J . пред . эфф 5
А 1,.= /.(° э1),
где индекс . означает соответствующий вид деформации (например, прогиб или разворот сечений лопатки, изменение диаметра валов или колец и т.п.); А. пред - соответствующая предельная деформация, обусловленная технологическими допусками; А. эфф - деформация, возникающая после упрочнения ответственных участков детали на эффективном режиме, обеспечивающем требуемый предел выносливости детали; £ - функциональная зависимость деформации А1,. от эквивалент-
(7)
ных напряжений оэ1.
Здесь для удобства анализа можно принять оэ1 = 100 или 1000 МПа, т.к. от 1 МПа ТОД очень малы.
Обозначим используемые при расчёте ТОД интегральные величины эквивалентных единичных °э1 и расчётных напряжений оэр соответственно Фэ1 и Фэр:
аа
фэ1 = |°1э1^Х = аэ1а , фэр = |°эр=°эра. (8)
0 0
Тогда на основании (5) можно записать
ф = ф
*эр *э1
[А.] 1
— или а эр = а э1
[А]
А,
(9)
ч,.
В соответствии с законом Гука деформации деталей А пропорциональны величине фэ, а величина энергии и0 пропорциональна Фэ2. Следовательно, искомую расчётную величину и0р найдем из соотношения
Цр = и 01 •
г [А]у
V Аl,J 0
где
и0,1 =
1 -т
Е
1 (а^1 )2 «X
1 -т
Е
(10)
(аэ1)2 а. (11)
По найденной величине и0р определяем соответствующую ей величину а и параметры режима упрочнения (в данном случае
это будет давление р). Необходимо отметить, что расчет деформаций Ау начинают при толщине слоя а, соответствующей основному - эффективному режиму упрочнения. Если полученная величина а, соответствующая расчётной и0р существенно отличается от исходной, то величину а уточняют и расчёт и0р повторяют.
Для определения оптимальной величины давления энергоносителя (воздуха или рабочей жидкости) были проведены экспериментальные исследования на опытных образцах из материала ЭИ 698-ВД. Упрочнение образцов стеклянными и стальными микрошариками осуществлялось на двух установках - гидродробеструйной и пневмодробест-руйной соответственно. Предварительно по кривым насыщения прогибов контрольных пластинок было найдено оптимальное время обработки (упрочнения) единицы поверхности детали топт. На каждом режиме было упрочнено по 4 образца для определе-
ния ОН и по 3 образца для сравнительных усталостных испытаний. Определение ОН осуществлялось способом электролитического травления на установке АСБ - 1. На основе эпюр ОН для каждого упрочненного были рассчитаны эпюра распределения начальных напряжений он, эквивалентные начальные напряжение оэ, толщина поверхностного слоя а и его удельная энергия и0. Поскольку данные испытания носят оценоч-
Рис. 2. Номограмма для определения давления рабочего энергоносителя
1, и1, а1 — зависимости а-1, и0 и а для стеклянных
микрошариков;
2, и2, а2 — зависимости а-1, и0 и а для стальных
микрошариков
ный и сравнительный характер, то был выбран ускоренный метод. Режимы упрочнения и результаты исследований приведены в табл. 1. По результатам испытаний и расчетов была построена номограмма (рис. 2),
связывающая предел выносливости и основной параметр режимов упрочнения - давление энергоносителя. Данная номограмма использовалась для выбора режима упрочнения лопаток компрессора и диска турбины низкого давления ГТД.
В заключение отметим, что в соответствии с изложенным процесс назначения режимов упрочнения должен осуществляться в следующем порядке.
1. По предварительно найденной экспериментальной зависимости о^ - и0 - а - р, представленной в виде номограммы (рис. 2.), исходя из максимальной или заданной величины предела выносливости детали о^ определяют соответствующие ему величины и0 эфф, а, назначают эффективный режим уп -рочнения - рэфф , а также определяют величину эквивалентных напряжений оэфф:
1
а
эфф
Е
■и,
(1 - т)а 0 эфф 1 - т ^
2. По величине оэфф вычисляют деформации Д эфф при условии упрочнения детали по всей необходимой поверхности и сравнивают их с соответствующими технологическими допусками Д. пред. Если выполняется условие Д. эфф < Д. пред, то проводят упрочнение детали по всей расчётной по -верхности.
Таблица 1 - Параметры режимов упрочнения опытных образцов
Тип и диаметр микрошариков «ш № режима упроч- нения Давление энергоносителя р, МПа Средние величины ха рактеристик
Толщина слоя а, мм Удельная энергия слоя и<)х104, МПам Предел выносливости 0-1, МПа
Не упрочненные образцы 332,89
Стеклянные 0 250 мкм 1 0,2 0,103 2,095 395,18
2 0,3 0,122 2,736 395,37
3 0,4 0,137 3,533 411,46
Стальные 0 315 мкм 4 0,15 0,147 3,051 545,38
5 0,3 0,173 3,391 562,59
6 0,45 0,210 4,375 630,20
7 0,6 0,232 5,003 574,80
3. Если условие не выполняется, то в соответствии с (7) определяют зоны ответственных участков поверхности и соответствующую им допускаемую величину [Д.].
4. Для определения режима упрочняющей обработки оставшейся неответственной поверхности задаются “единичной” величиной аэ1 и вычисляют соответствующие Ду , и0,1 и Ц)р.
5. На основе номограммы (рис. 2) по величине и0р уточняют толщину слоя а. Если полученная величина а незначительно (в пределах 3.. .5%) отличается от исходной, то по и0р находят соответствующую величину давления рэфф. В противном случае уточняют величину а и расчёт повторяют в соответствии со схемой (13):
а-1 ® и0эфф ® {а аэфф } ® { А. эфф « А. пред } ®
} ® и0р ® рэфф }
----------- (13)
В ряде случаев возникает необходимость в устранении недопустимых деформаций, образовавшихся в процессе изготовления детали. В этом случае нужно подбирать не только режимы упрочнения, но и место расположения и размеры участков, которые следует обрабатывать. Эта задача решается аналогично по схеме (13), где в качестве [Д.] принимают величину деформаций, которые нужно устранить.
Библиографический список
1. Букатый, С.А. Прогнозирование коробления деталей ГТД после обработки поверхности на основе исследования остаточного напряжённого состояния материала [Текст]: дис. ... докт. техн. наук : 05.07.05,
01.02.06 / С. А. Букатый. - Рыбинск, 1996. -265 с.
2. Букатый, А. С. Назначение оптимальных режимов упрочнения деталей ГТД с учетом геометрии упрочняемых деталей [Текст] / А. С. Букатый // Авиация и космонавтика 2008: Тезисы седьмой междунар.
конф. Тезисы докладов - М.: МАИ, 2008. -236 с. С. 68.
3. Биргер, И. А. Остаточные напряжения [Текст] / И. А. Биргер. - М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.
4. Исаев, А. И. Выбор оптимальной толщины образца при определении остаточных напряжений в поверхностном слое [Текст] / А.И. Исаев, А.Н. Овсеенко. // Вестник машиностроения. - М.: Машиностроение, 1967. - № 8. - С. 74-76.
5. Овсеенко, А. Н. Технологические основы методов снижения остаточных деформаций и обеспечения качества обработки высоконагруженных деталей энергомашин [Текст]/А.Н.Овсеенко.-автореф....докт. техн. наук : 05.02.08; 01.02.06 / ЦНИИТМАШ. -М., 2006. - 32 с.6.
References
1. Bukatyi S.A. Prediction of the Gas turbine parts hogging after surface strengthening based on the research of the residual stress of material: thesis for a Doctor's degree: 05.07.05,
01.02.06 / S.A. Bukatyi. - P., 1996. - 265 p.
2. Bukatyi A.S. Rational regimes of the surface strengthening of the Gas turbine parts in the basis of geometry of the parts / A.S. Bukaty // 7 International Conference "Aviation and Cosmonautic - 2008": Thesis - M.: Publisher MAI-PRINT, 2008. - 236 p. P. 68.
3. Birger, I. A. Residual stress / I.A Birger // M.: Mashinostroenie, 1963. - 232 p.
4. Ovseenko A. N. Selection of the optimum thickness of the samples for the residual stress determination in the surface / A.N. Isaev, A.N. Ovseenko // Vestnik mashinostroenia. -1967. - p. 74-76.
5. Ovseenko A. N. The technological basis
of the residual deformation lowering method and quality maintenance of the processing of the high-loaded parts: thesis for a Doctor’s degree: 05.02.08; 01.02.06 / A.N. Ovseenko -
CNIITMASH. - M., 1986. - 32 p.6.
0,1
THE DETERMINATION OF THE EFFICIENT PARAMETERS OF SURFACE STRENGHTENING THE THIN-WALLED AND THE SMALL-HARD PARTS OF GAS TURBINE ENGINES BASED ON DEFORMATION TOLERANCE
© 2009 S. A. Bukaty1, A. S. Bukaty2
1Rybinsk state aviation technological academy 2”NPO ”Saturn” Corporation
The energetic method for determination of the efficient parameters of strengthening has been developed on the basis of the analysis of the residual stress of parts as well as on the initial stress conception. This method provides the increase of the endurance strength and the relationship of parts within the limits of technological tolerance. The realization of the method is described on the example of shot peening strengthening.
Surface strengthening, residual and initial stresses, technological residual deformations, the energy surface layer, parameters of strengthening, nomogram
Информация об авторах
Букатый Станислав Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры теоретической механики и сопротивления материалов Рыбинской государственной авиационной технологической академии, директор Научно-коммерческой фирмы «СБК». Тел. (4855) 213964. E-mail: bukaty sa@mail.ru. Область научных интересов: остаточные напряжения и деформации, упрочняющие технологии, малоцикловая усталость, механика разрушения.
Букатый Алексей Станиславович, инженер НПО «Сатурн», апирант кафедры Сопротивления материалов Самарского государственного аэрокосмического университета. Тел. (4855) 296-255. E-mail: bukaty@inbox.ru. Область научных интересов: остаточные напряжения и деформации, упрочняющие технологии, компьютерное моделирование и расчёты на прочность.
Bukatyi Stanislav Alekseevich, Doctor of Science, Professor of the chair of theoretical mechanic and strength of materials of Rybinsk state aviation technological academy, LTD Scientific-business firm “SBK” Director. Phone: (4855) 213-964. E-mail: bukaty sa@mail.ru. Area of research: Residual stress and strains, strengthening technologies, low-cycle fatigue, fracture mechanics.
Bukatyi Alexey Stanislavovich, engineer, ”NPO ”Saturn” Corporation, post-graduate student of the chair “Strength of materials” of Samara State Aerospace University. Phone: (4855) 296-255. E-mail: bukaty@inbox.ru. Area of research: Residual stress and strains, strengthening technologies, model engineering and strength design.
