CC BY
28
УДК 62.-233.1: 621.7.075
В. А. Богуслаев, Е. В. Вишнепольский, Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон
ПОВЫШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ТОНКОСТЕННЫХ ВАЛОВ
В статье рассмотрено влияние алмазного выглаживания поверхности сопряжения отверстия с поверхностью вала на сопротивление усталости тонкостенных валов. Приведены результаты испытаний на усталость, измерения шероховатости и микротвердости образцов из стали ЭП 609.
Тонкостенные валы авиационных газотурбинных двигателей при работе испытывают одновременное воздействие переменных напряжений растяжения, изгиба, кручения, поэтому исследования, направленные на повышение сопротивления усталости валов являются актуальными.
Следует отметить, что большинство валов ГТД изготавливаются из высоколегированных сплавов, чувствительных к концентрации напряжений, являются, в основном, тонкостенными и имеют большое количество отверстий и выточек [1].
Трещины вследствие действия циклических нагрузок могут возникать в местах концентрации напряжений [2]. Для снижения влияния конструктивных концентраторов напряжений на сопротивления усталости применяют упрочняющую обработку, методы которой приведены в таблице 1.
Применение УЗУ для повышения сопротивления усталости тонкостенных валов затруднительно в связи со значительной длиной (более 2 м) валов и необходимостью воздействия ультразвуковых колебаний на небольшие участки поверхности. Обкатка роликом тонкостенной детали может вызвать ее деформацию. Учитывая изложенное, было решено на валах применить алмазное выглаживание.
Физическая сущность метода заключается в
пластическом деформировании поверхностного слоя детали индентором, рабочим элементом которого является алмаз сферической формы. Обработку производили с применением индустриального масла И-20.*
Оценку эффективности повышения сопротивления усталости вала можно проводить по косвенным параметрам: микроструктура, глубина наклепа, параметры шероховатости, микротвердость, и непосредственно - путем определения предела выносливости на образцах.
В качестве базовой детали для исследований выбран вал вентилятора двигателя Д436Т1 (рис. 1). На валу имеются галтели [ = 1......10 мм и отверстия [ = 4......10 мм.
Для определения параметров оптимального режима обработки исследовано влияние следующих параметров: сила выглаживания, частота вращения образца, подача индентора. Известно, что основное влияние на свойства поверхностного слоя оказывает сила выглаживания [2]. Исследование проводили на образцах (рис. 2), обработанных по режимам, приведенным в табл. 2). При выборе режима, прежде всего ориентировались на достижение полного сглаживания исходных неровностей и образования шероховатости, обусловленной самим
Таблица 1 - Методы упрочняющей обработки
Метод упрочняющей обработки Параметры поверхностного слоя Назначение метода
Параметр шероховатости Ка, мкм Глубина /Н, мм Степень наклепа нм„„ - нмисх и н - тах исх 100% Н НМисх
Ультразвуковое упрочнение (УЗУ) 1,25...0,32 0,05.0,3 10.40 Для обработки деталей небольших размеров, и любой конфигурации.
Алмазное выглаживание 1,25...0,32 0,01.0,3 10.60 Для обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей.
Обкатка роликом 1,25.0,32 0,1.0,5 20.50 Для обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей.
* Данная работа является дальнейшим развитием идей, предложенных доктором технических наук, профессором В. К~Яценко
© В. А. Богуслаев, Е. В. Вишнепольский, Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон, 2007
Рис. 1. Вал вентилятора двигателя Д436Т1 из стали ЭП609
процессом выглаживания - величинои подачи и пластических деформаций. При приложении чрезмерной силы происходит разрушение поверхностного слоя, что проявляется в ухудшении шероховатости поверхности. Подача - второй по значению параметр процесса, влияющий на высоту микронеровностей. При завышенной подаче происходит резкое увеличение высоты микронеровностей, что объясняется уменьшением степени пластической деформации вследствие недостаточного перекрытия канавок от выглаживателя [3].
Рис. 2. Эскиз образца для исследования параметров алмазного выглаживания
Определение параметров шероховатости производили с помощью профилографа «Ре|Июте1ег М3», измерение микротвердости производили, с помощью прибора ПМТ - 3 при нагрузке на алмазную пирамиду Р = 1 Н. Величину микротвердости определяли как среднеарифметическое значение по десяти отпечаткам индентора в различных точках образца. Параметры поверхностного слоя образцов, упрочненных алмазным выглаживанием, приведены в таблице 3.
Алмазное выглаживание по режиму Р = 100 Н, п = 200 об/мин, Э = 0,07мм/об, привело к образованию наклепанного слоя глубиной 10 мкм. Увеличение усилия до 200 и 400 Н приводит к увеличению глубины наклепа Ь н соответственно до 25 мкм и 36 мкм. Наибольшая глубина слоя « 40 мкм отмечена при выглаживании по режиму Р = 400 Н, п = 400 об/мин, э = 0,07мм/об.
Микроструктуру поверхностного слоя изучали на образцах (рис. 2). Травление осуществляли в 4 % растворе ИЫ03 в спирте.
Характер микроструктуры (рис. 3, б-д) следующий: наблюдаются изогнутые линии, так называемые линии скольжения, идущие в одном направлении под некоторым углом к поверхности, что связано с перпендикулярным направлением вектора силы выглаживания относительно обрабатываемой поверхности в точке касания.
Таблица 2 - Режимы алмазного выглаживания
№ режима обработки Сила выглаживания Р, Н Частота вращения образца п, об/мин Подача индентора мм/об
1 Обработка по заводской технологии шлифованием
2 100 200 0,07
3 200 80 0,07
4 200 200 0,07
5 200 200 0,12
6 200 315 0,07
7 200 400 0,07
8 300 200 0,07
9 400 80 0,07
10 400 200 0,07
11 400 315 0,07
12 400 400 0,07
Таблица 3 - Параметры поверхностного слоя образцов, упрочненных алмазным выглаживанием
№ режима обработки Параметр шероховатости Ка,мкм Микротвердость кг/мм2 Глубина наклепа кн, мкм Фотографии микроструктуры
1 0,8 380 Не измеряли Рис. 3, а
2 0,59 395 10 Рис. 3, б
3 0,40 453 Не измеряли -
4 0,30 446 25 Рис. 3, в
5 0,49 418 Не измеряли -
6 0,38 448 Не измеряли -
7 0,32 430 Не измеряли -
8 0,25 435 Не измеряли -
9 0,70 435 Не измеряли -
10 0,35 492 35 Рис. 3, г
11 0,41 530 Не измеряли
12 0,30 502 40 Рис. 3, д
Рис. 3. Микроструктура поверхностного слоя образцов х800:
а - после шлифования; б - после алмазного выглаживания по режиму (Р = 100 Н, п = 200 об/мин, б = 0,07мм/об); в - (Р = 200 Н, п = 200 об/мин, б = 0,07мм/об); г - (Р = 400 Н, п = 200 об/мин, б = 0,07мм/об); д - (Р = 400 Н, п = 400 об/мин, б = 0,07мм/об)
Наименьшая шероховатость На = 0,25мкм, достигнута на образце, обработанном по режиму №8. Наибольшая микротвердость 5300 МПа, достигнута при обработке по режиму №10.
Для оценки влияния упрочняющей обработки на сопротивление усталости был разработан образец, моделирующий концентратор напряжений на валу.
Концентрация напряжений связана с появлением линии пересечения двух цилиндрических поверхностей (острой кромки) [4]. Для уменьшения концентрации напряжений по заводской технологии выполняют фаску 0,6x45°, а при алмазном выглаживании - поверхность вращения с образующей г = 1,5 мм (рис. 4).
Для выполнения операции выглаживания разработано специальное устройство (рис. 5).
Конструкция образца спроектирована с учетом следующих требований:
- зона действия максимальных напряжений в образце находится на поверхности сопряжения
отверстия с плоскостью образца.
- величины коэффициентов концентрации напряжений поверхности сопряжения отверстия с поверхностью образца и поверхности сопряжения отверстия с поверхностью вала соизмеримы;
- частота первой изгибной формы колебаний образцов 1000 Гц;
- экономия материала.
С целью определения напряженно-деформированного состояния образца был выполнен прочностной анализ методом конечных элементов в программном продукте ЛЫБУБ Workbanch 10.
Было исследовано несколько вариантов геометрической реализации. По результатам модального анализа была выбрана модель, в которой максимум напряжений находился в зоне концентратора и минимум на 15 % превышал напряжения в других точках образца (рис. 6). Эскиз образца представлен на рис. 7.
б
Рис. 4. Формы сопряжения цилиндрических поверхностей: а - острая кромка; б - фаска - слесарная обработка; в - поверхность сопряжения - алмазное выглаживание
в
Рис. 5. Внешний вид устройства для алмазного выглаживания поверхности сопряжения отверстия с плоскостью
образца:
1 - узел обкатки радиуса; 2 - быстросменная оправка; 3 - образец
3
1
2
Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений при колебаниях образца
Рис. 7. Эскиз образца для усталостных испытаний
Применение для обработки поверхности сопряжения отверстия с поверхностью образца индентора R = 0,5 мм, приводит к увеличению удельного контактного давления в точке контакта индентора с поверхностью обработки, и как следствие, необходимо проводить обработку со значительно меньшими усилиями, чем для цилиндрических образцов. Параметры обработки образцов приведены в таблице 4.
Испытания на усталость проводили по методу ступенчато увеличивающейся нагрузки [5], что позволяет получить значение условного предела
выносливости. База испытаний N0 = 3 х 10б циклов,
амплитуда напряжения для первого уровня нагру-жения стн = 340 МПа , ступень нагружения Act = 20МПа .
Измерение микротвердости плоских образцов (рис. 4, в) производили микротвердомером «МЮК0МЕТ-2004» фирмы «BUEHLER» (USA) при нагрузке 0,01 кг и времени выдержки 10 секунд. В качестве индентора использована алмазная четырехгранная пирамида с квадратным основанием и углом при вершине 136°.
Данные, полученные при исследованиях, приведены в таблице 4.
- 14Ц-
Таблица 4 - Параметры образцов и результаты исследований
№ партии Геометрия кромки Параметры обработки Результаты исследований
Частота вращения индентора , об/мин Количество проходов Подача S, мм/об Усилие выглаживания, Н Параметр шероховатости мкм ь т о о д 5р ° й 2 ^ о 5 2 и S Условный предел выносливости, МПа
Ra, мкм Rmax, мкм
1 Фаска 0,6Ч450 Обработка кромки образца по технологии - вручную поли) заводской эованием. 0,71 5,24 2600 370
2 R = 1,5мм 150 1 0,07 50 0,28 1,69 2695 470
3 R = 1,5мм 2 0,07 50 0,25 1,52 3750 500
60
4 R = 1,5мм 1 0,07 60 0,24 1,7 2725 485
Применение алмазного выглаживания для упрочнения поверхности сопряжения отверстия с поверхностью образца позволило повысить условный предел выносливости с 370 МПа для исходного образца обработанного по заводской технологии, до 500 МПа, для образца, который был упрочнен по режиму: Б = 0,07 мм/об, первый проход Р = 50 Н, второй проход Р = 60 Н. При этом: шероховатость поверхности сопряжения отверстия с плоскостью образца Ка 0,25мкм, микротвердость НУ0 01 = 3750 МПа. ,
Перечень ссылок
1. В.К. Яценко, Г.З. Зайцев, В.Ф. Притченко и др.
Повышение несущей способности деталей
машин алмазным выглаживанием - М.: Машиностроение, 1985. - 232 с.
2. В.А. Богуслаев, В.К. Яценко, В.Ф. Притченко Технологическое обеспечение и прогнозирование несущей способности деталей ГТД. - М.: Машиностроение, 1993. - 338 с.
3. В. М. Торбило Алмазное выглаживание - М.: Машиностроение, 1972. - 106 с.
4. Дж. Коллинз Повреждение материалов в конструкциях: Пер. с англ. - М. Мир, 1984. - 624 с.
5. Л .М. Школьник Методика усталостных испытаний - М.: Металлургия,1978. - 305 с.
Поступила в редакцию 25.06.2007
У cmammi розглянуто вплив алмазного вигладжування поверхн1 сполучення отвору з поверхнею валу на опр втомi тонкостiнних валiв. Приведенiрезультати випробувань на втому, вимiрювання шорсткостi i мiкротвердостi зразкв iз стал i ЕП 609.
The influence of diamond burnishing of surfaces of hole interface with a shaft surface on fatigue strength of thin-walled shafts is analysed in the article. There are presented results of tests for weariness, as well as measurements of roughness and microhardness of samples from steel ЭП 609.
