CC BY
27
УДК 621.73.073:62-294.2
С.Н. Эйгенсон, Н.В. Корихин, А.И. Головин
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ЕГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
S.N. Eigenson, N.V. Korikhin, A.I. Golovin
THE SOLUTION OF THE PROBLEM OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT STRENGTH ON THE BASIS OF EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF ITS STRESSED STATE
Исследовано напряженное состояние нижней половины штампа окончательного перехода для штамповки турбинной лопатки. Экспериментальное исследование объемного напряженного состояния осуществлялось методом фотоупругости c использованием способа составных моделей. При моделировании процесса штамповки получено распределение напряжений в характерных сечениях штампа. Результаты исследования позволили оптимизировать размеры штам-повых вставок и определить основные направления повышения стойкости штамповой оснастки.
ШТАМП. ШТАМПОВАЯ ОСНАСТКА. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ. МЕТОД ФОТОУПРУГОСТИ. СОСТАВНЫЕ МОДЕЛИ.
Stressed state of stamp's lower part of final crossing/transfer for turbine blade pressure forming was investigated. Experimental investigation of volume stressed state was carried out by photoelasticity method with usage of composite model method. When pressure forming process was modeled distribution of stresses in characteristic cross-sections of stamp was got. The results of investigation allowed to optimize the sizes of stamp insertions and to determine the main ways of stamp equipment resistance increasing. STAMP. DIE TOOLING. STRESSED STATE. PHOTOELASTICITY METHOD. COMPOSITE MODELS.
Для решения важной технологической задачи повышения качества и точности штампованных заготовок турбинных лопаток необходима стойкая к износу штамповая оснастка.
Обоснованные рекомендации по повышению износостойкости штамповой оснастки базируются на знании объемного напряженно-деформированного состояния (НДС) штампа. Эффективным методом изучения НДС штампа является метод фотоупругости [1], один из наиболее эффективных экспериментальных методов изучения напряженного состояния сложных деталей с учетом концентрации напряжений в них. В его основе лежит явление двойного лучепреломления под нагрузкой в некоторых прозрачных оптически чувствительных материалах — отвержденных эпоксидных компаундах.
Параметры двулучепреломления зависят от напряженного состояния модели, их можно измерять при просвечивании модели в поляризованном свете.
Методика исследования
Для экспериментального исследования объемного напряженного состояния штампа использовался метод составных моделей [2]. Свинцовую заготовку лопатки деформировали двумя прозрачными пластмассовыми штампами в поле поляриметра. Нижний штамп (см. рис. 1) изготавливали из специального оптически неактивного оргстекла, а в исследуемые сечения перпендикулярно контактной поверхности вклеивали тонкую пластинку из оптически чувствительного материала — эпоксидной смолы
Рис.1. Экспериментальный нижний штамп 1 из оптически неактивного оргстекла с оптически активной вклейкой 2 и заготовкой лопатки 3; а — вклейка в продольном направлении; б — вклейка в поперечном направлении; в — схема расположения сечений, для которых приведены графики напряжений
ЭД-16М. Пластины вклеивались вдоль оси заготовки и перпендикулярно ей. Модель верхнего штампа, в котором не определяли напряжения, изготавливали из обычного оргстекла. Объектом исследования был штамп для получения заготовки турбинной лопатки длиной 350 мм и сечением хвостовой части 91,5x55,5 мм. Модели были выполнены в масштабе 1:4. Исследовали нижнюю половину штампа окончательного перехода для штамповки заготовки турбинной лопатки на прессе КГШП усилием 6300 тс. Материал штампа — сталь 4Х5В2ФС (ЭИ 958).
При изготовлении моделей гравюра штампа вырезалась в склеенном блоке (нижний штамп) и в монолитном блоке (верхний штамп) на ко-пировально-фрезерном станке с последующей ручной доводкой по металлическим шаблонам. Свинцовая модель лопатки изготавливалась вручную. Статическая нагрузка на модель создавалась ручным винтовым прессом. Оптическую картину в процессе формоизменения свинцовой заготовки наблюдали в полярископе. В момент, когда по картине полос (изохромы) в модели имели место наибольшие напряжения, останавливали нагружение и измеряли оптические параметры. В этот момент заканчивалась пластическая деформация заготовки — она принимала нужную форму. Таким образом, моделировался процесс штамповки турбинной лопатки.
Для оптических измерений использовали полярископ ППУ-7 и координатно-синхронный поляриметр КСП-7. На приборе ППУ-7 с параллельным пучком света диаметром 110 мм наблюдали и фотографировали картины изохром (в белом свете) и полос (в монохроматическом свете). Измеряли разность хода 5, определяли положение изохром первых порядков и направление увеличения порядка. Основные измерения осуществляли по точкам плоской вклеенной пластины прибором КСП-7: методом компенсации Сенармона определяли оптическую разность хода 5,
5 = Са х (О! -о2), (1)
и угол ф наклона алгебраически большего главного напряжения к плоскости поляризации.
Здесь 5 — оптическая разность хода, Са — оптический коэффициент напряжений, X—толщина вклеенной пластины (у нас X = 3—4 мм), ^ — ст2) — разность главных напряжений.
Непосредственно по данным измерений находили касательное напряжение в любой точке плоской пластины:
Т„ =-8т2ф. (2)
ху 2СОХ ^
Коэффициент С0, являющийся показателем оптической чувствительности материала, на-
ходили по результатам испытания эталонного образца — трехслойного диска, сжатого по диаметру двумя силами.
На плоских упругих моделях у свободных границ одно из главных напряжений равно нулю. Поэтому в соответствии с формулой (1) по данным измерений получали величину контурного напряжения. Для разделения главных напряжений использовали способ разности касательных напряжений [2, 3].
По данным оптических измерений получили компоненты напряженного состояния моделей. На натуру пересчитали по формуле
он = а„
т„
т.
(3)
рн/
где тр = ур
1н
— масштаб нагрузки; т; = нА —
/ м / м
геометрический масштаб моделирования; индексом «н» обозначены величины, относящиеся к натуре, индексом «м» — к модели.
Нагрузку на штамп рассчитали по методике, изложенной в работе [4], получили Рн=40-103 кН. Нагрузку на модель измеряли эталонным динамометром в процессе нагружения модели и получили Рм = 25 кН. Можно уточнить данные эксперимента, если определить Рн на натурном прессе методом электротензометрии.
Результаты исследования
Результаты исследования представлены в виде приведенных на рис. 2—4 графиков распределения напряжений в некоторых характер-
ных сечениях штампа и по контакту с заготовкой. Обобщить эти результаты можно следующим образом:
В штампе имеет место сложный характер распределения напряжений. В большей части штампа нормальные напряжения — сжимающие. Наиболее нагруженной является поверхность штампа в средней части пера лопатки. В области хвостовика напряжения незначительны, у края пера они меняют знак — становятся растягивающими. По высоте от гравюры к основанию штампа нормальное напряжение сту убывает незначительно, а касательное Тху практически постоянно, стх в некоторых сечениях растягивающее.
Напряжения в штампе достигают значительных величин. Нормальные напряжения — сту = = -2800 МПа, стх = -2000 МПа — на поверхности контакта штампа с заготовкой; касательные напряжения Тху = 400 МПа. Растягивающие напряжения в районе технологических припусков: оу = 400 МПа, стх = 600 МПа. Наибольшие контактные напряжения примерно в 3,5 раза превышают предел текучести инструментальной стали (ст02 = 825 МПа при I = 500 °С). Отсутствие пластической деформации можно объяснить тем, что в этой области материал находится в условиях всестороннего сжатия.
Наличие растягивающих нормальных напряжений в зоне конца пера лопатки неблагоприятно сказывается на прочности штампа, так как в этих местах велика вероятность появления усталостных трещин и хрупкого разрушения.
ог МПа
400
0
400 800 1200 1600 2000 2400
40 120 200 280 360 440 520 600
ау, МПа
800 400
0
400 800 1200
Тху, МПа
400 0
400
д
ж
щк
Т Лт Л -л 1Гп1т1
4
80 160 240 320 400 480 560 640 Рис. 2. Распределение напряжений в сечении О-О продольной вклейки (см. рис. 1)
х, мм
х, мм
а) оу, МПа -400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400 -2800
оу, МПа
y, мм
-80-40 0 40 80
y, мм
б) оу, МПа
-400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400 -2800
оу, МПа
в)
y, мм
-80 -40 0 40 80
y, мм
оу, МПа 400
0
-400
-80-40 0 40 80
y, мм
оу, МПа
400
0
ИВ
y, мм
-80-40 0 40 80
i™, МПа
400
0
y, мм
80 -40 0 40 80
-80 -40 0 40 80
80 -40 0 40 80
т„ МПа
т„ МПа
y, мм
-80 -40 0 40 80
I ПТП N. jj
y, мм
80 -40 0 40 80
Рис. З.Распределение напряжений по высоте штампа: а — в сечении А-А; б — в сечении Б-Б; в — в сечении В-В (см. рис. 1)
о МПа 40 120 200 280 360 440 520
400 0
-400 -800 -1200 -1600 -2000 -2400 -2800
Рис. 4. Распределение напряжений по линии контакта штампа и заготовки
x, мм
В хвостовике лопатки, где в гравюре штампа имеются острые углы, концентрации напряжений не наблюдается. Очевидно, что для получения более равномерного распределения напряжений в штампе необходимо стремиться к равномерному по длине формоизменению заготовки лопатки.
Результаты исследования совместно с данными по температурному режиму работы
штампов, полученными в производственных условиях, позволили оптимизировать размеры штамповых вставок и определить основные направления повышения стойкости штампо-вой оснастки: применение новых штамповых сталей (4Х4ВМФС и др.) и электродов для наплавки рабочей поверхности инструмента, осуществление химико-термической обработки штампов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кошеленко, А.С. Теоретические основы и практика фотомеханики в машиностроении [Текст] / А.С. Кошеленко, Г.Г. Поздняк.— М.: Издательский дом «Граница», 2004.— 296с.
2. Напряжения и деформация в деталях и узлах машин [Текст] / Под ред. Н.Н. Пригоровского.— М.: Машгиз, 1961.— 563 с.
3. Александров, А.Я. Поляризационно-оптиче-ские методы механики деформируемого тела [Текст] / А.Я. Александров, М.Х. Ахметзянов.— М.: Наука, 1973.— 576 с.
4. Сторожев, М.В. Теория обработки металлов давлением [Текст] / М.В. Сторожев, Е.А. Попов.— М.: Машиностроение, 1971.— 422 с.
REFERENCES
1. Koshelenko A.S., Pozdniak G.G. Teoreticheskie os-novy i praktika fotomekhaniki v mashinostroenii [Tekst] .— M.: Izdatel'skii dom «Granitsa», 2004.— 296 s. (rus.)
2. Napriazheniia i deformatsiia v detaliakh i uzlakh mashin [Tekst] / Pod red. N.N. Prigorovskogo.— M.: Mashgiz, 1961.— 563 s. (rus.)
3. Aleksandrov A.Ya., Akhmetzianov M.Kh. Poliarizat-sionno-opticheskie metody mekhaniki deformiruemogo tela [Tekst].— M.: Nauka, 1973.— 576 s. (rus.)
4. Storozhev M.V., Popov E.A. Teoriya obrabotki me-tallov davleniem [Tekst].— M.: Mashinostroenie, 1971.— 422 s. (rus.)
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
ЭЙГЕНСОН Сергей Николаевич — кандидат технических наук доцент кафедры сопротивления материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
КОРИХИН Николай Васильевич — кандидат технических наук доцент кафедры сопротивления материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
ГОЛОВИН Александр Иванович — кандидат технических наук доцент кафедры сопротивления материалов Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; 195251, ул. Политехническая, 29, Санкт-Петербург, Россия; e-mail: [email protected]
AUTHORS
EIGENSON Sergei N. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
KORIKHIN Nikolai V. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
GOLOVIN Aleksandr I. — St. Petersburg State Polytechnical University; 195251, Politekhnicheskaya Str. 29, St. Petersburg, Russia; e-mail: [email protected]
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
