CC BY
41
УДК 621.762
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ, ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ДИСКОВ
© 2011 г. Е.С. Овсеенко
Московский государственный технологический университет «Станкин»
Moscow State University of Technology «Stankin»
Проведен анализ процессов формирования поверхностного слоя маложестких дисков ГДТ по нескольким основным показателям. Проанализировано качество получаемого поверхностного слоя деталей малой жесткости с учетом влияния технологической наследственности.
Ключевые слова: поверхностный слой; качество; деталь; технологическая наследственность; пластическое деформирование; диски ГДТ.
In this paper processes of creation of surface layer of low rigid details of disks of gas-dynamic turbines in number of main characteristics were analyzed. The quality of derivable surface layer of low rigid details was examined, considering technological heredity.
Keywords: surface layer; quality, detail; technological heredity; plastic deformation; disks of gas-dynamic turbines.
В различных отраслях машиностроения (авиастроении, турбостроении, ракетостроении, атомном машиностроении, приборостроении и т. п.) имеется большое количество деталей малой жесткости, изготовление которыгх сопряжено со значительными трудностями из-за технологических остаточных деформаций.
Под технологическими остаточными деформациями (ТОД) понимаются изменения формы, размеров и взаимного положения поверхностей детали (заготовки) в результате изменения ее напряженного состояния в ходе технологического процесса изготовления.
Сложность управления ТОД состоит в том, что они полностью проявляются только после обработки и освобождения детали (заготовки) от внешних связей и воздействий. Эта особенность ТОД в общем случае делает невозможным их непосредственное измерение и регулирование в процессе обработки заготовки, прямое использование для этих целей адаптивных систем управления.
В общем случае обработки с заготовки вместе с припуском удаляется часть технологических наследственных остаточных напряжений (рис. 1). Кроме того, сам процесс обработки в большинстве случаев вызывает локальныш (на определенную глубину) или общие неравномерные
объемные изменения материала детали (заготовки). Эти процессы нарушают равновесие остаточных напряжений в заготовке и формируют неуравновешенные начальные напряжения, т. е. напряжения в детали (заготовке) после обработки, но до ее деформации. В упругой зоне они определяются с использованием принципа суперпозиции, т. е. как алгебраическая сумма остаточных напряжений и напряжений от внешних восстанавливающих нагрузок. После освобождения детали от внешних связей и воздействий произойдет перераспределение начальных напряжений по всей детали, они трансформируются в остаточные напряжения, а деталь примет новое равновесное напряженно-деформированное состояние.
Связь между начальными он (х), остаточными о0 (х) напряжениями и деформациями при односторонней обработке прямоугольной детали, не имеющей технологических наследственных остаточных напряжений, определяется следующими зависимостями (рис. 2):
или
E Ml + i ( с \~| I--X 1
l l 2 V /-J
Оо(х) = Он(х) -■
a1 6 х loH(x)dx + —
* о
0
a1
х JoH(x) • x • dx,
2 / \ x
2 - х
о о
V
/ \
1 - 2-
(2)
где 5 — толщина детали; I — длина детали; А/ — продольная остаточная деформация детали; / — стрела остаточного прогиба в середине детали; а1 — глубина проникновения начальных напряжений; х — текущая координата по толщине детали.
Из выражений (1), (2) и схемы на рис. 2 следует, что образование технологических остаточных напряжений и деформаций представляет собой единый взаимосвязанный процесс. В его основе лежат технологические начальные напряжения, возникающие в результате пластических, термопластических деформаций и фазо-во-структурных превращений в материале поверхностного слоя детали, а также нарушение равновесия технологических наследственных остаточных напряжений. В случае, когда технологические наследственные остаточные напряжения отсутствуют (практически), причиной технологических остаточных деформаций являются образующиеся в процессе обработки неуравновешенные начальные, а не остаточные напряжения. Остаточные напряжения являются результатом перераспределения начальных напряжений под действием вызванных ими остаточных деформаций.
Интегральными характеристиками влияния методов и режимов обработки на технологические остаточные деформации (линейные и изгиб-ные) деталей являются площадь эпюры начальных напряжений Рн и приведенный к обработанной поверхности изгибающий момент Мн:
а1 а1
Рн = |ан(х) • dx; Мн = |он(х) • х • dx.
о
о
Для процессов механической обработки и упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД) главной интегральной характеристикой является площадь эпюры начальных напряжений Рн.
Из приведенных выше выражений следует, что уровень остаточных напряжений в детали зависит от величины и характера распределения (эпюры) начальных напряжений, глубины их проникновения, а также от жесткости детали, т.е. от величины деформаций, которые возникают под действием начальных напряжений.
Учитывая влияние технологической наследственности, задачу эффективного управления остаточными деформациями в большинстве случаев невозможно решить только на основании результатов исследований и оптимизации отдельных операций. Необходимо знать основные закономерности образования остаточных деформаций по всему технологическому циклу изготовления детали, начиная с оценки состояния заготовки и заканчивая финишными операциями обработки.
При двухсторонней обработке маложестких деталей типа дисков, пластин или стержней для исключения остаточных изгибных деформаций
х
о
ö'o(x) </H(x)
Рис. 1. Принципиальная схема взаимодействия остаточных напряжений в заготовке (1), начальных напряжений от обработки (2) и формирования остаточных напряжений (6): 3 — начальные напряжения после обработки; 4, 5 — часть начальных напряжений, которые релаксируют в результате продольных(4)
и изгибных(5) деформаций
необходимо, чтобы в каждом сечении детали соблюдалось следующее условие: суммарный изгибающий момент от действия удаляемых вместе с припуском на обработку технологических наследственных остаточных напряжений и создаваемых процессом обработки дополнительных начальных напряжений с одной стороны должен быть равен аналогичному суммарному изгибающему моменту, возникающему при обработке противоположной стороны. Дополнительные начальные напряжения од (х) определяются по формуле (см. рис. 1)
од(х) = о'н(х) -а'0(х),
где о'н(х) — начальные напряжения в слое а1 детали после обработки с учетом технологических наследственных напряжений в заготовке; о'0 (х) — технологические наследственные остаточные напряжения в слое а1 заготовки; а1— толщина слоя, в который обработкой вносятся дополнительные напряжения.
При односторонней обработке для обеспечения минимальных остаточных деформаций как можно ближе должно соблюдаться условие равенства изгибающих моментов от удаляемых вместе с припуском на обработку остаточных напряжений и вносимых обработкой дополнительных начальных напряжений.
Технологические процессы изготовления маложестких деталей, как правило, включают в себя операции термообработки, виброобработки и др. для снижения уровня остаточных напряжений в заготовке и после предварительной обработки до минимально возможного, обеспечивая заданные механические свойства металла. Однако, исходя из сформулированных условий обработки с минимальными деформациями, полное снятие наследственных остаточных напряжений в заготовке и на промежуточных операциях обработки во многих случаях нецелесообразно. Оно имеет смысл, если последующая обработка не создает в поверхност-
ном слое существенных начальных напряжений (например, электрохимическая обработка).
Анализ основных закономерностей, а также технологических и конструкционных факторов, влияющих на технологические остаточные деформации маложестких деталей типа дисков, позволяют сформулировать следующие принципиальные методы их снижения:
— регулирование остаточных напряжений в заготовке с учетом начальных напряжений от последующей обработки;
— распределение припусков на обработку с учетом остаточных напряжений в заготовке и начальных напряжений от последующей обработки;
— выбор методов обработки, структуры технологического процесса и его параметров (характеристик и геометрии режущего инструмента, его состояния, режимов обработки и т. п.) с учетом остаточных напряжений в заготовке и начальных напряжений от обработки;
— корректировка технологических и конструкторских баз;
— обработка в предварительно напряженном упругом состоянии;
— правка упругопластическим изгибом или поверхностным пластическим деформированием (ППД).
На основании изложенных выше положений разработана принципиальная схема (алгоритм) проектирования технологического процесса обработки маложестких дисков с учетом влияния остаточных деформаций на точность обработки (рис. 3).
Остаточные напряжения в поверхностном слое полотна дисков лабиринтов КВД, изготовленных из никелевого сплава ХН62БМКТЮ, определялись механическим методом на измерительно-вычислительном комплексе ПОВКОН «Тензор» [2]. Для этого из полотна диска, а также с поверхности ступицы электроискровым способом вырезались образцы прямоугольного сечения в радиальном и тангенциальном направлениях (рис. 4).
°(x)oP oH(x)Ao(x) ^ o(x)
Рис. 2. Принципиальная схема образования остаточных напряжений и деформаций при односторонней обработке: он(х) — начальные напряжения; Оо(х) — остаточные напряжения; Ор — напряжения от продольной деформации под действием силы Рн; ом(х) — напряжения от изгиба под действием
момента М
Рис. 3. Принципиальная схема проектирования техпроцесса обработки маложестких дисков с учетом
технологических остаточных деформаций
Измерялись деформации образцов, возникшие в результате вырезки, и они крепились в установке.
Остаточные напряжения в образцах, а также в дисках (до вырезки из них образцов) с учетом плоского напряженного состояния определялись по расчетным зависимостям, приведенным в работе [1].
Исследования показали, что при точении наиболее сильное влияние на остаточные напряжения оказывают подача и скорость резания. Глубина резания при ? > 0,2 мм мало влияет на начальные, остаточные напряжения и деформации дисков (образцов). Так, с увеличением глубины резания с 0,2 до 1,5 мм остаточные деформации образцов длиной 100 мм и толщиной 3,5 мм увеличиваются только на 10—15 %, что указывает также на небольшое увеличение начальных и остаточных напряжений (их интегральной характеристики Рн).
В тангенциальном направлении формировались остаточные напряжения растяжения величиной от 390 до 870 МПа с глубиной распространения 0,1 мм. На глубине 0,1 мм остаточные напряжения растяжения переходят в напряжения сжатия, величина которых достигает 280—300 МПа. Они распространяются на глубину до 0,4 мм.
С уменьшением подачи от 0,15 до 0,07 мм/об. величина тангенциальных остаточных напряжений снижается только в тонком поверхностном слое (до 0,05 мм) с 600...900 МПа до 400...600 МПа, радиальные остаточные напряжения сжатия немного увеличиваются. При этом сохраняется характер эпюр распределения напряжений, уменьшается разброс и стабильность процесса формирования напряжений в различных зонах полотна диска.
В тангенциальном направлении во всех исследованных вариантах изменения переднего угла на поверхности полотна диска формировались оста-
точные напряжения растяжения величиной от 250 до 750 МПа, которые распространялись до глубины 0,1 мм и переходили в остаточные напряжения сжатия с максимальным значением до -200 МПа. Для никелевого сплава ХН62БМКТЮ путем изменения геометрии резца и режимов резания не удается создать в обработанном поверхностном слое тангенциальные остаточные напряжения сжатия.
Рис. 4. Схема вырезки радиальных (1, 3, 5) и тангенциальных (2, 4, 6) образцов из дисков для определения остаточных напряжений
Термическая обработка (нагрев до 750 °С, выдержка 6 ч) полностью не устраняет остаточные напряжения, сформировавшиеся при точении. После термообработки в поверхностном слое толщиной до 0,01 мм были обнаружены остаточные напряжения растяжения величиной от 250 до 350 МПа.
Следует обратить внимание на то, что поверхностный слой дисков находится в плоском напряженном состоянии, а вырезанных образцов- в линейном напряженном состоянии, и остаточные напряжения в образцах отличаются от напряжений в дисках. Так, на поверхности, обработанной с подачей ^ = 0, 15 мм/об., определенные на образцах радиальные напряжения
были -300 МПа (сжатия), тангенциальные +800 МПа (растяжения). Остаточные напряжения в диске, рассчитанные для плоского напряженного состояния, в радиальном направлении были -66 МПа, а в тангенциальном +780 МПа. Соответственно на глубине 0,1 мм: радиальные напряжения в образце -370, а в диске -407 МПа, тангенциальные напряжения в образце 0, а в диске -122 МПа. Примерно такая же закономерность наблюдается на дисках, обработанных с подачей ^ = 0,07 мм/об. Радиальные остаточные напряжения на поверхности диска -330, в образце -460 МПа; тангенциальные остаточные напряжения в образце +205, в диске +102 МПа. На глубине 0,2 мм радиальные напряжения в образце -240, в диске -313 МПа, тангенциальные напряжения в образце -150, в диске -244 МПа.
Как видим, разница между остаточными напряжениями в вырезанных из дисков образцах и дисках существенная, поэтому оценку остаточных напряжений в дисках необходимо вести с учетом плоского напряженного состояния.
Для оценки напряженного состояния лабиринтных дисков КВД после прохождения всех операций механической обработки и дробеуп-рочнения (микрошариками) определялись радиальные и тангенциальные напряжения на вырезанных образцах. В общей сложности было проанализировано более 200 эпюр остаточных напряжений и установлено, что после полирования (до упрочнения) на поверхности имеются остаточные напряжения сжатия величиной до 600 МПа. На глубине 0,04 мм они снижаются до 0. Последующее упрочнение (микрошариками диаметром 150...200 мкм) смещает максимум напряжений сжатия на глубину 0,02 мм и увеличивает глубину их проникновения до 0,15 мм. При этом на всех дисках как в зоне периферийного, так и в зоне ступичного пояса тангенциальные и радиальные остаточные напряжения близки по величине и характеру распределения (эпюрам). Это указывает на то, что пластические деформации поверхностного слоя при дробеупрочнении формируют его равноосное состояние. Технологические наследственные остаточные напряжения не оказывают на этот процесс существенного влияния.
Выводы
Из приведенных данных видно, что технологические наследственные остаточные напряжения оказывают существенное влияние как на операционные, так и на конечные технологические остаточные деформации маложестких дисков.
Литература
1. Овсеенко А. Н., Серебряков В. И., Гаек М. М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. М., 2004, 296с.
2. Меркулова Н. С. , Иванова Т. О. , Гринченко М. И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. №3. С. 35-42.
Поступила в редакцию
3 ноября 2010 г.
Овсеенко Евгений Сергеевич — аспирант, Московский государственный технологический университет «Станкин». Тел. 8 (906) 77-99-000. E-mail: ovseenko@bk.ru
Ovseenko Evgeniy Sergeevich — post-graduate student, Moscow State University of Technology «Stankin». Tel. 8 (906) 77-99-000. E-mail: ovseenko@bk.ru
