CC BY
24
УДК: 539.26:621.438
С. В. Лоскутов, ПД. Жеманюк, Г.В. Пухальская, С.В. Сейдаметов
УПРОЧНЯЮЩАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ОБКАТКОЙ СТАЛЬНЫМИ ШАРИКАМИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Разработан метод обработки металлических деталей обкаткой стальными шариками в магнитном поле. На основе рентгеновской дифрактометрии показано, что такая обработка образцов из сплава титана ВТ3-1 приводит к изменениям структуры материала приповерхностного слоя, вследствие чего формируются сжимающие остаточные макронапряжения порядка 400^600 МПа, что благотворно влияет на сопротивление усталости.
Введение
Для повышения эксплуатационных характеристик деталей газотурбинных двигателей (ГТД) применяются разнообразные методы поверхностного пластического деформирования (ППД) [1]. Подбирая оптимальные режимы обработки, можно формировать поверхностный слой с заданными параметрами микрогеометрии и физико-механическими свойствами материала. Наиболее сложным является выбор оптимальных режимов при обработке лопаток компрессора из титановых сплавов. Сложная геометрия поверхности пера лопаток, тонкие кромки, необходимость достижения оптимального распределения остаточных напряжений как по поверхности пера так и по глубине детали вызывают необходимость разработки новых методов отделоч-но-упрочняющей обработки. Представляется перспективным метод магнитно-абразивного полирования с одновременной упрочняющей обработкой ударами стальных шариков в магнитном поле [2]. На пути развития этого метода была поставлена задача исследовать закономерности формирования остаточных макронапряжений в компрессорных лопатках при их колебательном движении в рабочей среде из стальных шариков, помещённых в магнитное поле.
Обкатка лопатки компрессора стальными шариками, удерживаемыми силами магнитного поля в рабочей зоне, оказывает незначительное влияние на геометрическую форму лопатки. Стальные шарики располагаются между полюсами электромагнита, создавая квазиупругую среду, свойства которой можно варьировать, изменяя параметры магнитного поля. При движении лопатки через рабочую зону стальные шарики обкатываются по поверхности детали, оказывая при этом определённое контактное давление. В результате контактной нагрузки материал поверхностного слоя испытывает упругопластическое деформирование. При этом реализуется многократное пластическое деформирование материала приповерхностного слоя и формирование остаточных напряжений. Изучению особенностей формирования остаточных напряжений в лопатках компрессора в результате обкатки их
стальными шариками в магнитном поле посвящена настоящая работа.
Методика эксперимента
В качестве материала для исследований были выбраны лопатки компрессора из сплава титана ВТ3-1. Подготовка образцов заключалась в отжиге образцов в вакууме (3,325 ± 0,005)10-3 Па при температуре (900 ± 3) °С в течение трех часов.
Для определения остаточных макроскопических напряжений применяли метод «29 - sin2y », где 9 - угол Вульфа-Брэгга, у - угол между нормалями к отражающей плоскости и к поверхности образца [3]. Измерения выполнялись на кобальтовой трубке (Кр-линия) при ускоряющем напряжении 30 кВ и токе 30 мА. Анализировалась линия (213) а-титана. Площадь анализируемого участка поверхности образца составляла 0,5x3 мм2. Осуществлялось однократное сканирование с шагом 0,1 град и постоянной времени 10 с. Данные, полученные на рентгеновском дифрактомет-ре ДРОН-3М, подвергались обработке в программе «Origin». Проводились следующие операции: сглаживание кривых; вычитание фона; аппроксимация по Гауссу; расчет центра тяжести пиков. При расчете напряжений по пяти точкам, использовали модуль Юнга Е = 11,71010 Па и коэффициент Пуассона v = 0,3. Методом М.М. Давиденкова были получены эпюры распределения остаточных макронапряжений по глубине.
Для лабораторных исследований процесса деформационно-магнитной обработки (ДМО) лопаток ГТД на кафедре физики ЗНТУ была разработана и изготовлена лабораторная установка, блок - схема которой представлена на рис. 1. За основу был взят способ осциллирующего движения детали. В качестве рабочих тел использовались стальные шарики из материала ШХ15 различных диаметров. Колебания пера лопатки в магнитной среде стальных шариков осуществлялись с помощью генератора механических колебаний 4 типа ГМК-1. Лопатка крепилась в специальной державке и могла быть установлена под произвольным углом к плоскости колебаний. Амплитуда и частота колебаний
© С. В. Лоскутов, П.Д. Жеманюк, Г.В. Пухальская, С.В. Сейдаметов, 2007
задавались генератором синусоидальных колебаний 3 типа Г-54. Амплитуду скорости лопатки контролировали цифровым вольтметром 5 типа В7-35. Индукцию магнитного поля измеряли датчиком 6 цифрового вольтметра 2 типа Щ 4311.
Для оценки состояния рабочей среды (плотности, упругости) нами был предложен метод измерения электрического сопротивления между лопаткой и электродами на границе рабочей зоны. Измерения проводили на постоянном токе при помощи одинарного моста 9 типа М-61. Управление величиной магнитного поля осуществлялось питанием катушки электромагнита от источника постоянного 10 тока ЛИПС. Варьировалось время обработки, диаметр и количество стальных шариков.
Результаты и их обсуждение
Изменение электросопротивления в процессе относительного движения лопатки и рабочей среды определяется изменением фактической площа-
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для деформационно-магнитной обработки лопаток:
1 - электромагнит; 2, 6 - блоки измерения магнитного поля; 4 - генератор механических колебаний; 3, 5 - блоки управления и регистрации колебаний; 7 - лопатка; 8 -электрод; 9 - блок резистометрии; 10 - блок питания электромагнита
Рис. 2. Изменение электросопротивления между лопаткой и средой из стальных шариков в магнитном поле в зависимости от скорости пера лопатки
ди касания стальных шариков с поверхностью пера лопатки. Амплитуда скорости колебаний лопатки зависит от величины результирующей силы, определяемой силой, вынуждающей колебания, и силой сопротивления упругому сдвигу стальных шариков в магнитном поле. Различные по своей природе, экспериментально измеряемые характеристики несут информацию об одном процессе, о взаимодействии шариков с пером лопатки. Представленная на рис. 2 зависимость свидетельствует о разуплотнении шариков в окрестности осциллирующего пера лопатки.
Совершается работа против сил сопротивления. Разуплотнение среды из стальных шариков уменьшается с увеличением магнитного поля установки.
В таблице 1 представлены результаты определения остаточных макронапряжений для различных режимов обработки лопаток. Прежде всего, следует отметить хорошую линейность графиков в рент-геноструктурном методе определения остаточных напряжений «29 - э1п2у ») [4]. Это означает, что в результате ДМО формируется однородная дефектная кристаллическая структура и в приповерхностном слое реализуется плосконапряжённое состояние материала. Важнейшими критериями увеличения сопротивления усталости и уменьшения рассеяния долговечности лопаток ГТД являются величина остаточных сжимающих напряжений и глубина распространения их в приповерхностном слое. Применение различных методов упрочняющих обработок на основе ППД приводит к формированию в поверхностном слое компрессорных лопаток остаточных сжимающих напряжений (порядка 500^700 МПа) и распространения их на глубину до сотни микрометров [1].
С увеличением диаметра шариков качество поверхности ухудшалось, так как образовывались деформационные следы вдоль пера лопатки. Величина остаточных макронапряжений при обработке шариками одного диаметра, но с различающимися другими параметрами изменялась в пределах от -400 МПа до -600 МПа (лопатки 21, 23, 39). Качественный поверхностный слой пера лопаток формировался при комплексной обработке (лопатки 78, 79, 95). Микрогеометрия поверхности соответствовала полировке, а остаточные сжимающие напряжения были на уровне 600 МПа.
Как видно из таблицы 1 и рис. 3, полученные в работе результаты существенно не уступают по данным параметрам традиционным методам упрочняющих обработок. К преимуществам разработанного метода ДМО следует отнести мягкую схему деформационного процесса, когда взаимодействие сопряжения стальной шарик -приповерхностный слой детали взаимосогласованное. Другим важным моментом контактного деформационного процесса является влияние
¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007 — 87 —
Таблица 1 - Результаты рентгенодифрактометрических измерений остаточных макронапряжений на лопатках до и после обработки обкаткой стальными шариками в магнитном поле
Номер лопатки Остаточные макронапряжения, МПа Обработка лопаток
34,39 -(10 ч 15) После вакуумного отжига при температуре 900 С 3 часа.
21 - 623 КВ: В = 0,19, С = 1,6; V = 50; 2а = 3; т = 30
79 - 613 КВ: В = 0,32; С = 2,3; V = 50; 2а = 5; т = 20 УК: В = 0,29; С = 0,63; V = 50; 2а = 3; т = 20
23 - 597 КВ: В = 0,19, С = 1,6; V = 50; 2а = 5; т = 15
КВ: В = 0,32; С = 2,3^ = 50; 2а = 5; т = 10
95 - 598 КВ: В = 0,32; С = 1,6; V = 50; 2а = 5; т = 10 УК: В = 0,29; С = 0,63; V = 50; 2а = 5; т = 10
78 - 570 КВ: В = 0,32; С = 1,6; V = 50; 2а = 5; т = 25 УК: В = 0,29; С = 0,63; V = 50; 2а = 5; т = 10
76 - 514 УК: В = 0,29; С = 0,63; V = 50; 2а = 3; т = 30
39 - 417 КВ: В = 0,32; С = 1,6; V = 50; 2а = 5; т = 30
63 - 298 КВ: В = 0,32; С = 2,3; V = 50; 2а = 5; т = 15
8 - 180 УК: В = 0,29; С = 0,36; V = 50; 2а = 3; т = 30
Примечания: В - индукция магнитного поля в рабочей зоне электромагнита без стальных шариков, Тл; ^ - диаметр шариков, мм; V - частота колебаний лопатки вдоль пера, Гц; а - амплитуда колебаний лопатки, мм; т - время обработки, мин. Сечение магнитопровода: КВ - квадратное, 35x35 мм2 , рабочая зона - 35x35x13,5 мм3; УК - под усечённый конус, с диаметром 6 мм, рабочая зона - (п62/4)х13,5 мм3.
|"к 111
Рис. 3. Распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя пера лопатки № 23 после обработки стальными шариками в магнитном поле
магнитного поля на деформирование титанового сплава, так называемый магнитопластический эффект [5]. За счет влияния слабого магнитного поля происходят изменения в ионно-электронной структуре металла способствующие движению дислокаций. В результате появляется дополнительная составляющая деформации и соответ-
ствующая этому упрочняемость металла. Рассмотренный метод упрочняющей обработки деталей машин может быть полностью автоматизированным, так как возможна обратная связь между параметрами обработки и электросопротивлением рабочей среды-детали, определяющим контактный деформационный процесс.
Выводы
1. Показано, что обработка лопаток из сплава титана ВТ3-1 обкаткой стальными шариками в магнитном поле приводит к изменению структуры в материале приповерхностного слоя детали, вследствие чего формируются сжимающие остаточные макронапряжения порядка 400^600 МПа.
2. Обнаружено, что наиболее оптимальная микрогеометрия поверхности и величина остаточных сжимающих напряжений в приповерхностном слое детали формируются при комплексной обработке шариками разных диаметров.
3. Автоматизация процесса обработки и возможность варьирования параметров упрочнения дают основание считать перспективным развитие метода упрочняющей обработки деталей на основе об-
катки шариками в магнитном поле.
Перечень ссылок
1. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть 1. Монография. - Запорожье: ОАО « Мотор Сич», 2003. - 396 с.
2. Лоскутов С.В., Левитин В.В., Кононов В.В., Степаненко В.Н. Способ магнитно-абразивной обработки деталей А.с. 1815184 СССР, МКИ В24 В31/112.-11.10.1992. - Бюл. № 18, 15.05.93.
3. Серпецкий Б. А., Лоскутов С. В., Левитин В. В., Манько В. К. Повышение точности и производительности рентгенодифрактометрических измерений макроскопических напряжений //
Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Физические методы исследования и контроля. - 1998. -3. - С. 28-30.
4. Васильев Д.М., Трофимов В.В. Современное состояние рентгеновского способа измерения макронапряжений // Заводская лаборатория. -1984. - 50, №. 7. - С. 20-29.
5. Головин Ю.И. Магнитопластичность твердых тел // Физика твердого тела. - 2004. - 46, № 5. - С. 769-803.
Поступила в редакцию 21.06.2007
Розроблено метод обробки металевих деталей обкаткою сталевими кульками в маг-н1тномупол'\. На основ1 рентген1всько!'дифрактометрии показано, що така обробка зразкв 3i стопу титана ВТ3-1 приводить до зм1ни структури в матер1ал1 приповерхневого шару, внасл ¡док чого вiдбуваeться формування стискуючих залишкових макронапружень порядку 400^600 МПа, що сприятливо впливае на втомлювальну м ¡цн ¡сть.
New method of engine parts surface hardening is presented. This process is based on strengthening of details by rollling steel balls in magnetic field. Based on X-ray diffractometry it is shown that such processing of alloy titanium B T3-1 samples results in structural changes in the material of subsurface layer, which in its turn results in forming of compressing residual macrostresses about 400^600 MPa that favorably influences the resistance of fatigue.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007
89
