Исследование процессов отделочно-упрочняющей обработки сложнофасонных поверхностей Сухочев, Геннадий Алексеевич

Введение к работе

Работа представлена в форме научного доклада, подготовленного по сово-_ кулности работ, выполненных соискателем лично или в составе технологических групп и подразделений КБ химаптомагаки, возглавляемых им в 1986-1993гг.

.Актуальность проблемы. Одной из значительных технологических проблем создания перспективных энергетических установок является обеспечение заданных эксплутациоиных характеристик литых поверхностей деталей роторной группы насосных агрегатов, не подвергаемых механической обработке. Ресурс работы, КПД, следовательно усталостная прочность, надежность, коррозионная стойкость этих деталей в значительной степени определяются качеством поверхностей, в том числе и шероховатостью.

Использование отделочно-упрочняющей обработки в рамках известных технологических методов поверхностного пластического деформирования (ППД) в различных отраслях промышленности, в частности - авиационном двигате-лестроеіши, дает положительный эффект d части увеличения ресурса работы двигательных установок, улучшения их эксплуатационных характеристик. Дальнейшие разработки в области создания энергетических установок показали необходимость решения вопросов снижения удельного энергопотребления в связи с ростом стоимости доиодсч::ых испытаний и эксплуатации в широком диапазоне температур (от криогенных до 1000 К и выше), неблагоприятных условиях многоцикловых иагружений її агрессивных сред. В данных случаях, несмотря на значительное кол;пество известных методов ППД, не существует универсального, эффективного для всей гаммы производимых изделий. Применительно к деталям роторной группы типа "турбина", имеющим сложную пространственную форму и узкие межлопатолные каналы (в ряде случаев до 8 км) отсутствуют надежные методы и средства пропіозировашія, обеспечения и контроля заданных показателей качества обрабатываемых поверхностей и их эксплуатационных характеристик. Использование в конструкции изделий титановых и высокопрочных жаростойких никелевых сплавов типа ВЖЛ-НПМ, ЭП-74Ш и др. с <Т_а =125 кг/мм^ л более, требует проведения теоретических 1! экспериментальных исследований по выявлению технологических параметров процесса ППД, влияющих ня эксплутационные показатели деталей тсосных агрегатов энергетических установок при воздействии рабочих сред В связи с этим создание новых технологических приемов для повышения эксплуатационных показателей слозкяофасонньгх деталей, а также разработка научно разработанных рекомендаций по реализации методов являются актуальными современными задачами.

Целъ и задачи исследований. Обеспечить требуемые показатели качества сложиофасониых поверхиостей деталей энергетических установок (микротвердость, шероховатость проточной части, глубина наклепа).

Для достижения указанной цели в "работе решались следующие задачи:

Поиск оптимальных методов отделочно-упрочняющей обработки деталей роторной группы насосных агрегатов с узкими сложнопрофильными межлопаточными каналами.

Проведение теоретического исследования контактирующих систем: рабочая среда - обрабатываемая поверхность.

Определение рационального времени упрочнения и достижимые показатели качества поверхностного слоя при использовании предложенных методов.

Исследование влияния комб)широваиных процессов отделочно-упроч няющей обработки на усталостную прочность и долговечность деталей в эксплутационных условиях, в том числе в криогенных средах.

Разработка научно-обоснованых рекомендаций, инженерных методик для реализации результатов исследований в производстве.

Основные методы исследования. Для решения поставленной задачи в работе используются положения теории ППД, анодного растворения металла и микрорезания, аппарат вычислительной техники и программирования, теория математического моделирования.

Обработка эксперементальных данных осуществлялась методами математической статистики

Научная новизна результатов работы:

Предложены процессы отделочно-упрочняющей обработки сложнофасоняых поверхностей, обеспечивающие комплексное воздействие, и средства их реализации.

Исследована математичесхая модель процесса взаимодействия рабочей среды и обрабатываемой поверхности с учетом физико-механических параметров зоны контакта.

Установлены аналитические зависимости достижимых показателей качества обрабатываемых поверхностей и времени обработки от режимов и условий реализации различных методов отделки и упрочнения применительно к конкретным материалам и конструктивным элементам.

Исследовано влияние предложенных процессов на усталостную прочность титановых и жаропрочных никелевых сплавов в условиях эксплуатации.

Разработана методология выбора оптимальной комбинации способов отделочно-упрочняющей обработки с учетом заданных показателей качества и формы контактирующих поверхностей.

Практпическая ценность и реализация результатов работы. Определены рациональные интервалы варьирования технологических параметров процесса, позволяющие обеспечивать заданные показатели качества деталей, работающих в режиме многоцикловых иагружепии, в зоне криогенных и высоких температур, неблагоприятных условиях межкристаллитной коррозии и термодинамического воздействия рабочих сред.

Испытаниями в рабочих средах с моделированием >мэвий эксплуатации подтверждена эффективность предложенных технических решений. Так, например, предел усталостной прочности деталей, работающих в области криогенных температур, после упрочняющей обработки возрос на порядок, в области повышенных температур - на 20-30 %.

По результатам исследопашш разработана методика выбора оптимального способа отдолочно-упрочнлющей обработки применительно к конкретным конструктивным элементам и заданным физико-мехаїшческим свойствам рабочих поверхностей.

Разработанные технические решения внедрены на предприятии-разработчике энергетических установок - КБ Химавтоматики, а также на Воронежском механическом заводе при доводке опытных образцов и серийном изготовлении насосных агрегатов. Методические материалы введены в конструкторскую документации изделий для реализации предложенных разработок на заводах-изготовителях.

Модельные и натурные испытания турбоиасосных агрегатов выявил:: увеличение КПД на 1,5 - 3 % за счет предложенных технических решений после проведения ряда мероприятий по снижению шероховатостей и упрочнению поверхностей проточной части.

Результаты исследований в настоящее время используются в конверсионных программах по созданию и производству насосных агрегатов для базовых отраслей промышлености (металлургической, нефтегазовой), предназначенных для перекачивания и подачи агрессивных и абразивосодержащих жидкостей.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладызались и обсуждались на региональном научно-техническом семинаре "Применение низкочастотных колебаний» в технологических целях" (Ростов-на-Дону, 1993 г.), научно-технической конференція! "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1Э93), международной НПК "Ресурсосберегающие .технологии машиностроения" (Москва, 1993 г.).

-4-СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Существующий опыт применения традиционных методов отделочно-упрочняющсії обработки

В настоящее время существует ряд достаточно освоенных в промышленности процессов отделки и упрочнения, используемых для обработки деталей насосных агрегатов.

Виброабразивное ишифс&ние. Данный способ, достаточно эффективный при зачистке труднодоступных, но достаточно габаритных внутренних полостей корпусных деталей, не позволяет проводить обработку узких межлопаточных каналов даже в устройствах с принудительным подажтием рабочей среды.

Струйнодинамическая обработка микрашариками. Поток микрошариков 0 0,1-0,3 мм, направленных в межлопаточный канал детали типа "турбина" обеспечивает получение наклепанного слоя лить на входе и выходе рабочего колеса. Упрочение поверхностей в канале незначительно, несмотря на эффект экранирования потока шариков.

Экструзионпая обработка прокачиванием смеси каучука с абразивом через каналы турбины проводит неравномерный съем материала. Интенс;шность обработки возрастает по мере сужения канала и падает в направлении его раскрытия.

Электпрохижичсское травление и полирование. Химическое фрезеровашіе в растворах кислот позволяет лишь удалить дефектный слой заготовки, копируя все неровности исходной поверхности, электрохимическое полирование требует сложных катодных устройств, зачастую не реализуемых на практике, а также не обеспечивает требуемого поверхностного наклепа.

Как видно, и это было подтверждено теоретически и экспериментально, достаточно эффективным может быть комбищірованное воздействие названных методов в части комплексного воздействия наиболее эффективных параметров применительно к поверхностям сложнофасонньк деталей с узкими межлопаточными каналами. Это такие способы обработки, как вибро-экструзионная и виброударная с анодным растворением металла.

При виброэкструзионной обработке процесс заключается в периодическом возвратно-поступающем движении (экструдировании) гранулированной рабочей среды через межлопаточные каналы обрабатываемой детали в условиях низкочастотной вибрации (20-30 Гц) путем периодических поворотов контейнера с деталью и рабочей средой на 180 вокруг гоизонтальной оси. Эффективность этого способа проявляется в зачительном повышении равномерности отделочно-

упрочняющей обработки таких деталей за счет уменьшения разницы достижимых показателей качества открытых и труднодоступных поверхностей межлопаточных каналов.

Для интенсификации процессов отделочно-упрочняющей обработки было использованно анодное растворение металла с наложением токов низкого напряжения (18 В). В этом случае обработка проводится стальными шарами в среде олеиновой кислоты, с расположенным над деталью катодом, о который соударяются шары.

Несмотря на очевидные преимущества названных методов для их реализации потребовалось решить несколько теоретических и прикладных задач.

2. Взаимодействие рабочей среды с обрабатываемой поверхностью [2,9]

Сложность взаимодействия шариков (гранул) с обрабатываемой поверхностью определяет упрощенную теоретико-вероятностную модель процесса контактирования. Так, формирование микрорельефа поверхностей деталей при их отделочно-улрочняющей обработке осуществляется за счет пластического деформирования гранулами рабочей среды вершин микронеровностей (их осадки, выглаживания, усталостного выкрашивания), и если рабочая среда обладает абразивными свойствами, зи счет микрорезания. Главная роль при этом принадлежит процессам осадки микронеровностей, в результате которых осуществляется перераспределение материала в поверхностном слое детали и, соответственно, уменьшение высотных параметров шероховатости К_а, R_z, R_ama.i-

На обработанной плоской поверхности при равнораспределенном образовании ка ней взаимно перекрывающихся пластических отпечатков d_max с коэффециентом перекрытия К_пер= 3, сплошность обработки составляет 95%.

db=^Jf = 0,557d_mas ,ц

Учитывая, что измерения шероховатости обрабатьшаемой поверхности пропорционально сплошности ее покрытия пластическими отпечатками, то:

0,95R_imax = 0,57d² _r-d² _b-0.5d_r + b^ (2),

R_zmax- максимально возможное изменение мкм;

d_r- диаметр гранул рабочей среды, ик;

Ъ>тах" максимальная глубина пластических отпечатков, мм;

Величину d_max можно выразить, как:.

d, Ы с_к Р₃

d — ^Г. І" ~^к /'З.тах _т

Cjj - коэффициент, учитывающий форму и состояние контактирующих поверхностей;

к_Пу- коэффициент поверхностной упаковки гранул;

Р₃.щах " максимальная величина динамического давления рабочей среды в конкретной зоне, МПа;

Of предел текучести материала детали, МПа.

С учетом (3) и(1) выражение (2) будет иметь вид:

074 C_k -Ъ*)

^Л ОТ

AR,m« = 0,257d_r (^1-0,058 C_k!^ - Ibo"

(4). Отсюда видно, что величина AR_{Z max} существенно зависит от диаметра

гранул рабочей среды, соотношешія ^: и коэффициентов Cjj и k_ny ,

^"г щах _ //"з.шах q >

d_r t

Численный анализ этой зависимости позволяет выражение (4) представить в виде:

р
R_z max - 30-634 к_абр Ск-^²^, мкм (5),

где к_а5р - коэффициент, учитывающий влияние абразивного компонента.

В любой момент обработки R_z = R_zncx-R_z, a R_z = Cr_z R_znlax, где Cjj_z -соотношение достигнутого и максимально достижимого изменения параметра R_z.

Зависимость Crj от текущего времени обработки t и времени полного упрочнения tynp можно в аналитическом виде выразить функцией

-7.

t Crj = 1 - Є ^l упр

С учетом этого выражение (5) будет иметь вид:

Р —

Alt, = 30,634d_rk_a6pC_k-^^-(l - е ¹ упр) (6).

К а,

Выражение (б) позволяет с достаточной точностью прогнозировать значение параметров шероховатости применительно к конкретным материалам и конструктивным элементам.

3. Образование остаточных напряжений сжатия в поверхностях деталей сложной формы и их прогнозирование [1, 91

Во многих работах эксперементально получены эпюры распределения остаточных напряжений сжатия по глубине упроченного слоя деталей и образцов из различных материалов после различных способов упрочняющей обработки, Анализ этих эпюр позволяет для приближенного определения остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое упроченных плоских образцов применят:, упрошенную расчетную схему, в которой участвуют два вида эпюр распределения величины С_с>_к:

1. Идеализированный линейный;

2. Приближенный к реальному.

При этом площади эпюр и координаты их центров тяжести одинаковы. Эпюра 1
имеет максимум на поверхности образца о:'_сжпо!з, а эпюра 2 характеризу
ется наличием подслойного максимума а _сж ' и напряжением на поверх
ности образца а _{с?к П03}.

В первом приближении можно считать, что

^стсж max ~ ^ст еж пов сж пов. ~ ^стсж ср ,

при этом

сжпов = 1,5 ^&сж ср> ^ан ср ⁼ ",333а*_{н 0}д (7).

Одним из наиболее наглядных видов проявления эффекта упрочнения и образования остаточных напряжений сжатия является прогиб плоских образцов, подвергнутых односторонней упрочняющей обработке. Прогиб образцов является обобщенным показателем поверхностного, упрочнения, который позволяет определять оптимальные режимы и условия упрочняющей обработки, но не характеризует напряженно-деформированное состояние упрочненого поверхностного слоя образцов и деталей, то есть не дает количественной оценки

таких показателей качества поверхности, как величина остаточных напряжений сжатия и глубина их распределения. Определение этих величин требует дополнительного применения малопроизводительного способа послойного стравливания упрочнеішой поверхности образца, либо имеющего низкую точность (± 50...200 МПа) рентгеноструктурного метода. В случае фасонной и литейной упрочненной поверхности детали названные и другие способы безконтактных измерений нереализуемы.

Причиной деформации упрочненного с одной стороны плоского образца является наличие в его упрочненной поверхности остаточных напряжений сжатия О_сзк и, как следствие, действие создаваемого ими и равнораспределен-ного по этой поверхности изгибающего момента Mj, величину которого по отношению к центру поперечного сечения образца, можно представить в виде:

Мег = О.ббТОсж _тах Ъ_о5 а_н об(0,5а_об - а_{н ср}) (8),

где йоб и Ь₀б - толщина и ширина образца, соответственно.

С учетом (7):

Мег = 0,667с_сжтахЬ_о6а_{н О}б(0,5а_об - 0,333 а_{н ср}) (9).

Прогиб образца определяется формулой:

Zo6=——;—= „„ , з ⁽¹⁰⁾-

Ml²' _ з М 1²об

^где 1q6" Длина образца;

Еоб- модуль упругости материала образца;

J_x об- осевой момент инерции поперечного сечения образца.

Из (9) и(10) видно, что

„ _ ^„6 а об Zq6 .

(11).

¹ об^ан об 1^аоб "

0,667а_но6)

Для величины a_CJK для детали, изготовленной из другого материала, имеющей другие механические свойства, форму и шероховатость поверхности, после введения поправочных коэффициентов формула (11) принимает вид:

_ 2Ерб Zpa k_e к_г

сж шах ,2 . „ „-_, . 1^Х''>

1 об ^ак об (»o6 - 0,667к_ва_яо6 )

где ке - коэффициент, равный отношенгао модулей упругости материалов

детали и образца;

k_z - коэффициент, равный отношению прогибов образцов, изготовленных

из материала детали и контрольного материала;

-s-

k_a - коэффициент, учитывающий отличие геометрической формы, шероховатости и механических свойств упрочняемого и контрольного материала

Для определгам величины о_{сж тах} и ст_{сж пов} в поверхностном слое детали по прогибу типового плоского образца из закаленной стали У8А (Е₀б =2,1-10⁵ МГГа, а₀ь=1,2 мм, Ь_оь=20 мм, 1₀б =70 мм), можно записать формулы:

_ 123,4 Z^ k"_e к_г
сж max Т, 7T77Z \" <^1J'

82,3 Z_o6 к_е к_г еж пов _андет(1 . о,555 а_ндет)

4. Оптимальный интервал варьиропаїсия режимов отделочно-уирочняющей обработки (2, 6]

Основным фактором, который может снизить эффект упрочнения, является перенаклеп поверхностного слоя.

С учетом того, что перенаклеп поверхности детали может осуществляться при СГ_{СЖ тах} +0"_{э тах} 2 (Т_Т, где ег_{э тах} - максимальное напряжение сжатия, возникающее под действием на деталь эксплутационных нагрузок, из выражения (13) можно получить условие, исключающее этот перенаклеп:

. Zo6t-cT₃ тах)(1-0,555 а_н дет)т71Г ^<15;

к_е k_z

Z₀6 кр - критическая величина прогиба образца, соответствующая началу перенаклепа образца.

Предложенный способ позволяет повысить оперативность и точность приближенного определения остаточных напряжений сжатия в упрочненных поверхностях деталей, а также, позволяет назначить оптимальные режимы упрочняющей обработки сложнофасонных поверхностей деталей из различных материалов.

5. Эксисрсмситальпос - исследование сравнительной эффективности различных способов отделочно-упрочняющей обработки. (3-6, 12, 13]

Оценка сравнительной эффективности наиболее приемлемых для
отделочно-упрочняющей обработки деталей лопаточного типа

(струйнодинамігческий, пневмодробеструйный, вибрационный с анодным растворением металла, виброэкструзионный) осуществлялась путем обработки имитатора детали, содержащего сквозной щелевидный канал, на плоских придпльных поверхностях которого закреплялись типовые плоские образцы из различных материалов. Такие же образцы закреплялись на наружной открытой поверхности имитатора, который обрабатывался указанными выше способами или их различными сочетаниями при сохранении постоянными следующих геометрических характеристик канала:

Sjj = 6 мм - минимальное межлопаточное расстояние;

Ь_к = 60 мм - продольный размер канала;

Р = 10-20 - угол сужения канала в его поперечном сечеіши.

Определяющими показателями качества отделочно-упрочняющей обработки образцов явились:

Z₀6 - прогибы образцов, мм;

Но 49 * изменение поверхностной микротвердости, МПа;

^аноб " глубина наклепа, мм;

R_a - параметр шероховатости, мкм.

Указанными методами также была обработана типовая турбина, содержащая каналы с межлопаточными расстояниями менее 6 мм. Средняя величина сужения каналов Р = 20, угол наклона продольной оси канала к радиальной плоскости турбины - в пределах от а = 80 до а = 30. .

Определение достигнутых разными способами показателей качества проводилось в наиболее и наименее открытых участках поверхностей межлопточных каналов - на хвостовиках лопаток, по выпуклой и вогнутой поверхностям лопаток.

По результатам эксперементальных и теоретических исследований с учетом научно-технического и производственного опыта различных отраслей промышленности, в частности авиационной, разработана методика выбора оптимального способа отделочно-упрочняющей обработки деталей насосных агрегатов лопаточного типа с широким диапазоном геометрических характеристик сложнопрофильных межлопаточных каналоз. (см. табл.).

Таблица Выбор оптимального способа отделочно-упрочняющсй обработки деталей типа "турбина".

Однако, эта методика не исключает применения комбинаций этих и других методов.

Очевидно, что виброэкструзиошгый способ является наиболее эффективным применительно к отделочно-упрочняющей обработке турбин с малыми межлопаточнъти расстояниями, но не обеспечивает значительного наклепа наиболее нагруженных частей лопаток: входных и выходных кромок. Поэтому для повышения усталостной прочности проводят дополнительную лневмодробеструйяую обработку входных и выходных кромок микрошариками. Для подготовки поверхности широких межлопаточных каналов под упрочнение микрошариками целесообразно использовать предварительную виброобработку с анодным растворением металла. Таким образом, использование методики с учетом экспериментальных данных позволяет с достаточной степенью точности прогнозировать и добиваться требуемых показателей качества обрабатываемых поверхностей.

6. Исследование влияния поверхностного упрочнения на усталостную прочность титановых и жаропрочных сплавов [7, 8,10, 11, 13]

Известно, что процессы ПНД оказывают положительное влияние на эксплуатационные характеристики деталей, работающих в диапазоне температур до 1000 К. Например, предел усталостной прочности при работе в интервале высоких температур после упрочнения возрастает на 20-30'д Используемые в конструкциях деталей роторной группы энергетических установок титановые сплавы типа ВТ5-1КТ в части усталостной прочности очень чувствительны к наличию в рабочих средах примесей кислорода, азота, утлерода и, особенно, водорода в случаях эксплуатации их при криогенных температурах.

Характер развития усталостной трещины позволил предположить, что значительное влияние методы ППД оказывают на длительность первого этапа упруго-пластической деформации на время зарождения усталостных микротрещии и начала их слияния в макродефекты. Это ощутимо из-за наличия в поверхностных слоях упрочненных образцов и деталей остаточных напряжений сжатия, повышенной микротвердости и плотности материала, регулярного микрорельефа, что препятствует как появлению микрогрещин, так и их развитию.

Модельные испытания гладких и упрочненных образцов из сплава ВТ5-1КТ при температурах 20-77 К, напряжениях, достигавших 0,6G_0i2 в рабочих средах показали увеличение количества циклов до разрушения с 5x10⁴ до Зх 10⁵-10⁶. Образцы испытывались при консольном нагружении и вращении с выводом на визуальное и фотографическое наблюдение за характером развития усталостной трещины и имели следующие параметры упрочненного слоя:

а_{сж ср} = 600 МПа; а_{н ср} = 0,07-0,085 мм; R_a = 2,5 мкм.

Анализ результатов исследований позволил провести натурные исныташш деталей с направленным поиском влияния на усталостную прочность различных методов ППД и их комбинированных сочетаний (виброабразивпое шлифование, виброэкструзионная обработка, стуйно-динамическое упрочнение, анодное растворение металла и др.).

В процессе эксиерементальньгх исследований было создано оригинальное оборудование для измерения показателей качества обработанных поверхностей и моделирования условий многоцикловых нагру/кений в рабочігх средах.