CC BY
146
УДК 621.515.5-2
Канд. техн. наук Г. В. Пухальская1,
И. Л. Гликсон2, канд. техн. наук О. Л. Лукьяненко2
1 Запорожский национальный технический университет, 2АО «МОТОР СИЧ»; г. Запорожье
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА СТАЛЬНЫМИ ШАРИКАМИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Исследованы технологические возможности метода обработки лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8М стальными шариками в магнитном поле на усталостную прочность лопаток. Установлено, что упрочнение кромки пера лопаток после нанесения забоин приводит к повышению предела выносливости лопаток по сравнению с исходными, что, в свою очередь, позволяет увеличить ресурс работы лопаток.
Ключевые слова: лопатка, прочность, повреждения, магнитное поле, предел выносливости.
Введение
В проблеме повышения долговечности авиационных ГТД важная роль принадлежит надежности лопаток компрессора и вентилятора. Сложность комплекса эксплуатационных воздействий на лопатки обуславливает многофакторность подходов к обеспечению их надежности и работоспособности. Важную роль играет повышение стойкости лопаток к повреждению посторонними предметами.
Широко применяемое в двигателестроении поверхностное пластическое деформирование (ППД) представляет собой совокупность процессов, позволяющих, как правило, снизить шероховатость поверхности детали, создать поверхностный слой с благоприятными (сжимающими) остаточными напряжениями, получить в нем более однородную структуру, создать необходимый рельеф поверхности, снизить влияние на сопротивление усталости концентраторов напряжений и др., что в конечном счете позволяет повысить сопротивление усталости материала детали [1—4].
Практика показывает, что интенсивный наклеп тонкостенных деталей (в частности тонких кромок лопаток) обычно сопровождается «подслой-ными» разрушениями и резким снижением предела выносливости. Для повышения несущей способности таких деталей необходимо использовать очень «мягкие» режимы ППД, дифференцируя режимы в различных зонах, или применять разные виды обработок.
Подбирая оптимальную схему и режим упрочняющей обработки, можно формировать поверхностный слой с заданными параметрами. При обработке лопаток компрессора из титановых спла-
© Г. В. Пухальская, И. Л. Гликсон, О. Л. Лукьяненко, 2013
вов необходимо учитывать сложность геометрии пера лопаток и наличие тонких кромок.
В связи с этим особую значимость приобретает исследование технологических возможностей метода обработки лопаток компрессора стальными шариками в магнитном поле, а также влияния упрочнения на предел выносливости лопаток с забоинами. В данной работе исследовано влияние обработки лопаток компрессора из титановых сплавов стальными шариками в магнитном поле на усталостную прочность.
Методика проведения экспериментов
В качестве объекта исследований выбраны лопатки компрессора вертолетного двигателя, изготовленные из титанового сплава ВТ8М.
Определение пределов выносливости проводили стандартным методом на базе N = 108 циклов. За предел выносливости принимается наибольшая величина напряжения, при которой шесть лопаток отработали без разрушения заданное число циклов. Также для сокращения времени испытания проводили на базе N = 2107 циклов с последующим пересчетом с применением коэффициента а = 0,8 на базу N = 108 циклов [5].
В соответствии с ОСТ 1 00304-79 [6] повреждения на входной кромке глубиной 0,2; 0,4 и 0,8 мм, имитирующие забоину, наносили методом фрезерования на расстоянии Ь = 28 мм от подошвы хвостовика (рис. 1), т. е. в зоне максимальных напряжений при колебании лопатки на частоте собственных колебаний соответствующей первой изгибной форме.
Измерение параметров шероховатости выполняли с помощью профилометра «РеГоте1ег М3» вдоль оси лопатки в прикорневой части лопатки в зоне входной кромоки.
А (10:1)
Рис. 1. Место расположения и размеры забоин на лопатках
Результаты и их обсуждение
Предложенный способ упрочнения лопаток компрессора с тонкими кромками позволяет дифференцированно, т. е. избирательно обрабатывать перо лопатки: только прикорневую часть или только кромки лопаток (рис. 2) — места наиболее вероятного зарождения усталостных трещин без искажения геометрии лопаток и пере-наклепа кромок.
Рис. 2. Установка для обработки лопаток шариками в магнитном поле
Две партии лопаток обработаны шариками в магнитном поле (табл. 1) по двум технологическим схемам:
- в зоне действия максимальных напряжений (рис. 3);
- в зоне входной кромки вдоль оси пера (рис. 4).
Зона упрочнения
Рис. 3. Технологическая схема № 1 обработки пера лопаток (спинка и корыто) стальными шариками в магнитном поле
Рис. 4. Технологическая схема № 2 обработки пера лопаток (спинка и корыто вдоль входной кромки) стальными шариками в магнитном поле
На лопатках измерена шероховатость поверхности исходных и обработанных лопаток в прикорневой зоне вблизи входной кромки со стороны спинки и корыта. Результаты измерений представлены в табл. 2.
Таблица 1 — Режимы обработки лопаток по схеме № 1 и № 2
Параметры режима обработки
Обозначение схемы обработки Сечение магнитопровода а, мм ё, мм V, Гц т, мин
1 УК 13 1,6 16 30
2 40
Примечание: УК — сечение магнитопровода — усеченный конус, рабочая зона — 0 6x10,5 мм; й — диаметр шариков, мм; V — частота перемещений лопатки вдоль оси пера, Гц; а — ход лопатки вдоль оси пера, мм; т — время обработки, мин. При обработке лопатке дополнительно сообщали поперечные колебания в направлении, перпендикулярном продольной оси с частотой 0,5 Гц и величиной 13 мм.
На рис. 5 представлены наиболее показательные профилограммы поверхностей лопаток в зоне входной кромки — до и после обработки шариками в магнитном поле. Характер профилограмм свидетельствует об уменьшении уровней шероховатостей после обработки. На серийных лопатках наблюдаются всплески неровностей и величина Яг в два раза больше, чем после обработки. Ввиду того, что наиболее вероятным местом зарождения усталостной трещины является входная кромка, уменьшение высоты микронеровностей в этой зоне может оказать влияние на усталостную прочность, что подтверждается последующими испытаниями на усталость.
Из приведенных результатов видно, что обработка лопаток стальными шариками в магнитном поле приводит к снижению шероховатости со стороны корыта больше, чем со стороны спинки. Обработка только прикорневой зоны приводит к большему снижению шероховатости, чем обработка входной кромки.
Проведены испытания на усталость серийных лопаток и лопаток, обработанных по двум разным технологическим схемам.
Предел выносливости серийных лопаток составил 460 МПа, обработанных по схеме № 1 — 450 МПа, а по схеме № 2 — 530 МПа.
ТОМ
Результаты испытаний на усталость показывают, что упрочнение пера лопаток по схеме №1 не приводит к появлению усталостных трещин в зоне действия максимальных напряжений, что говорит об эффективности упрочняющей обработки. При этом предел выносливости по сравнению с исходными лопатками незначительно уменьшился, т. к. усталостные трещины появляются в месте окончания участка упрочнения.
Результаты испытаний лопаток, упрочненных по схеме № 2, свидетельствуют о повышении предела выносливости — до 530 МПа, т.е. на 15 % по сравнению с исходными лопатками, что говорит о преимуществе данной схемы и режима обработки.
Проведены испытания на усталость лопаток с искусственно созданными забоинами глубиной
0,2; 0,4 и 0,8 мм.
Предел выносливости серийных лопаток с забоиной 0,2 мм составил 272 МПа, с забоиной 0,4 мм — 208 МПа, с забоиной 0,8 мм — 160 МПа.
Из полученных результатов видно, что с увеличением величины забоины существенно снижается предел выносливости: с 460 МПа для серийных лопаток до 160 МПа с забоиной 0,8 мм — более чем в два раза. Это объясняется большой чувствительностью титана к концентрации напряжений.
Рис. 5. Профилограммы поверхностей лопаток: а — серийная лопатка; б — обработка прикорневой зоны
Таблица 2 — Результаты измерения шероховатости поверхности лопаток
а
Объект исследований Параметры Входная кромка, прикорневая зона
шероховатости Корыто Спинка
Яа, мкм 0,29 0,17
Серийная лопатка Яг, мкм 2,06 1,21
Яшах, мкм 3,29 1,48
Яа, мкм 0,21 0,24
Лопатка, обработанная по схеме № 2 Я2, мкм 1,35 1,67
Яшах, мкм 1,56 2,14
Яа, мкм 0,18 0,17
Лопатка, обработанная по схеме № 1 Я2, мкм 1,13 1,52
Яшах, мкм 1,81 3,25
Проведены исследования выносливости лопаток, обработанных стальными шариками в магнитном поле после нанесения забоин, имитирующих эксплуатационные повреждения. С целью более эффективной проработки зоны забоин в качестве рабочих тел были выбраны шарики диаметром 0,35 мм.
Лопатки с искусственно созданными забоинами были обработаны стальными шариками в магнитном поле по режиму, указанному в табл. 3.
Упрочнение лопаток с искусственно созданными забоинами стальными шариками в магнитном поле дает положительный результат: для лопаток с величиной забоины 0,2 мм предел выносливости увеличивается на 65 % — с 272 МПа до 448 МПа по сравнению с серийными лопатками с искусственно созданными забоинами. Такой эффект объясняется особенностями обработки: на многих лопатках после упрочнения шариками в результате пластической деформации поверхностного слоя сформировалась кромка без забоины — как видно на рис. 6.
Упрочнение лопаток с забоинами величиной
0,4 и 0,8 мм дает повышение предела выносливости порядка 20...23 %. Как видно на рис. 7, в результате обработки наиболее полно скругляется радиус забоины на входной кромке и полнос -тью исчезают риски от предшествующего фрезерования на поверхности забоины.
Выполненные исследования позволяют рекомендовать метод обработки стальными шариками в магнитном поле в качестве технологической операции при ремонте лопаток компрессора
Рис. 6. Лопатка с забоиной 0,2 мм до (слева) и после (справа) обработки шариками в магнитном поле
из титанового сплава, имеющих эксплуатационные повреждения в виде забоин на входных кромках. При этом, восстановленные лопатки имеют предел выносливости на уровне новых серийно изготовленных лопаток, что позволяет продлить их ресурс.
Рис. 7. Фрагмент входной кромки: лопатка с забоиной величиной 0,4 мм до (вверху) и после (внизу) обработки шариками в магнитном поле
Выводы
1. Исследованы технологические возможности метода обработки лопаток компрессора из титанового сплава ВТ8М стальными шариками в магнитном поле на усталостную прочность лопаток.
2. Предложена схема и режим, обработка по которому приводит к повышению предела выносливости на 15 % по сравнению с исходными лопатками.
3. Исследовано влияние забоин, имитирующих эксплуатационные повреждения, на сопротивление усталости лопаток. Установлено, что с увеличением величины забоины существенно снижается предел выносливости — более чем в два раза.
Таблица 3 — Параметры режима обработки пера лопатки
Параметры режима обработки
Сечение магнито- провода а, мм d, мм Расстояние между полюсами магнита, мм V, Гц т, мин
УК 53 0,35 7 16 30
4. Установлено, что упрочнение кромки пера лопаток после нанесения забоин, имитирующих эксплуатационные повреждения, приводит к повышению предела выносливости лопаток по сравнению с исходными на 20... 23 % для крупных забоин величиной 0,4...0,8 мм и 65 % — для мелких забоин размером до 0,2 мм.
5. Полученные результаты позволяют рекомендовать для восстановления лопаток компрессора из титановых сплавов, имеющих повреждения в эксплуатации, способ обработки лопаток стальными шариками в магнитном поле.
Список литературы
1. Биргер И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. — М. : Машиностроение, 1963. — 346 с.
2. Сулима А. М. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин /
А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. Д. Ягодкин. — М. : Машиностроение, 1988. — 238 с.
3. Кузнецов Н. Д., Технологические методы повышения надежности деталей машин : справочник / Н. Д. Кузнецов, В. И. Цейтлин, В. И. Волков. — М. : Машиностроение, 1993. - 304 с.
4. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД / А. Н. Петухов — М. : Машиностроение, 1993. — 240 с.
5. Лопатки газотурбинного двигателя (ГТД). Методы испытаний на усталость. (ОСТ 1.00870-77.) — Введ. 07.78.
6. Лопатки газотурбинных двигателей. Нормирование повреждений лопаток компрессора от попадания посторонних предметов.
(ОСТ 1 00304-79.) — Введ. 7.07.91.
Поступила в редакцию 25.02.2013
Пухальська Г.В., Гліксон I .ЛЛукьяненко О.Л. Дослідження технологічних можливостей методу обробки лопаток компресора сталевими кульками в магнітному полі
Досліджено технологічні можливості методу обробки лопаток компресора з титанового сплаву ВТ8М сталевими кульками в магнітному полі на втомну міцність лопаток. Встановлено, що зміцнення кромки пера лопаток після нанесення забоїн призводить до підвищення межі витривалості лопаток у порівнянні з вихідними, що, в свою чергу, дозволяє збільшити ресурс роботи лопаток.
Ключові слова: лопатка, міцність, пошкодження, магнітне поле, межа витривалості.
Pukhalskaya G., Glikson L, Lukianenko O. Studies of manufacturing capabilities of technique of compressor blades treatment with steel balls in magnetic field
The paper describes manufacturing capabilities of the method of processing of compressor blades made of ВТ8М titanium alloy with steel balls in magnetic field with the aim of blades fatigue strength increase. It was found that, as compared with original blades, strengthening of airfoil blade edges with nicks enables to increase endurance limit of blades and thus, their life.
Key words: blade, strength, damage, magnetic field, endurance limit.
