Прогнозирование технологических остаточных деформаций тонкостенных дисков после упрочнения методом поверхностного пластического деформирования Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.73: 621.785.51

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ТОНКОСТЕННЫХ ДИСКОВ ПОСЛЕ УПРОЧНЕНИЯ МЕТОДОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

© 2006 С.А. Букатый, А.П. Кондратов, А.С. Букатый

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьёва, ОАО «Научно-производственное объединение «Сатурн», г. Рыбинск

Рассматривается метод прогнозирования технологических остаточных деформаций тонкостенных дисков после поверхностного упрочнения, основанный на упругом сопряжении простых элементов, на которые можно расчленить диск. Действие остаточных напряжений приводится к эквивалентным нагрузкам, прикладываемым к этим элементам. Показано, что данный подход позволяет решить проблему определения оптимальных режимов упрочнения маложестких деталей, относящихся к классу «тонкостенный диск».

Для обеспечения надежности и циклической долговечности деталей ГТД в настоящее время широко используются различные методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием (ППД). Однако, наряду с улучшением поверхности и повышением циклической прочности образующиеся в тонком поверхностном слое деталей остаточные напряжения (ОН) приводят к изменению их размеров и формы - технологическим остаточным деформациям (ТОД). Проблема обеспечения геометрической точности при поверхностном упрочнении особенно акту -альна для тонкостенных дисков компрессора из титановых сплавов, подверженных значительным ТОД.

Оптимальные режимы упрочнения должны обеспечить не только повышение прочности, но и геометрическую точность дисков. Для решения этой проблемы необходимо установить зависимость ТОД дисков от величины остаточных напряжений. Данная задача решается путем упругого сопряжения простых элементов - колец и кольцевой пластины, на которые можно условно расчленить диск (рис.1). При этом каждый из элементов испытывает собственные ТОД от действия ОН. После упрочнения дробеструйными способами ОН изменяются только по толщине поверхностного слоя, т. е. являются осесимметричными.

Тогда для колец имеем

ав (£),&, (£),?& (X) = 0 и для кольцевой пластины &в(%),&г(£),?&(X) = 0. Для колец действие ОН приводится к следующим нагрузкам:

а

N = £ | (ав уі&ь,

£ 0

а

М = { |у(ав-т<У*)X,

£ 0

а

МУ = І | х(ав - ц®* №&>.

£ 0

Кольцевую пластину рассматриваем как шарнирно опертую, нагруженную по торцевым поверхностям распределенными эквивалентными нагрузками, приведенными к срединной поверхности. При двухсторонней обработке эти нагрузки имеют вид: а а

р=-|(ст ¡(ъ -т%), <%,

г к р к

м=¡(ег -м$ХЬ -XX-¡(ъ -тХЬ -№■ 0 0 Неизвестные силовые факторы X; найдем из условий упругого сопряжения элементов диска:

0

при г = г и 1 = Vе, в1 = вв;

А в к1 п 7 к1 П ~

при г = Гр ик2 = ип, в* =вр .

Эти условия дают две независимые системы, каждая из которых состоит из двух ур авнений:

и; - і-к

0 -к-Х,

X + Р

а-

Хз + Р.

Е-к Е к ’ (Гі2-( Хі + М) -Г - (X4 + М)) - с+і- (Хі - Х4);

К1

иК2 - g -к =

Х + Р

Е к

а-

Е к

-вК2 + П ' Х4 = (Г12'(Х1 + М) -

-Г22-(Х4 + М)) • с+г-(X -X4).

Радиальные смещения и и угловые перемещения в элементов диска имеют вид:

ик 1 = и*1 -з-к,; ик2 = к2 -ё-кз;

X 2 + Р Хз + Р

и =—2----------а

Е-к

Е - к

0 1 =0*1 -к-Хі; 0К2 = 0 -п-Х4;

0п = (г12 - (Х1 + М ) - Г22 -(Х4 + М ))- с +

+ і-(Хі -Х4).

Радиальные и угловые деформации колец от действия остаточных напряжений без у чета фактор ов у пру гого сопряжения:

Г) * а

- КК1

и

К1

Е - РК1 0 0

)йПй&;

I.,

вК1 = ЯК 1(зіп(а) +------соэ (а)) -АКиК

1 х

1у

-(еоз(а) —2у - Біп(а)) -АКук 1;

1 у

__ ТУ в а

и* = ЛК 2

К 2

-Я (ав-т-®в )ЛпЛв;

К 2 0 0

в*К1 = Як2 (эт(а) + - соБ(а)) - АКиК

^ х

I

- (соэ(а) -~у~ - зіп(а)) - АКук2,

где изменение кривизны колец:

1 в а

АКиК 1 = ——— - І І и (ов - т - ® )ЛпЛв;

Е - IУ 0 0

АКу

-1

К1

Е-1

в а

І І у(ав -р-0,) ЛпЛв;

АКи

и 0 0

1 в а

К 2

АКук 2 =

Е- Iу 0 0

__ 1 в а

І І и (ав - т - ®) ЛпЛв;

Е-1,

І І у(ов - т® )ЛпЛв.

1и 0 0

Моменты, действующие на кольцевую пластину:

Мга = Х4 + М ; М„ = Х1 + М .

Тогда прогиб кольцевой пластины найдем на основании [1]:

Ж =-

где С,

- С2 -1п(-) + С3,

2-( Г12 -МгЬ - Г22- М а )

(1 +У)- В- (г12 - г22) '

С = Г2 'Г2 -(МЛ - Мга ) С = С1 'Г'

2 (1 -у)- В- (Г12 - Г22), 3 4

При решении системы уравнений использовались следующие константы, зависящие от параметров диска:

а-

- г

г2 - г2

1 2

г.

-(1 - п + 2- - (1 +п)),

г

2

К

г2 - г

Ь = 22 2 -(1 -п + -^-(1 + п)), 2 - 2 2

12

с =■

(1 +п)-В-(г2 -г22)’

22 г • г '2 '1

(1 - п) - В - (г - г2) - г

і =

g =

Е-¥К

и К 2 ;В = , Е-к2

------- 5 п = ■

Е-^ Е-К, 12 - (1 -п)

К 2 К2

В результате решения системы уравнений были получены следующие выражения для силовых факторов Х;:

г

2

г

ів**2 + в*, і + 2 ісг 12 М - 2 ісг 22 М + п в*КІ + псг 12 М + сг ¡6*^ - псг 22М - в*кг сг 22 кі + кп + іп - сг 12 п - 2 ісг 12 + кст 22 + 2 ісг 22

X.

%Е1%и Кі - аР% + Ьи - Ьи Кі + ЬР% jEhg - ]Ь + а% ]Еки 12 - ]аР + ]ЬР + аи ¡2 - и;,а jEhg - jЬ + а^

X 4 =

в;,сг,2 - сг,в

К 2 + к 6 К 2 + івК*2 + в;,і

+ ксг ,2М - ксг 22М + 2 ісг ,2М - 2ісг 2М

кі + кп + іп

сг п

Определив X; , можно, используя известные зависимости, определить необходимые деформации диска: изменение

диаметра, прогибы и угловые перемещения в зависимости от координаты г . Кроме того, полученное решение позволяет определять условия, при которых после упрочнения может наступить явление потери устойчивости полотна диска, так называемые “хлопу -ны”.

Аналогичный подход был использован при рассмотрении таких сложных деталей, как вал трансмиссии с толщиной полотна диафрагмы Ь=0,85 мм (рис.2). Расчетная схема вала и граничные условия сопряжения его элементов показаны на рис. 3.

Рис. 2 Вал трансмиссии В силу большого объема решение этой задачи здесь не приводится.

Экспериментальные исследования показали, что при точении в полотне возника-

- 2 ¡сг 1 + ксг 2 + 2 гсг 2

ют как сжимающие, так и растягивающие остаточные напряжения, имеющие большое рассеяние: от - 470 до + 230 МПа. При этом с разных сторон полотна диафрагмы ОН су -щественно отличаются по величине, что приводит не только к снижению циклической прочности, но и к значительным деформациям - прогибам диафрагмы до 1,5 мм.

Следует отметить, что в силу тонко-стенности полотна диафрагмы отношение толщины поверхностных наклепанных слоев к толщине полотна составляют 2а/к>0,2. Поэтому при определении ОН следует использовать не только основную, но и дополнительные составляющие, учитывающие разгрузку образцов при вырезке из детали, а также влияние стравленных слоев образца.

Для повышения циклической прочности диафрагмы применяли упрочнение микрошариками диаметром 0 = 0,1 - 0,25 мм при давлении воздуха Рвозд =1,0 атм. В результате обработки в диафрагме возникают ОН в пределах от - 290 до -510 МПа с глубиной залегания до а = 0,15 мм. Но предел выносливости диафрагмы остался на прежнем уровне: & = 380 МПа.

Упрочнение гидродробеструйным способом сопровождается увеличением глубины залегания ОН, что приводит к росту деформаций полотна и появлению существенных подслойных растягивающих ОН, понижающих сопротивление усталости.

Пр именен ие элек тр ополир ов ания после точения несколько уменьшает растягивающие ОН, но приводит к растравливанию поверхностного слоя на глубину до 12 мкм.

Рис. 3 Расчетная схема вала трансмиссии ГТУ и условия упругого сопряжения элементов вала

Последующее упрочнение микрошариками на указанном выше режиме не приводит к существенному увеличению предела выносливости. Полировка полотна войлочным кругом позволила увеличить предел

выносливости до & = 460 МПа, но последующее упрочнение микрошариками не привело к повышению предела выносливости. Необходимое увеличение ОН за счет повышения давления воздуха при упрочнении может привести к увеличению ТОД полотна диафрагмы. При этом экспериментальное исследование ТОД в зависимости от режимов упрочнения и величины ОН является трудоемкой и дорогостоящей операцией, требующей изготовления опытных деталей.

Для уменьшения деформаций диафрагм нужно обеспечить одинаковый с обеих сторон минимальный уровень ОН, что противоречит необходимости повышения циклической прочности, для обеспечения

которой требуется увеличение сжимающих ОН. Однако, вследствие малости толщины к полотна диафрагмы, увеличение сжимающих ОН приводит к увеличению подслой-ных растягивающих ОН, понижающих предел выносливости. Поэтому данная проблема выходит за рамки технологической инженерной задачи и относится к научным, не решенным до настоящего времени проблемам упрочнения тонкостенных дисков. Это отражено в протоколе Международного н.-т. семинара «Прогрессивные технологии для создания ГТД нового поколения» (Москва, 3-4 сентября 2003 г).

Расчетный метод прогнозирования ТОД позволяет в сжатые сроки провести численное моделирование различных вариантов соотношения величины и глубины залегания ОН и подобрать необходимые р ежимы упрочнения. Для этого необходимо предварительно установить зависимость предела выносливости материала детали от величины остаточных напряжений, а затем

исследовать различные способы упрочнения и установить связь ОН с параметрами режимов упрочнения. Необходимые способ и параметры режимов упрочнения можно получить путем решения оптимизационной задачи.

Список литературы

1. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 1. Под ред. И. А. Биргера и Я.Г. Пановко. -М.: Машиностроение, 1968. - 831с.

PROGNOSTICATION OF THE TECHNOLOGICAL RESIDUAL DEFORMATIONS OF SLIM DISKS AFTER STRENGTHENING BY MEANS OF SUPERFICIAL PLASTIC STRAINING

© 2006 S.A. Bukaty, AP. Kondratov, A.S.Bukaty

The method is designed for the technological residual deformations prognostication of slim disks after superficial strengthening. This method is based on elastic coupling of simple elements. The elements are the result of slim disk segmentation. Reaction of residual tensions adduced as equivalent strains, which are applied to simple elements. This method solve the problem ofoptimum regime strengthening for small-hard details from the type «slim disk».