close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Автоматизированная система оценки несущей способности поверхностного слоя деталей авиакосмической техники..pdf

код для вставкиСкачать
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
УДК 621.81:539.4; 621.01:539.4
Автоматизированная система оценки несущей способности
поверхностного слоя деталей авиакосмической техники
Виктория Викторовна Курицына, к.т.н., доцент, каф. «Технология производства двигателей
летательных аппаратов», e-mail: kuritzyna@rambler.ru
Михаил Валерьевич Грачев, аспирант, ассистент каф. «Технология производства двигателей
летательных аппаратов»
ФГБОУ ВПО «МАТИ» – Российский государственный технологический университет
им. К.Э. Циолковского, Москва
Предложена методика реализации оценки качества рабочих поверхностей ответственных деталей техники по параметрам
несущей способности; представлен программно-аппаратный комплекс автоматизированной системы диагностики физикомеханических характеристик поверхностного слоя на основе анализа диаграммы вдавливания, в ходе которого учитываются
эффекты специальных методов технологического воздействия, таких как поверхностно-пластическое деформирование, нанесение жаростойких и износостойких покрытий, электро-искровое легирование, термообработка, а также комбинированных
технологий модификации поверхностей; показано, что данная методика позволяет повысить надежность функционирования
и ресурс авиационных агрегатов и изделий.
The article offers methodology of quality assessment for functional surfaces of critical parts of equipment in surface loading capacity
parameters. The authors present a hardware-software complex of computer-aided troubleshooting for physical-mechanical characteristics of surface layer, basing on analysis of indentation diagram, which takes into account effects of specific methods of technological
influence, such as plasto-elastic deformation, adding high-temperature and wear-resistant coatings, electro-spark alloying, heat
treatment, as well as combined technologies of surface modification. The authors show that the methodology allows increasing operational reliability and resources of aviation units and items.
Ключевые слова: поверхностный слой, методы технологического воздействия, упруго-пластическое деформирование.
Keywords: surface layer, methods of technological impact, plasto-elastic deformation.
Введение
При эксплуатации ответственных деталей высоконагруженных узлов изделий современной авиакосмической техники предъявляются предельно
высокие требования к физико-механическим характеристикам поверхностного слоя рабочих поверхностей деталей, поскольку они оказывают
решающее влияние на надежность и долговечность узлов и изделий в целом.
Современные тенденции в развитии авиационной техники и технологии направлены на получение заданных физико-механических параметров
поверхностного слоя с учетом условий эксплуатации деталей. При этом актуальными являются задачи повышения износостойкости, усталостной
прочности, фреттингостойкости, коррозионной
стойкости и т.п. Правильное их решение основано
не только на обоснованном выборе режимов и методов технологического воздействия (нанесение
покрытий, химико-термическая обработка и т.д.),
но и возможностях достоверной оценки и прогнозирования результатов такого воздействия.
Эффективность комбинированной поверхностной модификации связана с большим числом
факторов, которые в большей или меньшей степе44
ни определяют характер процессов в зоне контакта
и способствуют формированию поверхностных
слоев с теми или иными параметрами качества.
Металлографические исследования показывают,
что структура поверхностного слоя в процессе модификации претерпевает значительные изменения.
В тонком поверхностном слое образуется определенная текстура. Анализ распределения микротвердости по толщине образца показывает, что
степень упрочнения поверхностного слоя существенно выше, чем более глубоких слоев металла.
Металл получает значительное упрочнение на малых глубинах 0,1…0,5 мм.
В процессе эксплуатации приповерхностные
объемы материала испытывают наибольшие нагрузки, воспринимают контактное воздействие от
сопряженных деталей и потоков частиц, а также
непосредственно взаимодействуют с внешней средой, поэтому структурно-фазовое состояние, химический состав поверхностного слоя и его микрогеометрия определяют работоспособность и ресурс многих ответственных деталей. Несущая способность поверхностного слоя – комплексное понятие, характеризующее сопротивление поверхности и приповерхностных объемов материала
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
Автоматизированная система оценки несущей способности поверхностного слоя деталей…
внешним факторам. Например, для оценки несущей способности при контактном нагружении
требуется определить сопротивляемость поверхностного слоя статическим и динамическим воздействиям, усталостным процессам, абразивному
разрушению и схватыванию. Исходными материалами при этом служат данные о твердости, шероховатости, толщине упрочненного слоя, уровне и
знаке остаточных напряжений, свойствах материала сопряженной детали. Процессы, протекающие в поверхностном слое при эксплуатации, зависят от его состояния, полученного при технологической обработке.
Все это приводит к тому, что на практике определение оптимальных параметров состояния поверхностного слоя производится на основе испытаний в
условиях, приближенных к эксплуатационным.
В целях адекватной оценки несущей способности поверхностного слоя таких деталей и прогнозирования качества их функционирования разработан программно-аппаратный комплекс автоматизированной
системы
диагностики
физикомеханических характеристик рабочих поверхностей, в котором учитываются такие методы технологического воздействия, как нанесение жаростойких и износостойких покрытий, поверхностнопластическое деформирование, электро-искровое
легирование, термообработка и другие, в том числе
и комбинированные, технологии модификации поверхностей.
Традиционными методами определения механических свойств материалов являются испытания
на растяжение, сжатие, оценка твердости и микротвердости и т. п. Определенный интерес представляет метод, основанный на непрерывной регистрации
нагрузки и глубины внедрения индентора в испытуемый образец.
Аналитические зависимости оценки
физико-механических характеристик
поверхностного слоя
Для выявления особенностей процесса обработки
деталей из указанного материала была произведена
оценка сопротивления поверхностного слоя упругопластическому деформированию. Такая оценка
осуществлялась с помощью использования диаграммы вдавливания сферического индентора
(рис. 1) в исследуемый материал при непрерывной
регистрации нормальной нагрузки P и глубины
внедрения (погружения) h.
Рис. 1. Типовая диаграмма вдавливания сферического индентора в координатах «нагрузка на индентор – глубина погружения (отпечатка)»
Короткий начальный участок диаграммы 0–1
характеризуется полностью упругой деформацией.
Упруго-пластический участок нагружения 1–2
описывается следующей зависимостью:
Pi = a ( hΣi о− hΣyi ) + Py ,
n
где h Σi – текущая глубина внедрения индентора
при нагружении; P i – текущая сила вдавливания
индентора (нормальная нагрузка на поверхность);
n – показатель степени, учитывающий упрочнение
материала; a – коэффициент, зависящий от физико-механических свойств материала и размеров
индентора.
В ходе процесса разгружения (см. участок
3–4) происходит релаксация энергии. Для этого
участка кривой справедливо выражение
=
Pi b j ( hpi − hoj ) ,
m
где b j – коэффициент, зависящий от физикомеханических свойств материала и размеров индентора; h рi – текущее значение глубины внедрения при
разгружении; h оj – остаточная глубина внедрения,
соответствующая конечной (j-й) точке при нагружении; m – показатель степени, учитывающий упрочнение материала.
Константы a и n определяются по формулам [3]
N −1
lg Pi +1 − lg Pi
1
, a= 1
n=
N
N − 1 i =1 lg hΣ( i +1) − lg hΣ( i )
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
∑
N
∑h
i =1
Pi
n
Σi
,
45
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
где N – число точек на соответствующих кривых,
взятых для расчета; (для вычисления b и m – формулы аналогичны).
Построение диаграммы вдавливания дает
корректную методику определения модуля упругости хрупких и твердых материалов, в данном
случае покрытий. Из-за их хрупкости затруднено
определение физико-механических характеристик
статическими методами.
Используя приведенные соотношения геометрических характеристик отпечатка и физикомеханических характеристик контактирующих материалов, а также принимая для алмазного индентора E и = 9⋅105 МПа, можно найти модуль упругости (модуль Юнга) поверхностного слоя:
E=
(1 − μ 2 )mPj
2 2 RhΣj (hΣj − hoj ) − e1mPj
,
где e1 – упругая константа индентора,
e1и
= (1 −и µ 2 ) E .
Средние контактные давления при нагружении и разгружении зависят от величины площади
контакта индентора с поверхностью при нагружении (A кн ) и разгружении (A кр ) и вычисляются по
следующим формулам:
Pi
a n −1
=
qнΣi =
hi ,
2
AπR
кн
bj
hΣj
Pi
(hрi - hоj ) m-1 .
=
qрi =
2
AπR
h
h
−
крΣо
j
j
Величину контактных давлений целесообразно рассматривать в зависимости от степени деформации в отпечатке ε, которая, в отличие от конуса и пирамиды, при вдавливании сферического
индентора переменна из-за нарушения геометрического подобия лунки.
Кроме того, степень деформации для сравнительной оценки удобна тем, что она безразмерна.
Степень деформации определяется при нагружении и разгружении следующим образом:
hрi
1 hΣi
, εрi =
.
εнi ≈
2 2R
2 2 RhΣj − hΣ2j
Программное обеспечение обработки
экспериментальных данных
Для обработки диаграммы вдавливания сферического индентора была разработана программа, которая позволяет рассчитать основные показатели,
характеризующие качество поверхностного слоя.
46
Запись диаграммы вдавливания сферического
индентора производилась на специальной установке с использованием среды LabVIEW и последующей математической обработкой диаграммы
вдавливания и расчетом основных показателей качества поверхностного слоя деталей (модуль упругости, величина контактных давлений и деформаций, работ деформаций и т.п.). Оконный интерфейс модуля расчета параметров, реализованный
инструментальными средствами Visual Basic,
представлен на рис. 2.
В программе предусматривается несколько
способов ввода исходных данных для расчета:
● в виде таблицы;
● в виде текстового файла;
● интерактивный ввод пользователем.
Интерактивный ввод предусматривает ввод
данных в окне расчета параметров. Пользователь
должен задать число точек и вручную ввести данные в таблицу (под заголовком «Точки»). Ввод остальных данных, таких как характеристики материала образца, осуществляется через столбец слева. Расчет, независимо от метода ввода, осуществляется при нажатии на кнопку «Расчет». Если ввод
данных осуществлялся путем считывания данных
из таблицы или из текстового файла, то заполнение полей о материале образца, коэффициентах
Пуассона, радиусе сферы индентора, модуле упругости, остаточном внедрении, а также примечание
осуществляются автоматически. Также происходит автоматическое заполнение таблицы «Точки».
Результаты расчета основных параметров сразу
заносятся в поля программы B, E, D, n, m, r, a, b, c
(см. рис. 2).
В программе реализована возможность работы с диалоговыми окнами, что позволяет быстро
выбрать необходимый файл для считывания или
сохранения полученных результатов. Обмен данными между модулями программы, реализованными в среде Visual Basic и LabVIEW, осуществлен через стандартные текстовые и табличные
форматы представления данных. LabVIEW обладает возможностью записи данных как в текстовом, так и в табличном формате (csv, xls). Разработанный модуль позволяет считывать данные в
обоих форматах. Табличный формат обладает
большим удобством для представления данных по
сравнению с текстовым.
Одним из преимуществ использования отдельного модуля обработки данных, выполненного в интегрированной среде программирования
Visual Basic, перед инструментальными средства-
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
Рис. 2. Интерфейс программного модуля
Автоматизированная система оценки несущей способности поверхностного слоя деталей…
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
47
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ПРОЦЕССЫ
Параметры поверхностного слоя для образцов из титанового сплава с различными покрытиями
1
Ag
0,02
0,12
0,12
8,74
16,91
32,57
1,23
1,29
0,99
2260
4
Cu
0,03
0,13
0,11
6,37
14,99
24,03
1,30
1,32
1,09
2090
5
W
0,04
0,14
0,10
5,78
15,84
22,03
1,34
1,30
1,14
2069
7
Ni
0,02
0,13
0,11
7,29
17,19
27,83
1,27
1,27
1,04
2155
9
Cr
0,02
0,13
0,11
7,29
16,05
28,30
1,27
1,29
1,04
2155
ми LabView является возможность получения
комплектов исходных измерительных данных
средствами различных контрольно-измерительных
систем, а не только формата LabVIEW, например,
пакета имитационного моделирования Matlab
Simulink и других специализированных продуктов
и решений. Также немаловажным является возможность компиляции авторского программного
решения в законченное независимое исполняемое
программное приложение, пригодное к регистрации интеллектуальной собственности и коммерческого предложения.
Кроме того, в программу введен расчет параметров поверхностного слоя для случая, когда в
качестве индентора выступает не сфера, а конус.
При этом учитывается такой параметр, как радиус
при вершине конуса.
Отличительной особенностью данной программы является расчет параметров несущей способности поверхностного слоя для различных радиусов инденторов, что позволяет не проводить повторных испытания для той же гаммы материалов.
11
Ta
0,02
0,13
0,11
8,37
13,86
32,93
1,23
1,36
0,98
2189
13
Al
0,02
0,12
0,11
8,63
16,02
33,30
1,23
1,30
0,99
2260
48
18
Nb
0,04
0,13
0,12
5,26
13,67
17,39
1,36
1,40
1,20
2059
20
Zr
0,03
0,12
0,11
6,98
16,46
26,10
1,29
1,30
1,07
2166
Ti
Ti
0,01
0,12
0,12
10,35
15,69
37,42
1,18
1,31
0,94
2260
q = Bε C .
где C – константа, характеризующая сплошность
деформируемого материала.
После нанесения покры тий
0,13
0,12
0,12
0,11
0,11
0,10
0,10
0,09
Ag
Cu
W
Ni
Cr
Ta
Al
ВК6М
Nb
Zr
Ti
Материал покры тия
Рис. 3. Результаты расчета модуля Юнга
Контактны е давления
2300
2250
2200
q, Мпа
Апробация программного комплекса
Для оценки свойств поверхностного слоя были
проведены опыты по вдавливанию сферического
индентора с записью диаграммы нагружения и с
последующим расчетом контактных напряжений,
удельных работ деформации и модуля упругости.
В работе были исследованы образцы из титанового сплава ВТ3-1 с различными покрытиями
(Ag, Cu, W, Ni, Cr, Ta, Al, ВК6М, Nb, Zr, Ti), которые наносились методом электроискрового легирования. В качестве дополнительного технологического воздействия осуществлялась термообработка в печи при температуре 700°С с изотермической выдержкой в течение 3 ч. Вторая группа образцов подвергалась термообработке в вакуумной
печи при температуре 700°С в течение 3 ч.
15
ВК6М
0,01
0,13
0,10
9,14
19,16
35,26
1,21
1,20
0,96
2248
Пример расчета параметров поверхностного
слоя для образцов из титанового сплава с различными покрытиями представлен в таблице, а результаты расчета модуля Юнга – на рис. 3.
Контактные давления (рис. 4) при степени
деформации ε = 0,01 рассчитывались по следующей зависимости:
6
E, x10 МПа
№
Материал
B
D
E, ×106 МПа
a
b
c
n
m
r
q, МПа
2150
2100
2050
2000
1950
Ag
Cu
W
Ni
Cr
Ta
Al
ВК6М
Nb
Zr
Ti
Материал пок ры тия
Рис. 4. Результаты расчета контактных давлений после нанесения покрытий
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
Автоматизированная система оценки несущей способности поверхностного слоя деталей…
Испытания показали, что нанесение покрытий и дальнейшее термическое воздействие неоднозначно влияют на изменение несущей способности поверхностного слоя. Если нанесение Ag, Al
и металлокерамической композиции ВК6М практически не приводит к изменению величины контактных давлений при степени деформации в 1%,
то для других материалов можно отметить снижение рассматриваемой величины. Термообработка
на воздухе выявляет преимущества для Ta и Al.
При вакуумной термообработке влияние покрытий
в известной доле нивелируется.
Аналогичная тенденция наблюдается и для
полученных значений модуля Юнга, но только в
случае отсутствия термического воздействия.
Термообработка в рассмотренных средах нивелирует оцениваемый показатель.
Можно отметить, что рассматриваемые технологические мероприятия неоднозначно влияют
на состояние поверхностного слоя, а предлагаемая
методика позволяет оперативно проводить эффективную оценку комбинированной обработки и
вводить коррекции в режимы и методы обеспечения требуемого уровня несущей способности поверхности.
Таким образом, определение комплексного показателя качества по критериям несущей способности
поверхностей деталей и заготовок позволяет следующее:
●
назначать оптимальные режимы формообразования и модификации поверхностей заготовок
на промежуточных стадиях технологического
процесса изготовления;
●
проводить сравнительную оценку эффективности методов технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей, обработанных разными способами;
●
прогнозировать эксплуатационные характеристики готовых деталей ответственных узлов
наукоемкой техники;
●
проводить экспресс-оценку поверхностей рабочих поверхностей деталей в процессе эксплуатации в рамках технического обслуживания и
диагностики.
На базе таких испытаний удобно оптимизировать условия и технологические режимы упрочнения, целенаправленно добиваясь тех или иных эксплуатационных свойств деталей и определять критические параметры несущей способности, пригодные для прогнозирования работоспособности и ресурса. Такой подход позволяет получать объективную информацию об эффективности технологических мероприятий по поверхностному упрочнению.
ЛИТЕРАТУРА
1.
1.
2.
3.
4.
5.
Хворостухин Л. А., Шишкин С. В., Ковалев А. П., Ишмаков Р. А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. М.: Машиностроение.
1988.
Булычев С. И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение. 1990.
Григорович В. К. Твердость и микротвердость металлов.
М.: Наука. 1976.
Ковалев А. П. Оценка несущей способности поверхностного слоя деталей вдавливанием сферического индентора
// Технология машиностроения. 2007. № 9. С. 50 – 53.
Глушаков С. В., Клевцов А. Л. Visual Basic .NET 2008. М.:
АСТ. 2008.
Троелсен Э. VisualBasic 2005 и платформа .NET 2.0.
СПб.: Питер. 2008.
Электротехнические и информационные комплексы и системы № 2, т. 8, 2012 г.
Поступила 09.04.2012 г.
49
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа