автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.04, диссертация на тему:Повышение эффективности технологического процесса виброупрочнения деталей ЛА по критерию долговечности

^ ......и.

Московский государственный авиационный институт

(технический университет)

Бойцов Василий Борисович

Повышение эффективности технологического процесса виброупрочнения деталей ЛА по критерию долговечности и надежности

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.07.04 "Технология производства летательных аппаратов"

УДК: 629.735.33:

На правах рукописи

Москва 1999

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВИБРОУПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЛА ПО КРИТЕРИЮ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................ 3

ГЛАВА I. ОБЗОР МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ........................................................................................................................................................................................................7

1.1. Анализ конструкций деталей ЛА..............................................................................................................................7

1.2. Классификация методов поверхностного упрочнения и их характеристики......................................................................................................................................................................................................................8

1.3. Постановка задачи исследований................................................................................................................................15

ГЛАВА И. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВИБРОУДАРНОГО УПРОЧНЕНИЯ..................... 22

2.1. Постановка задачи....................................................................................... 22

2.2. Расчетная схема, конечно-элементная модель............................................ 23

ГЛАВА III. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ..................................31

3.1. Требования предъявляемые при изготовлении образцов для проведения усталостных испытаний............................................................................................................................................................31

3.2. Испытательное оборудование используемое в экспериментальных исследованиях..........................................................................................................................................................................................32

3.3. Системы слежения за развитием усталостных трещин............................................................37

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ВИБРОУПРОЧНЕНИЯ............................. 45

4.1. Влияние режимов виброупрочнения на долговечность образцов из стали 30ХГСН2А................................................................................................... 45

4.2. Влияние виброупрочнения на долговечность образцов, имеющих технологическую наследственность............................................................ 49

4.3. Обеспечение долговечности алюминиевых литейных сплавов и литейной стали методами виброупрочнения............................................................... 64

ГЛАВА V. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИБРОУПРОЧНЕНИЯ НА ЗАРОЖДЕНИЕ И

РОСТ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН.............................................................. 84

5.1. Закономерности зарождения и развития усталостных трещин в вибрупрочненной стали 30ХГСН2А испытанной на консольный изгиб............................................................................................................ 84

5.2. Влияние режимов виброупрочняющей обработки на развитие усталостных трещин в компактных образцах............................................. 101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ.............................................. 108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................. НО

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения надежности и долговечности машин наряду со снижением металлоемкости конструкций является одной из важнейших задач машиностроения.

Особенно остро эта проблема стоит перед авиационной техникой, где надежность и ресурс во многом определяются работоспособностью элементов конструкций. Поэтому одним из основных условий обеспечения высокого ресурса самолетов является предотвращение усталостных разрушений деталей. [1, 2, 3, 7, 9, 10, 32, 3£н-37, 46, 47, 51, 52, 64, 67, 69, 74, 77, 81, 86, 88*90, 94] Значительное место в этой проблеме занимают технологические методы.

Как известно, уровень повышения сопротивления усталости деталей за счет упрочнения методами ППД зависит от многих факторов и, прежде всего, от параметров технологического процесса обработки поверхности, материала детали, ее геометрии и размеров. В то же время свойства материала поверхностного слоя, сформированные в процессе ППД могут существенно изменяться под действием переменного нагружения, причем степень и интенсивность такого изменения определяется уровнем и характером внешнего нагружения. Поэтому решение задачи дальнейшего повышения ресурса деталей может быть найдено в повышении эффективности процессов поверхностного упрочнения за счет выявления параметров совершенствования технологий применительно к конкретным деталям и условиям их эксплуатации. Продление ресурса достигается своевременным применением процессов ППД для восстановления свойств поверхностного слоя материала в процессе эксплуатации и выработки части ресурса. При этом наибольший эффект возможен только при оптимальных параметрах разработанного технологического процесса поверхностного упрочнения, учитывающего не только свойства поверхностного слоя после ППД, но и технологическую наследственность деталей.

Таким образом, для разработки высокоэффективных процессов ППД необходим комплексный подход, включающий в себя широкий круг исследований, важнейшим из которых является изучение состояния поверхностного слоя материала, сформированного, как в процессе поверхностного упрочнения, так и в результате предшествующих технологических операций.

Внедрение в производство новых технологий, как правило связано продолжительными дорогостоящими экспериментальными

исследованиями. Поэтому в диссертации большое внимание уделено совершенствованию и использованию новых численных методов оценки эффективности технологических режимов процесса поверхностно -пластического деформирования.

Отсюда вытекает актуальность работы, посвященной параметрическому изучению на основе численных методов напряженно-деформированного состояния поверхностно упрочненного слоя металла и на основе этих исследований выбору эффективных технологических режимов виброупрочняющей обработки, с последующей экспериментальной проверкой, и доработкой. Таким образом, в работе предлагается экспериментально - аналитический метод отработки эффективности технологического процесса.

Объектом исследований выбраны литые детали и панели ЛА, изготовленные из высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, а также детали из стали ЗОХГСН2А.

Работа выполнена в Московском авиационном институте (техническом университете), Челябинском техническом университете, виброупрочнение исследуемых образцов и моделей проводилось на экспериментальных установках НИИ АСПК (г. Воронеж). Результаты экспериментальных и теоретических исследований внедрены а НИИ АСПК (г. Воронеж).

В первой главе работы приведена классификация деталей ЛА по элементам и по методам их упрочнения. Рассмотрены методы упрочнения панелей, литых деталей, обшивок, стрингеров, лонжеронов, нервюр, шпангоутов, балок, монорельс, цилиндров, штоков, корпусов цапф и деталей шасси используемых в настоящее время в авиационной промышленности.

Отмечено, что значительная роль в обеспечении высокого ресурса авиационных конструкций, отводится технологическим методам поверхностно - пластического деформирования.

В результате анализа традиционных и новых методов упрочнения, был выбран метод виброупрочняющей обработки, и обоснована целесообразность дельнейшего его совершенствования.

Сформулирована цель работы и определен, ы задачи, решение

которых необходимо для достижения поставленной дели.

Во второй главе рассматривается построение модели процесса виброударного упрочнения. Предполагается, что остаточные напряжения в детали формируются в результате последовательных ударов упругих шариков дроби по поверхности детали из упруго - пластического материала. Деталь полагается большой (бесконечной); удары невзаимодействующими (каждый удар наносится после того, как волна напряжений в детали от предыдущего удара затухает). Условные характеристики приняты следующими: диаметр шарика 3-5 мм, модуль упругости материала 2-105 МПа, предел текучести материала детали 1200 МПа.

Для описания материала была выбрана модель с линейным и кинематическим упрочнением. Модуль упрочнения принимался 105 МПа.

Процесс соударения дроби с деталью моделировался с помощью метода конечных элементов.

В результате расчетов было выявлено, что наиболее эффективное распределение остаточных напряжений получено при диаметре дроби - 4 мм, скорости дроби - 30 м/с, числа соударений с элементарной площадкой - 4, 5 раз.

В третьей главе рассматривается методика проведения усталостных испытаний, требования, предъявляемые к образцам и испытательному оборудованию, описаны две автоматизированные системы оценки долговечности и трещиностойкости.

При изготовлении стандартных и специальных образцов использовался ГОСТ 25.502-79, который регламентирует геометрию, размер, технологию отбора и изготовления образцов.

Для проведения усталостных испытаний использовались электро резонансная установка ЭД-100М, разработанная в МАИ и универсальная электро гидравлическая испытательная машина фирмы МТБ, управляемая ЭВМ.

Для слежения за развитием усталостной трещины, была использована автоматизированная система, основанная на приборе «Сервотест». Для измерения длины усталостной трещины использовался потенциометрический метод измерения.

Вторая система слежения основана на изменении частоты колебаний образца, изменяющейся при накоплении в образце

повреждений, возникновении и росте трещины.

Виброупрочнение образцов и моделей проводилось на установке ЭВУ-2 и ВУД-830.

В четвертой главе оценено влияние режимов виброупрочнения полученных в результате теоретических исследований, на долговечность широкого спектра авиационных материалов, таких как сталь 30ХГСН2А, литейных алюминиевых сплавов АЛ8, А10, литейной стали 35ХГСЛ, а также высокопрочных алюминиевых сплавов Д16Т, ВЭЗТЗ, В95ПчТ2, АК6, АК4-1Т1.

Экспериментально выявлено, что виброупрочнение увеличивает долговечность стали 30ХГСН2А до 12,2 раз, алюминиевых литейных сплавов АЛ8, АЛ 19 до 4,2 раз, а стали 35ХГСЛ до 9,8 раз.

Исследование проведенное на высокопрочных алюминиевых сплавах В93ТЗ, В95ПчТ2, Д16Т, АК6, АК4-1Т1 показали, что виброупрочнение позволяет, в частности заменить трудоемкие слесарно -зачистные операции при изготовлении панелей и одновременно снизить требования к наличию ступеньки фрезерования. При этом обеспечиваются нормативные показатели по ресурсу этих элементов конструкции.

В пятой главе экспериментально исследовано влияние режимов виброупрочнения на развитие усталостных трещин на начальном этапе их роста и при наличии магистральной трещины в сталях ЗОХГСА, ЗОХГСН2А и в алюминиевом сплаве Д16АТ.

В результате исследований было выявлено, что виброупрочнение является эффективным средством торможения усталостных трещин на начальном этапе их роста.

ГЛАВА I.

ОБЗОР МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ

ДЕТАЛЕЙ ЛА

1.1 Анализ конструкции деталей ЛА.

В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал, подтверждающий, что долговечность изделий зависит не только от рациональной конструкции и качества материала, но и в значительной степени от технологических процессов, обуславливающий качество поверхностного слоя деталей.

Одним из технологических путей повышения долговечности ответственных изделий, на современном этапе, является поверхностное упрочнение деталей пластическим деформированием. [6, 8, 11, 16, 17, 19, 20, 22, 24, 30, 33, 39, 41, 44, 48+50, 58, 60+62, 65, 72, 73, 76+78, 87, 93]

Поверхностное упрочнение применяется для деталей узлов самолета из алюминиевых, стальных и титановых сплавов в целях повышения их ресурса и надежности. Поверхностное упрочнение служит созданию стабильных напряжений сжатия, наклепа ^созданию благоприятного микропрофиля поверхности, повышает выносливость детали по сравнению с механической обработкой в 2-4 раза и более. Поверхностное упрочнение частично или полностью снижает влияние на циклическую прочность деталей конструктивных концентратов напряжений, повышает стойкость в коррозионных средах. В большинстве случаев - чем выше исходная шероховатость поверхности, тем выше эффективность процесса упрочнения. Упрочнение алюминиевых и стальных сплавов с исходной шероховато-

Лг40 Кг 24

стью поверхности V - V повышает предел усталостной прочности на 30-

. 1,25 0.63

40%, с исходной шероховатостью V- V - на 15-17%. Отсюда следует вывод, что поверхностное упрочнение может частично заменить процесс ручного шлифования крупногабаритных деталей из сталей и алюминиевых сплавов после их точения и фрезерования. В Таблице 1.1 приведены данные циклической прочности деталей из стали 30 ХГСНА при различных методах обработки.

Предел уста- Статическая вы-

Методы обработки лости носливость

о-,, МПа (база Число циклов

107циклов) N МПа

Шлифование 620

Шлифование + упрочнение 710

Шлифование + хромирование 2700 1360

(образец гладкий)

Шлифование + упрочнение + 4600 1360

хромирование (образец глад-

кий)

1.2 Классификация методов поверхностного упрочнения и их характеристики.

Значительная роль в обеспечении высокого ресурса авиационных конструкций отводится технологическим методам поверхностного упрочнения. Внедрение в отечественную промышленность методов ППД позволило значительно увеличить долговечность ряда деталей авиационных конструкций, Однако упрочнение методами ППД не решило кардинально задачу обеспечения гарантированного ресурса силовых конструкций из высокопрочных материалов и предотвращения их усталостного разрушения.

В таблице 1.2 приведена классификация по конструктивно-технологическим параметрам деталей.

Таблица 1.2. Классификация деталей по элементам и методам их упрочнения.

Упрочнение деталей Методы упрочнения

Класс Характеристика Освоенный Перспективный

Панели С прямоугольными стрингерами Уда рно-бара ба нный (алюминиевые сплавы), габаритные размеры до 11x1,5м Дробеметный ударно-барабанный, габаритные размеры свыше 11x1,5 м

Панели С тавровыми стрингерами Виброшлифование, габаритные размеры Ударно-барабанный, габаритные размеры свы-

до 3,5x0,8 м ше 11x1,5 м

Обшивки Переменного сечения без ребер Дробеметный, ударно-барабанный, габаритные размеры свыше 11x1,5 м

Стрингеры, пояса, профили Постоянного сечения Пневмодинамический , ударно-барабанный, длина 11 м

Переменного сечения Ударно-барабанный, длина свыше 11 м

Лонжероны, нервюры, балки, шпангоуты, монорельсы, профили разъема С продольными, поперечными, наклонными и криволинейными ребрами Ударно-барабанный (алюминиевые сплавы), длина до 11м Виброупрочнение длина до 6 м. Виброшлифование длина до 3,5 м Ударно-барабанный, длина свыше 11м

Цилиндры, штоки, корпуса Близкие по форме к телу вращения П невмодинамически й, длина до 2,5 м, Виброупрочнение, длина до 3,5 м

Детали шасси, узлы, цапфы и т. Д. С поверхностями разного рода Виброупрочнение, обкатывание и раскатывание, длина до 1,5 м Вибрационная раскатка

Фрезерованные панели, литые детали С поверхностями разного рода Виброударное упрочнение

В таблице 1.3 приведена подробная классификация используемых в промышленности и экспериментальных методов ППД. Основное внимание уделялось: схеме обработки, режимам обработки, а также парамет-

^СОФС

а- шероховатость поверхности; <7жт-

величина остаточных напряжений, АНИС- увеличение твердости в зоне остаточных напряжений ДМ- увеличение долговечности деталей, Дск-увеличение предела усталости материала.

Из таблицы 1.2 и 1.3 видно, что широкое применение получили: виброударное упрочнение, ударно-барабанный, пневмодинамический, дробеструйный, обкатывание и раскатывание и алмазное выглаживание.

Введение технологических методов упрочнения ППД позволило

значительно увеличить долговечность многих силовых деталей авиационной техники, однако не решило кардинально проблему обеспечения требуемого уровня ресурса и надежности. Это связано в первую очередь с тем, что эффективность упрочнения ППД в части обеспечения предела выносливости, определяется особенностью применяемых материалов, технологий и конструкций авиационных деталей, условий их работы при эксплуатации. Учет влияния совокупности всех факторов при разработке технологического процесса крайне затруднителен. Следовательно, повышения эффективности упрочнения ППД можно добиться выбором оптимальных параметров технологического процесса, учитывающих большинство наиболее значимых факторов.

Виброударный метод упрочнения основан на использовании колебаний не связанных с друг другом частиц упрочняющего тела (стальных шариков или абразивных гранул) и обрабатываемой деталей [4, 15, 44, 49,89]. Упрочняющее тело и деталь помещаются в контейнер, находящийся в состоянии вибрации.

Виброударное упрочнение обладает рядом преимуществ: поверхность упрочняется не поэтапно, а вся одновременно: инструм