Проведенные исследования позволили назначить исходную шероховатость поверхности Rz = 20, которую в основном можно получить механической лезвийной обработкой без зачистки, что улучшает качество деталей, снижает трудоемкость и облегчает условия труда. Эффективность дробеударной обработки, проявляющаяся в снижении рассеяния усталостной долговечности, обеспечивает не только повышение срока службы конструкции, но и рост ее надежности или позволяет увеличить нагруженность ее в эксплуатации.

6.1 Дробеударное упрочнение сварного соединения из титанового сплава

Сварным соединениям из титановых сплавов свойственны, как соединениям из других металлов, внутренние, поверхностные и подповерхностные дефекты, в основном в виде пор. Дробеударное упрочнение сварных соединений будет эффективным, когда оно нейтрализует влияние дефектов, снижающих сопротивление усталости.

Для оценки этой возможности было исследовано сопротивление усталости сварного соединения из титанового сплава ВТ6ч, выполненного ЭЛС и АрДЭС в щелевую разделку плит толщиной 20 и 60 мм.

Из этих плит вырезались образцы для усталостных испытаний. Сравнивая долговечность малых и масштабных образцов, можно определить эффективность дробеударного упрочнения и понять механизм усталостного повреждения и упрочнения с учетом масштабного фактора и исходной структуры. Для сравнения сопротивление усталости сварных соединений и основного материала из тех же полуфабрикатов изготавливали цельные образцы, не отличающиеся геометрией сечений от сварных.

Малые образцы испытывали при повторном растяжении с уmax = 600 МПа, R = 0,1 и частотой 40 Гц, масштабные образцы - при отнулевом растяжении с уmax = 700 МПа и частотой 3--4 Гц. Малые образцы и часть масштабных образцов упрочняли стальной дробью диаметром 0,8--1,0 мм и интенсивностью 1,2 (прогиб контрольных образцов 1,2 мм на базе 1000 мм). Другую часть масштабных образцов упрочняли той же дробью, но при интенсивности 3,0 (прогиб 3 мм на базе 100 мм). Третью часть таких образцов упрочняли дробью диаметром 2,5 мм пневмодинамическим способом с интенсивностью 1,2.

Долговечность монолитных образцов, вырезанных из плит толщиной 60 мм, составляет 1,1- 105 циклов и значительно уступает долговечности таких же образцов, вырезанных из плиты толщиной 20 мм. Средняя долговечность сварных образцов составляет (0,7... 0,9) 105 циклов независимо от места их вырезки по толщине плиты. Рассеяние результатов (отношение Nmax/Nmin) достигает 30-кратного значения. Упрочнение дробью всех малых образцов повышает среднее значение долговечности в 4--5 раз при снижении рассеяния до 15 крат. Однако минимальные значения долговечности до и после упрочнения отличаются всего в 2 раза.

Исходная долговечность масштабных образцов показала близкую к свойствам малых образцов величину (0,7- 105 цикл.) при испытании на этом же уровне нагружения (уmax = 600 МПа). Однако после упрочнения монолитные образцы не разрушились после 5-105 цикл. Для их разрушения пришлось повысить уровень напряжений до уmax = МПа. Долговечность монолитных образцов повысилась в 4--5 раз независимо от интенсивности обработки и размера дроби (с 3- 104 до 3...17- 104 цикл.). Долговечность сварных образцов оказалась в полтора раза ниже, чем для монолитных. Механическая обработка зоны сварки после отжига повысила долговечность в 2,5 раза (до 5- 104 цикл.), что выше долговечности основного отожженного материала.

Упрочнение дробью Ш 0,8--1.0 мм с интенсивностью 3,0 повысило долговечность до 14-104 циклов без выпадов, с интенсивностью 1,2 -- до 17- 104 цикл., но с минимальным ее значением 6-104 цикл. с разрушением от подповерхностной поры. Упрочнение крупной дробью оказалось недостаточно эффективным (повышение долговечности составило -1,5 раза). Из этих результатов следует вывод, что основной материал можно упрочнять дробью при любых из исследованных условий, а сварное соединение -- только мелкой дробью с высокой интенсивностью обработки.

Поверхностные поры снижают долговечность в 5--15 раз по сравнению с бездефектной структурой, подповерхностные поры -- в меньшей степени (рис.9). Влияние сварочных пор на усталостную долговечность малых сварных образцов иллюстрируют следующие результаты испытаний:

Характеристика образцов Число циклов до разрушения

бездефектные структуры ................ 1,5-106

внутренние поры ……..................... 0,8- 106

подповерхностные поры.................. 0,25- 105

поверхностные поры….................... 1,8-105

без упрочнения……......................... 0,8- 105

с упрочнением…….......................... 3,6-105

Масштабные образцы после упрочнения с высокой интенсивностью обработки разрушались чаще всего вне зоны сварки. Имелись отдельные случаи разрушения от внутренней поры.

Эффективность упрочнения высокой интенсивности в зоне сварки объясняется подавлением влияния концентрации напряжений от подповерхностных пор остаточным сжатием. На рис. 10 представлены эпюры дробеударного упрочнения. Повышение интенсивности упрочнения с 1,2 до 3,0 увеличивает глубину распространения остаточного сжатия с 0,2 до 0,35 мм и примерно вдвое -- площадь эпюры.

6.2 ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПРОЧНЕНИЯ ДРОБЬЮ ТИТАНОВОГО СПЛАВА С АЛЬФИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

При загазованном хрупком поверхностном слое целью дробеударного упрочнения является торможение возникающих или имеющихся поверхностных трещин для того, чтобы полностью устранить их влияние. При этом одновременно удается повысить сопротивление усталости по сравнению со свойствами металла в исходном состоянии без такого слоя.

Схема торможения трещины заключается в том, что трещина, попадая в область значительных остаточных напряжений сжатия, останавливается в ней в связи с малостью параметра интенсивности напряжений, зависящего как от напряжений, возникающих от внешних нагрузок, так и от остаточного сжатия поверхностного слоя.

Образцы для проведения испытаний были приведены на рис. 4.14. Альфирование на круглых образцах с шероховатостью поверхности Rz = 6...10 мм создавалось отжигом на воздухе при температуре 650 оС в течение 30 мин (слой толщиной 15 мкм, превышение микротвердости 75 %) и при температуре 750 оС в течение 30 мин (слой толщиной 45 мкм, превышение микротвердости 95%). Эти образцы испытывались при повторном растяжении с коэффициентом асимметрии цикла R = 0,1 и максимальном напряжении уmax = 460 МПа.

Альфирование снижает долговечность более чем в 10 раз уже при превышении микротвердости на 25 %, а дробеударная обработка полностью ее восстанавливает. Ее эффективность при поверхностном загазованном слое на образцах существенно выше, чем без него; при такой же шероховатости поверхности долговечность после дробеударного упрочнения повысилась в 2,5 раза (но при более высоком уровне нагружения). Эффективность упрочнения дробью тем выше, чем оно интенсивнее, поскольку чем больше подповерхностные остаточные напряжения сжатия, тем сильнее торможение поверхностных трещин в альфированном слое, которые образуются при первых циклах нагружения или уже существуют в слое. При повреждении поверхностного слоя в виде альфирования ограничения по режимам упрочнения отсутствуют. Оптимальным можно считать режим, когда очаг усталостного разрушения будет находиться вне зоны нахождения дефектов. Это, как правило, режим максимальной интенсивности при обработке дробью Ш0,8-1,0 мм со скоростью ~ 30 м/с и сплошностью 95--100 %. Такие же выводы можно распространить и на упрочнение поверхности, на которой присутствуют прижоги от шлифования или зачистки. Ограничительным условием в этом случае является шероховатость поверхности после упрочнения.

В заключение следует отметить, что повышение дробеструйной обработкой сопротивления усталости титановых сплавов с альфированным слоем не является единственным способом устранения нежелательных последствий газонасыщения. В ряде работ показано, что частичное снятие альфированного слоя химическим травлением приводит к повышению сопротивления усталости по сравнению даже с образцами с полностью снятым альфированным слоем.

6.3 ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ ФАСОННОГО ЛИТЬЯ ИЗ СПЛАВА ВТ5Л И ШТАМПОВОК ИЗ СПЛАВА ВТ22

Отливки из сплава ВТ5Л и штамповки из сплава ВТ22, как правило, служат силовыми узлами крепления (фитинги, кронштейны), испытывающими значительные повторяющиеся нагрузки различной частоты. Большинство поверхностей деталей механической обработке не подвергаются; обрабатываются только привалочные плоскости, отверстия и плоскости ушковых соединений.

В связи с этим была оценена оптимальная технология обработки и упрочнения деталей, обеспечивающая их наилучшую работоспособность при повторных нагрузках. Исследование проводилось на образцах, эффективность технологии обработки которых проверялась испытанием на повторные нагрузки. Перед упрочнением определялось состояние поверхности деталей. Упрочнение ППД выполнялось методами виброударной и виброабразивной обработки. Критерием оптимальности для литья являлась долговечность при отнулевом растяжении с уmax = 0,7в, а также при чистом изгибе с уа = 0,6 ув. Образцы для испытания вырезались из качественных отливок. Вибрационная обработка производилась на двухкоординатных виброустановках по схеме свободного вращения.

При отсутствии механической обработки травление корки и вакуумный отжиг не влияют на малоцикловую выносливость, в то время как механическая обработка, удаляющая корку, повышает долговечность приблизительно в 2 раза. Виброшлифование по корке повышает долговечность приблизительно в 2 раза по сравнению с исходной величиной, что компенсирует снижение долговечности по сравнению с механической обработкой. Виброударное упрочнение дополнительно повышает долговечность еще на 50--100 %, в то время как в отсутствие виброшлифования оно малоэффективно. Поэтому виброшлифование литья перед виброударным упрочнением проводить следует обязательно. При механически обработанных поверхностях виброударное упрочнение в малоцикловой области малоэффективно.

Результаты испытаний при чистом изгибе механически обработанных (фрезерованных) образцов показали что, вакуумный отжиг по сравнению с отжигом в аргоне практически не снижает долговечность, а виброударное упрочнение значительно (в 2,5--3,5 раза) повышает ее.

Виброшлифование целесообразно применять как процесс механической зачистки свободным абразивом. В этих случаях нет необходимости в округлении острых кромок, в то время как перед виброупрочнением (в отсутствие виброшлифования) они должны быть скруглены до радиуса не менее 1 мм. Шероховатость механически обработанной поверхности перед виброшлифованием должна быть Rz < 40, а поверхности литья - без зачистки (кроме выведения дефектов) должны иметь шероховатость, соответствующую техническим условиям.

Так как большинство поверхностей штамповок не подвергается механической обработке, следует их виброшлифовать перед виброупрочнением. Упрочняющая обработка повышает долговечность после виброшлифования на порядок, после других видов механической обработки - в 2 и более раз.

6.4 ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ППД ТИТАНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДРОБЬЮ

Отработанные условия и режимы упрочнения титановых пружин стеклянной дробью явились основой для разработки, установки, предназначенной для их упрочнения, а также других деталей с поверхностями тел вращения. Такие установки в настоящее время внедрены на ряде заводов.

Наиболее распространена установка УУСП-7, расположенная на горизонтальной поверхности металлического каркаса, в котором находятся система управления электроприводами, пневмосистема с кранами, регуляторами давления, пневмореле и т.д. Здесь же установлено реле времени для автоматического выключения цикла обработки по истечении его длительности. Пульт управления вынесен на горизонтальную поверхность справа. Установка включает в себя механизм вращения детали (пружины), устройство для установки детали (шпиндель, поддерживающий центр), которое смонтировано в камере, два эжекционных аппарата, один из которых установлен под углом 60° к оси упрочняемой детали, и механизм их перемещения.

Основным агрегатом установки является камера, в которой помимо устройства для крепления детали имеется паз для ползушки с эжекторами, окно для вентиляции и крышка с герметизирующей прокладкой.

Основные технические характеристики, установки УУСП-7:

частота вращения шпинделя, об/мин ..................... 4, 3

длина хода эжекторов, мм .................... 150, 200, 240

максимальная длина детали, мм ........................ 220

скорость перемещения эжекторов, м/мин .................. 630, 860, 1030

время экспозиции, с ................................. 13,17, 20

производительность эжектора по стеклянной дроби, кг/мин ..... 4--6

масса стеклянной дроби в камере, кг ..................... 10--20

требуемое давление воздуха, МПа ………….0,5

Установка может работать как в режиме наладки, так и в полуавтоматическом. В режиме наладки проверяются все движения установки и проводится, если требуется, пробное упрочнение детали и образцов-свидетелей. Далее работа проводится в полуавтоматическом режиме, который имеет блокировки по закрытию камеры крышкой и по минимальному давлению в пневмосети.

Работа по упрочнению производится в следующей последовательности:

пружина (или другая деталь) устанавливается в шпиндель, поджимается с другой стороны центром и проверяется ее положение относительно эжекторов;

проверяется давление в сети и устанавливается давление на каждом эжекторе;

устанавливается длительность цикла обработки по реле времени;

камера закрывается крышкой, и включается цикл обработки и отсос пыли;

упрочнение в течение цикла и отключение установки;

снятие крышки с камеры и смена детали или перестановка ее, если это требуется по конфигурации детали.

В процессе обработки дробь циркулирует в замкнутой системе от эжекторов на приемник в днище камеры и по эжекционной схеме обратно в эжекторы. Образующаяся пыль отсасывается пылесосом или вентилятором.

На основании опыта эксплуатации установок УУСП-7 изготовлена установка УУСП-9, предназначенная для упрочнения стеклянной дробью широкой номенклатуры деталей, в основном изготовляемых из титановых сплавов, типа пружин, цилиндров, штоков, качалок, кронштейнов, тяг и т.д. Установка имеет три камеры: в двух используется струйно-пневматический способ подачи дроби (в одной из них на внутренние поверхности вращения), в третьей -- струйно-механический способ подачи дроби с использованием дробеметного колеса. В последнем случае упрочнению могут подвергаться детали с самой разнообразной конфигурацией внешней поверхности. Все три камеры установлены на общем основании и каждая имеет свой пульт управления. В камере № 1 можно упрочнять детали длиной до 540 мм, в сопловой камере № 2 -- до 500 мм, в дробеметной камере -- длиной до 600 мм с диаметром описанной окружности до 320 мм. Все камеры работают в полуавтоматическом режиме, условия которого устанавливаются оператором на пульте управления.

Отработанные условия и режимы упрочнения стальной дробью монолитных и сварных конструкций из сплава ВТ6ч явились основой для разработки технологии и оборудования для упрочнения ППД крупногабаритных конструкций (балок центроплана, поворотного узла и др.). Трудность осуществления упрочняющей обработки обусловлена большими габаритными размерами деталей, необходимостью упрочнения внутренних и наружных поверхностей с множеством ребер, образуемых стрингерным набором панелей и лонжеронами, оребренными в продольном и поперечном направлениях.

Для этой цели были изготовлены специальные многосопловые установки для упрочнения внутренних и наружных поверхностей, работающие по полуавтоматическому циклу. Упрочнение с использованием указанных установок осуществляется с помощью последовательных проходов сопловыми блоками обрабатываемых поверхностей. Сварные зоны упрочнялись по режиму высокой интенсивности с прогибом контрольных образцов 2,5--3,5 мм.

Качество упрочненной поверхности оценивается по сплошности -- визуально по эталону, по интенсивности упрочнения -- по прогибу образцов-свидетелей. По показаниям приборов на пульте управления контролируются режимы упрочнения: скорость перемещения упрочняющего блока и давление сжатого воздуха на входе в эжекторы.

Отдельные участки поверхности упрочняются с помощью беспыльной трехкамерной установки "Каскад", модернизированной для регулирования давления воздуха на входе в сопло, при использовании плоских и угловых насадок на сопловую головку, а также технологических пластин и мягких вкладышей.

В целом комплекс указанных технологических установок в сочетании с устройствами для подготовки и регенерации дроби обеспечил упрочнение всех зон крупногабаритных сварных конструкций в опытном и серийном производстве, что создало условия для изготовления надежных и высокоресурсных изделий.

ГЛАВА 7. ПОСТАНОВКА ВТУЛОК ДОРНИРОВАНИЕМ В ОТВЕРСТИЯ УШКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ