Определение технологических условий шлифования деталей газотурбинного двигателя с учётом структурных и фазовых изменений в их поверхностном слое

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальности 05.02.08 - Технология машиностроения, 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Определение технологических условий шлифования деталей газотурбинного двигателя с учётом структурных и фазовых изменений в их поверхностном слое

Тимофеев Михаил Владимирович

Рыбинск - 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования - Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Драпкин Борис Михайлович

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Рыкунов Николай Стефанович

кандидат технических наук Заваркин Вадим Николаевич

Ведущая организация ОАО «Пермский Моторный Завод», г. Пермь

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М.

1. Общая характеристика работы

шлифование деталь газотурбинный двигатель

Актуальность темы.

За последние десятилетия наметился значительный прогресс в области авиации. Этому, без сомнения, способствовало появление газотурбинных двигателей, которые в настоящее время достигли высокого термодинамического и конструктивного совершенства. Вместе с тем, всё более широкое использование ГТД в различных отраслях машиностроения обуславливает непрерывный рост требований, предъявляемых к показателям их качества. Подобная тенденция требует решения ряда задач, в числе которых - задача улучшения физико-механических характеристик применяемых материалов при повышенных температурах для обеспечения работоспособности деталей.

Вследствие особых требований, предъявляемых к материалам, их химический и фазовый составы отличаются высокой сложностью, в первую очередь обусловленной большим количеством легирующих элементов. С одной стороны, это позволяет значительно повысить жаропрочность, но с другой стороны, вносит свой отпечаток в технологический процесс последующей обработки материала. По мере повышения жаропрочности значительно снижается обрабатываемость сплавов. Стойкость инструмента при лезвийной обработке таких материалов в 10-20 раз ниже стойкости при обработке конструкционных сталей. Поэтому на сегодняшний день одним из эффективных методов обработки жаропрочных и жаростойких материалов является шлифование.

Тем не менее, несмотря на все преимущества перед лезвийной обработкой, шлифованию присущ ряд недостатков, главный из которых - высокая теплонапряженность. Поверхностные слои материала толщиной 5-10 мкм могут разогреваться в зоне обработки до 1400 С, при этом скорость нагрева и охлаждения может достигать десятков тысяч градусов в секунду. Значительные величины температурных и силовых градиентов приводят к изменениям дислокационной структуры материала, искажению кристаллической решётки, формированию остаточного напряжённо-деформированного состояния. Кроме того, высокая скорость нагрева материала в зоне обработки в сочетании с пластической деформацией вызывает изменение энергии активации диффузионных процессов, смещение критических точек фазовых переходов, что в ещё большей степени усложняет картину распределения остаточных напряжений.

Перечисленные факторы, безусловно, отражаются на эксплуатационных свойствах детали, поскольку остаточные напряжения в поверхностном слое оказывают влияние на целый комплекс характеристик, включающий точность обработки, статическую и динамическую прочность, а также стойкость к различным контактным процессам.

В связи с этим, актуальным является исследование закономерностей влияния изменений структуры и фазового состава поверхностного слоя на формирование остаточных напряжений при шлифовании деталей ГТД.

Цель работы. Исследование закономерности влияния изменений структуры и фазового состава поверхностного слоя на формирование остаточных напряжений при шлифовании деталей ГТД и, на основе этого, разработка методики научно-обоснованного выбора режимов обработки.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

Анализ причин возникновения дефектов деталей ГТД в связи с состоянием поверхностного слоя.

Обзор существующих методик расчётного определения остаточных напряжений при шлифовании.

Анализ факторов, действующих на материал в зоне обработки, с точки зрения их влияния на изменения физико-механических свойств, структуры и фазового состава материала поверхностного слоя.

Обоснование выбора модельного материала для проведения экспериментальных исследований.

Выбор и описание методов экспериментального исследования параметров состояния поверхностного слоя материала при шлифовании.

Исследование закономерностей формирования остаточного напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя при эволюции структуры и фазового состава материала.

Разработка научно-обоснованных технологических рекомендаций и предложение к использованию их в производстве.

Основные положения, выносимые на защиту:

метод количественной оценки толщины слоя материала, имеющего остаточные изменения параметров дислокационной структуры после шлифования, основанный на использовании модели составных образцов;

метод исследования изменений дислокационной структуры в поверхностном слое металлов после обработки шлифованием, основанный на измерении термоЭДС пары эталон-образец при фиксированном температурном градиенте;

модель взаимосвязи свойств металлов, являющихся характеристиками межатомного взаимодействия: модуля Юнга, температуры плавления и энергии активации диффузии;

закономерности поведения энергии активации диффузии при изменении параметров дислокационной структуры металлов;

математическая модель формирования остаточных напряжений от структурно-фазовых изменений в поверхностном слое деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе;

методика научно-обоснованного выбора режимов обработки шлифованием деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Общая методика исследований.

Работа основана на теоретических и экспериментальных методах исследования процессов изменения дислокационной структуры, накопления скрытой энергии деформации, диффузии в поверхностном слое металлов и сплавов при пластической деформации. При проведении исследований использовались фундаментальные положения физики твердого тела, теории дислокаций, теории диффузии. Эксперименты проводились по стандартным, общепринятым, а также разработанным автором оригинальным методикам исследования поверхностного слоя. Анализ и обработка экспериментальных данных, проверка параметров качества математических моделей производились с использованием программных продуктов Mathsoft® Mathcad, Microsoft® Office Excel. Программное обеспечение для экспериментальных установок и приборов разрабатывалось автором в среде TMT Pascal® 32 bit.

Научная новизна.

На основе анализа структурных и фазовых изменений в поверхностном слое материала обрабатываемых деталей на дислокационном уровне установлена математическая модель взаимосвязи остаточных напряжений в поверхностном слое со свойствами обрабатываемого и инструментального материалов при шлифовании и разработан алгоритм оптимизации режимов шлифования.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе результатов работы разработана методика для определения режимов шлифования деталей из никелевых жаропрочных сплавов.

Апробация работы.

Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: «Приборное обеспечение науки, промышленного и сельскохозяйственного производства, природопользования, жилищно-коммунального хозяйства», Москва, 1997 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов», Рыбинск, 1999 г.; XXVIII Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2002 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», Рыбинск, 2002 г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, 2005 г.

Автором диссертации выполнялись научно-исследовательских работы темам грантов и программам Министерства образования и науки РФ: «Исследование общих закономерностей диффузионной подвижности атомов, как основы формирования физико-химического состояния и свойств поверхностных слоёв металлических изделий», «Исследование закономерностей формирования комплекса физико-механических свойств пластически деформированных поверхностных слоев металлических материалов», «Исследование влияния внешних воздействий на физико-механические характеристики материала».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 56 работ, в том числе 17 - в центральных журналах, получено свидетельство на полезную модель.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованных источников. Объем работы - 204 страниц машинописного текста, включающего 80 рисунков, 32 таблицы, 155 формул, список использованных источников из 218 наименований.

2. Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, дана общая характеристика направления исследований.

В первой главе выполнен обзор литературных данных и производственных сведений по состоянию вопроса. Проведён анализ дефектов деталей ГТД в связи с состоянием поверхностного слоя. Установлено, что основные технологические факторы, способствующие разрушению деталей ГТД, включают ряд признаков технологической наследственности: повышенная степень наклепа, остаточные напряжения, локальные неоднородности структуры, наличие внутренних дефектов материала. Процент дефектов, приходящихся на каждый из признаков распределяется приблизительно следующим образом: остаточные напряжения - 35 %, неоднородность структуры - 30 %, повышенный наклёп - 25 %, высокая шероховатость - 5 %, другие причины - 5 %. Таким образом, важную роль в обеспечении заданных эксплуатационных свойств детали и её надёжности играет остаточное напряжённо-деформированное состояние материала, являющееся результатом термомеханического воздействия на материал в ходе обработки. При этом, практика производства ГТД показывает, что в технологическом процессе изготовления деталей особое место занимают операции шлифования, которые в некоторых случаях составляют большую часть операций, формирующих свойства поверхностного слоя.

Исследованию параметров качества поверхностного слоя, остаточных напряжений и их влияния на эксплуатационные свойства деталей посвящены труды В.В. Абрамова, В.Ф. Безъязычного, И.А. Биргера, А.И. Исаева, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцева, А.Д. Макарова, А.А. Маталина, В.С. Мухина, А.Н. Овсеенко, И.А. Одинга, Д.Д. Папшева, А.В. Подзея, А.И. Промптова, С.С. Силина, А.М. Сулимы, М.О. Якобсона и др. Вопросы формирования свойств поверхностного слоя при абразивной обработке нашли свое отражение в работах В.Ф. Безъязычного, Д.И. Волкова, Д.Г. Евсеева, С.Н. Корчака, Б.А. Кравченко, Е.Н. Маслова, А.А. Маталина, С.В. Николаева, А.Н. Резникова, Н.С. Рыкунова, А.Н. Сальникова, В.А. Сипайлова, Ф.П. Урывского, А.В. Усова, О.В. Федосеева, А.В. Якимова, П.И. Ящерицына и др.

При изучении остаточных напряжений большинство исследователей придерживается дифференциального подхода, т. е. формирование остаточных напряжений связывается с тремя факторами: 1) пластическая деформация поверхности под действием сил резания абразивных зёрен; 2) упругопластические деформации из-за неравномерного теплового расширения металла в поверхностном слое; 3) структурные и фазовые изменения в металле при его термопластическом деформировании.

Практически все отмеченные выше работы свидетельствуют, что главную роль в формировании остаточного напряженного состояния играют термомеханические явления, являющиеся неотъемлемой частью процесса обработки. В отношении структурно-фазовых изменений большинство исследователей пришло к выводу, что их влиянием можно пренебречь. В то же время, в литературе имеется целый ряд данных, которые ставят под сомнение правомерность вышеуказанных выводов, касающихся роли структурно-фазовых изменений в формировании напряженного состояния поверхностных слоёв при обработке.

Вопрос о теоретическом расчете остаточных напряжений от фазовых превращений в ходе механической обработки впервые был освещен в работах А.И. Исаева, Б.А. Кравченко, А.Н. Овсеенко, С.С. Силина, Б.У. Шарипова. Ряд исследователей отмечают существенное увеличение плотности дислокаций при механической обработке (А.Д. Макаров, Д.А. Погосян), изменение микроструктуры (А.Д. Макаров, В.С. Мухин, Л.Ш. Шустер), изменение параметров диффузии (С.З. Бокштейн, Я.Б. Фридман), эволюцию упрочняющей -фазы в жаропрочных сплавах (В.Ф. Безъязычный, Б.Н. Леонов, А.В. Лобанов, А.Д. Макаров, В.С. Мухин, В.К. Старков, Ф.Ф. Химушин).

Анализ этих и ряда других работ позволяет сделать вывод, что в процессе механической обработки, и в частности шлифования, не только физико-механические свойства, но и структурные и фазовые характеристики материалов могут претерпевать существенные изменения, внося разный вклад в формирование напряженного состояния поверхностных слоёв и детали в целом. Анализу этих изменений посвящена вторая глава диссертации.

Теоретическое и экспериментальное изучение процессов механической обработки резанием и шлифованием позволяет сделать вывод, что деформацию материала поверхностного слоя можно характеризовать как «развитую пластическую деформацию» (Д.А. Погосян, В.В. Рыбин, А.М. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин и др.). Полученные П.И. Ящерицыным и А.Г. Зайцевым данные показывают, что в реальном процессе шлифования от 85 до 90 % всех зёрен не режут, а так или иначе пластически деформируют тонкий поверхностный слой материала, т. е. упрочняют его.

Теория дислокаций позволяет понять природу пластической деформации и упрочнения при механической обработке и, в частности, шлифовании: деформация приводит к увеличению дефектов в кристаллической решётке металла, одновременно вызывая его упрочнение и подготавливая условия для разрушения. Модели образования дефектов при пластической деформации металлов рассмотрены в работах Ван Бюрена, В.М. Грешнова, Зегера, Ломер, Г.А. Малыгина, И.И. Новикова, Хаазена, Лейбфрида и др. Одним из важных параметров дислокационной структуры является плотность дислокаций, которые накапливается в материале в процессе его деформации. По мере накопления дислокаций происходит эволюция дислокационной структуры, что обуславливает повышение энергетического уровня металла, изменение его физико-механических, теплофизических, диффузионных и ряда других характеристик.

Работы Р.З. Валиева, Б.М. Драпкина, Ю.П. Замятина, Л.М. Клербро, А.А. Маталина, Д.Д. Папшева, А.М. Сулимы и др. показывают, что возникновению дефектов решётки в результате пластической деформации сопутствуют изменение параметра решётки, возникновение линейной упругой деформации металла, изменение его объёма и увеличение внутренней энергии. Увеличение плотности дислокаций приводит к ослаблению межатомного взаимодействия и, следовательно, к уменьшению модуля упругости, подобно тому, как это имеет место при нагреве металла. Этот эффект становится заметным при больших плотностях дислокаций (более 10¹² см^-2). Количественно закономерность изменения модуля при пластической деформации можно описать, воспользовавшись результатами работ А.А. Бирфельда, Б.М. Драпкина, В.К. Кононенко

,

где А - численный коэффициент, А = 4; r - относительное изменение межатомного расстояния (деформация решётки), ; b - вектор Бюргерса; L - плотность дислокаций.

На образование дислокаций расходуется часть затраченной на пластическую деформацию энергии, которая остаётся в металле как энергия дефектов

,

где a - коэффициент, ; G - модуль сдвига; V - объём металла.

В работах Н.Ф. Кунина, М.Л. Бернштейна, В.К. Старкова, А.М. Сулимы установлено, что при пластической деформации металлов и сплавов порядка 85-95 % энергии переходит в тепловую, и только 5-10 % накапливается в материале в виде дефектов, преимущественно дислокаций. Это соотношение было использовано в проведённой автором экспериментальной оценке точности и адекватности перечисленных выше зависимостей. В качестве объекта исследований использовались образцы из материалов М1, сталь 20, сталь У12, ХН77ТЮР, ВТ3. Образцы подвергались пластическому деформированию сферическим индентором с последующим определением параметров упрочнения, распределения плотности дислокаций, соотношения накопленной и затраченной энергии. Последняя величина составила 7-12 %, что хорошо согласуется с существующими данными.

Приведённые количественные закономерности изменения параметров дислокационной структуры и свойств материалов при пластическом деформировании являются основой для проведения экспериментальных исследований и уточнения механизмов формирования остаточных напряжений в поверхностном слое материала после шлифования.

В третьей главе представлены обоснование выбора модельного материала, конструкция и технология изготовления образцов, методы экспериментального исследования состояния поверхностных слоев материала после шлифования. В качестве объекта исследований выбран модельный материал - сталь У12, параметры фазовых превращений которого хорошо изучены и представлены в литературе. Результаты, полученные на модельном материале, могут быть существенными для понимания процессов, происходящих при механической обработке деталей авиационных двигателей.

Поскольку объём слоя, изменённого в процессе шлифования, как правило, составляют незначительную часть от объёма всей детали, методы исследования состояния поверхностного слоя должны одновременно обладать высокой чувствительностью, локальностью, возможностью проведения комплексного исследования по нескольким параметрам на одном и том же образце, в одних и тех же условиях эксперимента.

Температурное поле в поверхностном слое образцов при шлифовании определялось методом перерезаемых полуискусственных термопар, защемляемых между двумя образцами на различной глубине от обрабатываемой поверхности. Для экспериментальных исследований параметров состояния материала поверхностного слоя применялся ряд стандартных методик и приборов: определение остаточных напряжений (ПИОН-2, ДРОН-2,0), микротвёрдости (ПМТ-3М), скрытой энергии деформирования (дериватограф Q-1500 D), температурного коэффициента линейного расширения (дилатометр ДКВ-5А). С помощью оригинальной установки проводились исследования температурной зависимости внутреннего трения и динамического модуля упругости материала образца. Модуль упругости материала поверхностного слоя до и после шлифования определялся на основе теории Герца по времени упругого соударения образца со сферическим индентором.

Автором разработана методика количественной оценки толщины слоя материала с изменённой дислокационной структурой после шлифования стержневых образцов. Методика основана на математической модели колебаний составного оболочкового образца, в котором внешней оболочкой служит материал с изменёнными свойствами, а ядром - исходный материал (рис. 1). Измерив частоты собственных колебаний образца после шлифования и последующего отжига, можно рассчитать толщину «оболочки» образца

,

где k_f2 - отношение квадратов собственных частот образца после и до отжига.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Поперечное сечение моделей круглого и прямоугольного составных образцов

Определение термоЭДС пары образец-эталон проводилось на разработанной автором экспериментальной установке (рис. 2), в основе которой приспособление для фиксации и точного позиционирования исследуемого образца относительно контактирующего с ним эталонного электрода, являющегося вторым элементом искусственной термопары. Диаметр пятна контакта при соприкосновении имеет величину порядка 0,3-0,5 мм. Поскольку разность температур электрода и образца поддерживается постоянной, согласно с данными работ И.Х. Вариводы, Н.Ф. Кунина, Ф. Линевега, И.Л. Рогельберга, величина измеренной термоЭДС коррелирует с количественными характеристиками дислокационной структуры деформированного материала, в частности, с плотностью дислокаций.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Схема экспериментальной установки для определения термоЭДС

В четвертой главе проводится анализ и обсуждение результатов экспериментов на модельном материале. Шлифование образцов проводилось на плоскошлифовальном станке абразивным кругом с характеристикой 24А25П СМ1 7К5 за один проход без применения СОТС. При этом ожидалось, что максимальная температура в поверхностном слое образца будет заведомо выше температуры начала фазовых превращений для стали У12. Результаты термометрирования показали скорость нагрева 210⁴ К/с и максимальное значение температуры 795±5 С, превышающее температуру начала фазовых превращений. Проведены расчёты толщины повреждённого в результате шлифования слоя по формулам модели составных оболочковых образцов, по глубинам упрочнения, изменения модуля Юнга и активной части эпюры остаточных напряжений.

Установлено, что широкий спектр значений свойств, отличающихся физической сущностью и методами измерения, - микротвердости, модуля Юнга и термоЭДС - является не разбросом, обусловленным погрешностями измерений, а распределением, отражающим локальное различие строения поверхностных слоев, вызванное шлифованием. Измерение распределений указанных свойств, полученные при равномерном послойном снятии материала поверхностного слоя показали наличие в материале образца областей, претерпевших значительные пластические деформации при обработке. Анализ температурной зависимости внутреннего трения, результатов дифференциального термического анализа и измерений модуля Юнга также показал, что часть областей поверхностного слоя образца находится в экстремальном состоянии, обусловленном предельной плотностью дислокаций порядка (2-4)10¹³ см^-2, возникшей в результате пластической деформации при шлифовании.

В пятой главе представлен анализ закономерностей формирования остаточных напряжений с учётом структурно-фазовых изменений.

Из литературных данных известно, что дислокации приводят к изменению межатомного взаимодействия, что ведёт за собой изменение температуры начала фазовых переходов, диффузионных и других характеристик материалов, оказывающих непосредственное влияние на протекание структурно-фазовых изменений и формирование напряженно-деформированного состояния обрабатываемой детали. В этом плане особый интерес представляет выяснение взаимосвязей свойств металлов, являющихся характеристиками межатомного взаимодействия, и оценка закономерностей влияния на них различных факторов, в том числе, пластической деформации.

Анализ работ С.З. Бокштейна, Б.С. Бокштейна, С.Х. Герцрикена, В.С. Горбатова, Т.И. Гудкова, И.Я. Дехтяр, Б.М. Драпкина, А.А. Жуховитского, К.А. Осипова, А.Я. Шиняева, М.А. Штремеля показал, что между модулем упругости E и энергией активации диффузии H можно установить взаимосвязь вида

,

где V - атомный объем материала.

При температуре плавления, т. е. в условиях, когда кристаллическая решетка претерпевает максимальную деформацию , энергия активации уменьшается в среднем на 19 % и значение составляет 0,81. Справедливость этого соотношения проверена автором для 30 металлов с различным типом кристаллической решётки. Также установлено, что предельное изменение энергии активации, как в результате влияния температуры, так и легирования одинаково и составляет 0,80Н₀. Это позволяет предполагать, что изменение энергии активации будет аналогичным и в случае влияния других факторов, в частности, пластической деформации.

Пластическая деформация оказывает существенное влияние на свойства металлических материалов, в том числе на диффузионную подвижность атомов. Одной из причин является увеличение плотности дислокаций, что сопровождается изменением межатомного взаимодействия и, следовательно, величины энергии активации диффузии. Предельной плотности дислокаций соответствует =0,7, как это имеет место при температуре плавления (Б.М. Драпкин). В этих же условиях энергия активации диффузии снижается и составляет =0,75 - 0,8.

Полученные закономерности показывают, что пластическая деформации является фактором, способным, наряду с легированием, влиять на расположение температуры фазового превращения в материале модельного образца

.

Используя уравнение была рассчитана температура начала фазового превращения в модельном материале, которая составила 650 С. По уравнению Джонсона-Мейла-Аврами, модифицированному для неизотермического процесса, вычислена степень завершенности фазового превращения перлита в аустенит 0,01 %. Принимая во внимание известный объемный эффект полного превращения величина остаточных напряжений в поверхностном слое составила 50 кПа. Экспериментальное исследование поверхностного слоя также показало отсутствие каких-либо значимых признаков изменения в фазовом составе, не смотря на высокую температуру шлифования, равную 795 С. Полученные результаты являются дополнительным подтверждением адекватности предпосылок, на основе которых получены зависимости и .

Промышленные жаропрочные сплавы на никелевой основе, в отличие от сталей, не претерпевают полиморфных фазовых превращений. Тем не менее в главе 1 показано, что температурно-силовое воздействие на эти сплавы при механической обработке приводит к коагуляции и росту избыточной g'-фазы. Процесс коагуляции сопровождается обеднением первичного g-твёрдого раствора, а именно, постепенным уменьшением концентрации алюминия, что ведёт за собой уменьшение параметра кристаллической решётки материала и возникновение остаточных напряжений.

Для построения модели и вывода уравнения коагуляции '-фазы использовалась представленная в работе С.З. Бокштейна модель коагуляции карбидных частиц при отпуске закалённой стали, позволяющая связать реально протекающий процесс коагуляции с элементарным процессом диффузии. При этом были введены следующие допущения: частицы '-фазы имеют сферическую форму; для каждого данного момента времени степень дисперсности может быть охарактеризован средним диаметром d_ср частицы '-фазы; состав частиц '-фазы представляет собой двухкомпонентный интерметаллид Ni₃Al.

Полученное уравнение коагуляции

,

где d_ср,исх, d_ср - средний размер частиц '-фазы соответственно до и после шлифования; l_m - множитель, равный отношению массы '-фазы к массе продиффундировавшего Al, l_m = 7,5; D₀ и H - предэкспоненциальный множитель и энергия активации в уравнении диффузии Al; b - вектор Бюргерса; L - плотность дислокаций; T - температура шлифования; r - плотность материала; b - коэффициент, зависящий от марки сплава, b 360 кг/м³.

На основании разработанной модели коагуляции и работах И.И. Корнилова, В.К. Старкова, А.А. Шатульского, Ф.Ф. Химушина автором получено уравнение взаимосвязи остаточных напряжений от фазовых изменений в поверхностном слое деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе и режимных параметров процесса шлифования, с учётом изменений параметров дислокационной структуры материала

.

Для оценки адекватности разработанного математического описания кинетики процесса коагуляции частиц '-фазы использовались представленные в литературе данные по изменению параметров частиц '-фазы при высокотемпературном старении жаропрочных сплавов на никелевой основе, а также данные В.К. Старкова по ускорению процесса коагуляции '-фазы при механической обработке (табл. 1).

Таблица 1. Сравнение экспериментальных и теоретически вычисленных значений среднего диаметра частиц '-фазы сплава ЖС6КП

Расчёт среднего диаметра частиц '-фазы по теоретической зависимости даёт результаты, хорошо совпадающие с экспериментальными (коэффициент корреляции 0,97). Это даёт все основания полагать, что разработанная модель процесса коагуляции частиц '-фазы, а также связанная с ней модель формирования остаточных напряжений адекватно отражают влияние изменений параметров дислокационной структуры и температурного фактора при механической обработке.

На основе полученных моделей автором предложена методика оптимизации режимов шлифования, алгоритм которой представлен на рис. 3. Одним из преимуществ разработанной методики является возможность её масштабирования по степени учёта факторов и закономерностей формирования остаточных напряжений при обработке шлифованием.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Алгоритм оптимизации режимов шлифования

Основные результаты и выводы

Анализ ранее выполненных научных исследований показал, что при механической обработке, в частности при шлифовании, на формирование остаточных напряжений в поверхностном слое оказывают влияние не только изменения физико-механических свойств материала, но и изменение его структурных и фазовых характеристик в поверхностном слое. Однако, расчётные зависимости для определения величины остаточных напряжений, обусловленных структурными и фазовыми изменениями в поверхностном слое обрабатываемых деталей, в зависимости от технологических условий обработки практически отсутствуют.

Ранее выполненные исследования, а также исследования автора показали, что при больших плотностях дефектов, преимущественно дислокаций, упругая деформация решётки металла может достигать до 2 %, т. е. максимально возможной деформации, предшествующей разрушению. В связи с этим автор считает целесообразным проведение теоретических и экспериментальных исследований с целью определения вклада изменения дислокационной структуры на величину и распределение остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемого материала.

Автором предложены новые методики исследования свойств поверхностного слоя в связи со структурными изменениями в обрабатываемом материале после шлифования, в частности для определения модуля упругости материала поверхностного слоя, изменения его под действием внешнего силового воздействия, толщины поверхностного слоя материала, в котором произошли изменения свойств при обработке, определения температурной зависимости внутреннего трения, определения температурного поля по глубине поверхностного слоя, определения значений термоЭДС по исследуемой поверхности, дифференциального термического анализа для определения плотности дефектов кристаллического строения (дислокаций), что позволило разработать и создать ряд принципиально новых приборов и исследовательских установок.

Измерение распределений в поверхностном слое обработанной поверхности значений микротвёрдости, модуля упругости и термоЭДС показало, что часть областей поверхностного слоя находятся в экстремальном состоянии, обусловленном предельной плотностью дислокаций [(2 - 4)10¹³ см^-2]. Данный вывод подтверждается анализом результатов измерения температурной зависимости внутреннего трения и дифференциального термического анализа.

Результаты исследования позволили установить количественные закономерности фазовых изменений во взаимосвязи с изменениями параметров дислокационной структуры обрабатываемого материала и режимными условиями обработки шлифованием, что позволило разработать математическую модель формирования остаточных напряжений в поверхностном слое от фазовых изменений под действием термомеханического воздействия, а также алгоритм оптимизации режимов шлифования.

Публикации

1. Безъязычный, В.Ф. Измерительный комплекс для определения физико-механических характеристик материалов [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, Э.В. Киселёв, В.К. Кононенко, М.В. Тимофеев // Контроль. Диагностика. - 1999. - № 2. - С. 17-22.

2. Безъязычный, В.Ф. Определение энергии активации самодиффузии металлов [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, В.К. Кононенко, М.В. Тимофеев // Справочник. Инженерный журнал. - 2003. - № 3. - С. 5-9.

3. Безъязычный, В.Ф. Регламентация режимов шлифования с учётом субструктурных и структурно-фазовых превращений в материале поверхностного слоя [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Справочник. Инженерный журнал. - 2003. - № 7.- С. 48-54.

4. Безъязычный, В.Ф. Энергетическое состояние металла при вдавливании шарового индентора [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Инструмент и технологии. - 2003. - № 2. - С. 12-16.

5. Тимофеев, М.В. К вопросу регламентации режимов шлифования с учётом субструктурных и структурно-фазовых превращений в материале поверхностного слоя [Текст] / М.В. Тимофеев // Инструмент и технологии. - 2003. - № 11-12. - С. 89-92.

6. Безъязычный, В.Ф. Влияние шлифования на свойства поверхностных слоев стали [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // ФиХОМ. - 2003. - № 6. - С. 51-55.

7. Безъязычный, В.Ф. Взаимосвязь модуля упругости, температуры плавления и энергии активации самодиффузии металлов [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, В.К. Кононенко, М.В. Тимофеев // Заготовительное производство в машиностроении. - 2003. - № 2. - С. 43-48.

8. Безъязычный, В.Ф. Влияние абразивно-силового воздействия на физико-механические свойства поверхности металла [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Справочник. Инженерный журнал. - 2004. - № 8. - С. 12-16.

9. Безъязычный, В.Ф. Проблемные вопросы упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов при пластической деформации и представление о наклепе [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2005. - № 1. - С. 3-6.

10. Безъязычный, В.Ф. Анализ взаимосвязи характеристик субструктуры, скрытой энергии деформации, затраченной работы и степени деформации материала [Текст] / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Справочник. Инженерный журнал. - 2005.- № 5.- С. 35-38.

Размещено на Allbest.ru