3.1 Основы процесса гидродробеструйного упрочнения

Гидродробеструйное упрочнение - это процесс холодной обработки, при котором поверхность детали бомбардируется маленькими сферическими дробинками в среде СОЖ. Каждая дробинка, ударяясь о поверхность, действует как молоток, образуя на поверхности маленькие углубления. При этом в поверхностных слоях материала происходит процесс пластического растяжения. Подповерхностные слои воздействуют на поверхностный слой таким образом, чтобы вернуть его к исходной форме, и образуют в нем сжимающие остаточные напряжения. Хорошо известно, что трещины плохо образуются и распространяются в сжатом материале. Так как усталостные повреждения в основном образуются и накапливаются в поверхностных слоях, следовательно, сжимающие напряжения, образующиеся в результате обработки дробью, приводят к значительному повышению долговечности детали. Кроме того, у многих материалов происходит наклеп поверхности вследствие холодной пластической деформации.

О статочными напряжениями называются напряжения, возникающие в ненагруженной детали после ее изготовления. Эти остаточные напряжения могут быть либо растягивающие, либо сжимающие. Типичная эпюра остаточных сжимающих напряжений по глубине детали показаны на рисунке 3.1.

Эпюра остаточных напряжений характеризуется четырьмя основными параметрами:

1. - поверхностные напряжения;

2. - максимальные сжимающие напряжения, как правило, залегающие под поверхностью;

3. d - глубина залегания сжимающих напряжений;

4. - максимальные растягивающие напряжения.

Максимальная величина сжимающих остаточных напряжений мало зависит параметров упрочнения и, в основном, определяется кривой деформирования материала -величиной предела текучести и модуля упрочнения. Максимальные сжимающие остаточные напряжения, как правило, составляют не меньше половины предела текучести материала.

Глубина поверхностного слоя, в котором залегают остаточные напряжения, существенно зависит от параметров упрочнения, таких как диаметр дроби, скорость дроби и т.д.

Из теории прочности известно, что наличие сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое повышает усталостную прочность детали.

Особое внимание следует обращать на применение гидродробеструйного упрочнения для деталей, подвергаемых последующему нагреву (при термической обработке, пайке, в эксплуатации и т.д.), так как такой нагрев может привести к релаксации благоприятных сжимающих остаточных напряжений или даже к растрескиванию поверхности вследствие разупрочнения наклепанного слоя. Предельные температуры, свыше которых происходит релаксация благоприятных сжимающих остаточных напряжений, показаны на рисунке 3.2.

Из диаграммы видно, что применение упрочнения возможно только для хвостовика лопатки турбины, так как перо лопатки, изготовленной из никелевого сплава ЦНК-7П, работает при температурах до 780С⁰, и его упрочнение не даст благоприятного эффекта вследствие релаксации сжимающих остаточных напряжений и может привести даже к разупрочнению.

Не существует неразрушающих методов контроля качества упрочнения деталей в результате обработки, поэтому важное значение имеет управление процессом упрочнения, чтобы обеспечить постоянное качество поверхности от детали к детали. Материал дроби, ее размер и твердость, так же как и скорость и угол удара должны жестко контролироваться в процессе гидродробеструйной обработки. Для того, чтобы эффективно управлять процессом упрочнения, особому контролю подвергаются следующие параметры.

а ) Контроль дроби.

Дробь для упрочнения представляет собой небольшие тела сферической формы, изготавливаемые из проволоки литых углеродистых или нержавеющих сталей, керамики или стекла. Нержавеющие стали используются в том случае, когда важно содержание железа на поверхности детали. Данные материалы применяются и в процессе упрочнения лопатки турбины.

Дробь должна быть одного размера, как правило, сферической формы, без острых кромок и разрушенных частиц. Размер дроби контролируются просеиванием. На рисунках 3.3 и 3.4 показаны допустимые и недопустимые формы и размеры дроби.

Рис. 3.3 Допустимые и недопустимые размеры дроби.

На фотографии (рис. 3.3, а) показаны недопустимые частицы дроби разных размеров, включающие большое количество бесформенных частиц. Допустимая дробь (рис. 1.3, б) постоянна по размеру, округлая по форме и не содержит посторонних частиц и примесей. Разрушенные частицы или частицы с острыми концами опасны для поверхности детали. На рис 1.5 показано влияние слабого контроля дроби на качество упрочненной поверхности.

Рис 3.5 Поврежденная в результате слабого контроля дроби (а) и приемлемая (б)

поверхности.

б) Контроль интенсивности упрочнения.

Калибровка энергии удара или интенсивности потока дроби во время обработки является очень важным для контроля упрочнения. Энергия потока дроби является функцией размеров, материала, твердости, скорости и угла атаки дроби. Для того, чтобы оценить, измерить и калибровать энергию удара дроби, Дж. О. Ольмен из исследовательской лаборатории компании "Дженерал Моторс" предложил использовать образец из инструментальной стали SAE1070, который назвали полосой Ольмена (контрольный образец). По описываемому методу контрольный образец закрепляется в стальном зажиме в камере обдувки и подвергается упрочнению. После удаления из блока контрольный образец сгибается под действием сжимающих остаточных напряжений и пластического деформирования поверхности. Высота прогиба, измеряемая в стандартном устройстве

Ольмена, называется стрелой прогиба (рис 1.5). Контрольный образец не применяется повторно.

В настоящее время используются три стандартные полосы Ольмена: полоса А толщиной 0.051 дюйма (1.29 мм)(используется при обработке лопатки), полоса С толщиной 0.094 дюйма (2.39 мм), полоса N толщиной 0.031 дюйма (0.79 мм). Примерное соотношение между толщинами полос 3N=A=0.3C. Используемый диапазон стрелы прогиба от 0.1 мм до 0.6 мм.

Рис 3.6 Применение контрольного образца (полосы Ольмена) в процессе гидродробеструйного упрочнения

в) Контроль насыщения. Полоса Ольмена не в полной мере характеризует процесс упрочнения, если не исследован процесс насыщения упрочнения, который характеризуется кривой (рис. 3.6). К ривая насыщения получается при упрочнении серии контрольных образцов с различным временем обработки. Насыщение достигается на той точке кривой, где двойное увеличение времени обработки приводит к увеличению стрелы прогиба не более чем на 10%.

г) Контроль покрываемости

Покрываемость определяется как степень (в %) полноты и равномерности следов ударов на обработанной поверхности детали. Покрываемость контролируется с помощью лупы 5... 10-кратного увеличения. Фотографии частичной и полной покрываемости показаны

на рис 1.7.

Рис 3.8 Частичная (А) и полная (Б) покрываемость поверхности следами от ударов

100% покрываемость достигается, когда обрабатываемая поверхность полностью покрыта следами ударов. Она обязательна, когда гидродробеструйная обработка применяется для увеличения сопротивления усталости лопаток.