Исследование влияния дробеударной обработки на снижение остаточных напряжений в корпусе титанового гидролизаппарата

Щ Технология машиностроения

_ ^^____________

С.Н.Дрожжин, А.Н.Козиенко

Исследование влияния дробеударной обработки на снижение остаточных напряжений в корпусе титанового гидролизаппарата

Процесс ремонта корпуса гидролизаппарата сопровождается применением сварки. При этом зоны ремонта являются концентраторами напряжений, в которые наиболее интенсивно перемещается водород, способствуя развитию замедленного хрупкого разрушения (ЗХР) корпуса. Одним из методов снижения и выравнивания остаточных напряжений и, следовательно, развития последующих эксплуатационных дефектов является обработка дробью сварных швов и околошовных зон в корпусе аппарата.

В результате ранее проведенных научных исследований было установлено, что у титанового сплава АТЗ появляется эффект повышения выносливости, если его подвергнуть предварительной перегрузке, соответствующей определенному значению коэффициента интенсивности напряжений в зоне дефекта (К=3 Мпа).

Метод дробеударной обработки направлен на перераспределение напряжений, возникающих при ремонте в корпусе аппарата, путем перехода кинетической энергии летящего шарика в пластическое деформирование материала.

При этом на поверхности корпуса остаточные сварочные напряжения уменьшаются. Для обеспечения максимального эффекта при наклепе проводились исследования физико-механического процесса пластического деформирования материала АТЗ. С этой целью материал обрабатывался шариками различного диаметра. Время обработки составляло 10 сек, материал шариков ШХ-15, скорость шариков V— 32 м/с.

Энергия удара отдельной дробинки определяется по формуле

А =

\2Ч

где ц - ускорение силы тяжести; 0 - диаметр шарика, мм; V - скорость шариков, м/с.

Из формулы следует, что энергия удара с увеличением скорости возрастает в квадрате, а с увеличением диаметра дроби - в кубе. Вместе с тем, на величину деформации влияние оказывает угол встречи дроби с обрабатываемой поверхностью и время обработки.

Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Величина тангенциальной деформации рассчитана по формуле

Т) б/ 1{=1п

а и

где с! - диаметр отпечатка, мм.

Таблица 1

Зависимость тангенциальной деформации от ________диаметра шарика______

Диаметр Min диаметр Мах диаметр Деформация

шарика, отпечатка, отпечатка, тангенциальная,

мм мм мм 1,

3 0,3 0,7 0,0093

4 0,7 1Д 0,0130

5 1,1 1,4 0,0146

6 1,5 1,9 0,0174

7 2,0 2,5 0,021

Для местной упрочняющей обработки плоскостей и поверхностей малой кривизны использовали динамический способ упрочнения. Установка, реализующая данный способ упрочнения, обладает компактностью и позволяет выполнять обработку в любых производственных условиях и при ремонте. Источником энергии является вращающийся ротор, увлекающий за собой частицы обрабатывающей среды (дроби).

Конструкция ротора - щеточная, что обеспечивает непрерывную, равномерную подачу дроби в зону обработки спустя 2-3 с после включения установки и достижения требуемого режима.

Перед проведением наклепа с противоположной стороны корпуса были наклеены тензометрические датчики, с помощью которых оценивалось напряженно-деформированное состояние сплава АТЗ во время и после дробеструйной обработки. Датчики наклеивались парами под углом 90°, один относительно другого, ориентированными вдоль и поперек оси корпуса аппарата. Это позволило измерить осевые и кольцевые деформации. Перед проведением наклепа в дробемет загружалось 3800 шариков диаметром 3 мм. Измерение деформации проводилось через 1, 5, 7, 10 мин.

На рис. 1 показана схема последовательности зоны ремонта, очередность которой соответствует цифрам 1-2-3-4-5. Начиная со второго участка, время наклепа - 4 минуты.

На рис. 2 представлены зависимости изменения деформаций от времени наклепа на каждом участке, напротив места наклейки датчиков (рис. 3). Обработка результатов тензометрирования проводилась по формулам [3, 4]:

©

Технология машиностроения

Е ,

о<> = --т

1 -//

^=7),

1-ц

где Е=1,12-106 Мпа - модуль упругости сплава АТЗ; ц=0,38 - коэффициент Пуассона для сплава АТЗ.

А

г

Сварной шов

—*

У

Корпус аппарата

Рис. 1. Схема последовательности обработки дробью зоны ремонта: 1-5 - зоны наклепа; г - осевое направление; у - кольцевое направление

Результаты расчетов напряжений по зонам обработки корпуса представлены в табл. 2.

Таблица 2

Значение напряжений в зонах наклепа при дробеструйной обработке титанового корпуса

Зона наклепа сто, МПа стк( МПа

1 -41 -44

2 -51 -55

3 -67 -72

4 -68 -80

5 -70 -86

Из графика зависимости изменения деформаций относительно времени наклепа (рис. 2) видно, что в течение первой минуты наклепа происходит основная деформация участка.Последующее увеличение времени наклепа приводит к незначительному увелечению деформации, Результаты тензометрии и их обработки по формулам (3) и (4) представлены на рис. 4. Эпюра остаточных напряжений без дробеструйной обработки представлена на рис. 4, а. Из эпюры видно, что наибольшее значение растягивающих напряжений (сто) составляет 218 МПа и расположены они вдоль сварного шва.

Рис. 2. Зависимость изменения деформаций от времени наклепа по результатам тензометрии: 1 - осевые деформации, е0; 2 -кольцевые деформации; ек, н0, ей - соответственно осевые и кольцевые деформации; а0, сти - соответственно осевые и кольцевые

напряжения

У/А //а

щ

/Ж

ой — осевые напряжения

о^ -кольцевые напряжения

Сварной шов

Рис. 3. Схема расположения тензодатчиков

ВЕСТНИК ИрГТУ №4 (28) 2008

11

-Технология машиностроения

ÇJ

Mm 2Ï0

m

4

ш

58

50 • SÙ ?Û m

f. f i

Gi

G

\ I

à* 1 1 ?i)

;

¥

MM

a)

a

Mm

29

40

m

80

Wû

120 --

140 --

im

1--i-i-i-1-

L мм

Со

/

/ ;

* /

/

/

/

V

Рис. 4. Эпюры остаточных напряжений в зоне сварного шва корпуса до (а) и после (б) дробеудариой обработки

Наибольшие кольцевые напряжения при этом (стк) в 4 раза меньше осевых напряжений. После дробеструйной обработки эпюра остаточных напряжений в зоне меридиального сварного шва представлена на рис 4, б. Из сравнения эпюр видно, что дробеструйная обработка оказала воздействие на перераспределение остаточных напряжений.

После обработки внешней поверхности корпуса гидролизаппарата дробью снизились как осевые, так и кольцевые напряжения.

Наибольшие значения растягивающих остаточных напряжений в осевом и кольцевом направлениях не вышли за пределы 30 МПа, На внешней поверхности корпуса в зоне сварного шва осевые и кольцевые остаточные напряжения изменили свой знак и стали сжимающими.

Д.А.Журавлев, М.Д.Гаер

Допуски, связанные с изгибанием поверхности

В последние годы всё более активно ведутся исследования в области создания полноценных CAD систем, позволяющих моделировать детали и сборки с допусками.

Первым важным результатом наших исследований в этом направлении была работа [6], в которой описан новый дифференциально-геометрический подход к решению рассматриваемой проблемы. Кроме того, в работе все допуски были разбиты на три группы:

1. Допуски, связанные со взаимным положением составляющих поверхностей.

2. Допуски, связанные с изгибанием.