Application of plate mechanics to evaluate the effectiveness of reinforcing shot blasting

Cover Page

Abstract


Introduction. The paper considers the current state in the field of surface plastic deformation, namely the hardening of machine-building parts by shot blasting. Since modern engineering uses improved technological methods and methods for transforming material parts into a state that meets the standards for the operation of products, in the domestic and foreign literature there are many ways to assess the impact of operating conditions on the part life. However, the fundamental underlying theory of this field has not yet been created. The article describes the essence of the process of surface plastic deformation. The types and advantages of shot blasting are also considered. Many readers may wonder: is it possible, after removing the corrosion layer, to strengthen the surface layer of the workpiece? The method of shot blasting copes well with these diverse tasks, allowing to handle parts of complex geometry, as well as parts with hard-to-reach places. The quality of processing allows to apply any coating to the surface of a part without additional preparation and degreasing. Aims. One of the problems is the difficulty of determining the level of residual stresses generated in the process of shot blasting. The significance of the problem lies in the fact that at present there is no exact method for determining residual stresses after shot peening. The purpose of this study is to evaluate the effectiveness of shot peening, i.e. determination of the level of residual stresses generated in the process of shot blasting. The task is to determine the residual stresses during shot blasting by measuring the deformation of the control plate (witness sample) obtained by one-sided bead over a certain period of time. Methods. After processing, the deflection of the control plate is determined. According to the deflection arrow, the residual stresses in the plate are determined. To do this, the N.N. Davidenkov’s method is used, according to which a strip is cut out from the control plate and the layers are removed by etching. When removing the layers, the strip changes the geometry due to a change in the stress state, which makes it possible to determine the distribution of the residual stresses of the plate using the appropriate ratios. The objective of the proposed technique is to simplify the method, reducing the complexity of determining the distribution of residual stresses across the thickness of the control plate, improving the accuracy of determining the residual stresses during shot peening. Conclusions. Thus, based on the positions of the mechanics of plates, the deformed state of the control plate during shot blasting was considered. Finally, an analytical dependence was obtained, allowing estimating the residual stresses in the control plate after shot blasting.


Введение Одна из актуальных проблем промышленного производства на сегодняшний день - повышение прочности деталей и конструкций, которые активно подвергаются износу. Один из эффективных способов решения такой проблемы - упрочнение методами поверхностного пластического деформирования. В настоящее время разработано и нашло широкое применение в авиационном двигателестроении достаточное количество различных методов поверхностного пластического деформирования, обеспечивающих упрочнение практически всей номенклатуры деталей двигателей [1-3]. Научные методы и подходы по оценке эффективности упрочняющей обработки, а также по оценке долговечности деталей и конструкций часто совершенствуются. Одной из главных задач современного машиностроения является повышение ресурса используемых деталей. Однако методы оценки напряженнодеформированного состояния дают лишь общее представление об области начала разрушения. Уже не раз научно доказано, что после упрочнения методом поверхностного пластического деформирования в поверхностном слое образуются остаточные напряжения, которые являются причиной появления сопротивления усталости деталей [4]. Из этого следует, что появление растягивающих напряжений в процессе эксплуатации детали чаще всего может привести к тому, что понижается предел выносливости детали, и, соответственно, к ее разрушению. В ходе обзора отечественной и зарубежной литературы выявлено, что большинство работ посвящается анализу разрушения деталей. Во многих работах представлены различные способы оценки влияния эксплуатационных условий на ресурс детали, также предлагаются методы по определению зон развития усталостных трещин [5-7]. Поверхностное пластическое деформирование - это направление технологии увеличения сопротивления усталости деталей, активно используемое в различных сферах авиации и машиностроения. Существует несколько способов обработки поверхностным пластическим деформированием: 1. Дробеструйный метод, при котором в качестве рабочих тел используют стальные шары или дробь, а источник кинетической энергии - струя сжатого воздуха. 2. Дробеметный метод, при котором в качестве рабочих тел используют стальные шары или дробь, источником кинетической энергии служит вращение ротора дробемета. 3. Пневмогидродробеструйный метод, при котором в качестве рабочих тел используют стальные шары и дробь, источником кинетической энергии является струя газа с жидкостью. 4. Гидродробеструйный метод, при котором в качестве рабочих тел используют стальные шары или дробь, источник кинетической энергии - струя жидкости [8]. Из всех способов обработки поверхностным пластическим деформированием наиболее эффективным считается дробеструйный метод. Это один из самых распространенных методов поверхностного пластического деформирования, применяемых для повышения сопротивления усталости деталей, работающих в условиях циклического нагружения. Также это простой и высокопроизводительный способ, позволяющий сократить цикл ремонта, понизить себестоимость, увеличить межремонтный ресурс. Иными словами, дробеструйное упрочнение - это технологический прием механической обработки, который получил широкое применение в авиастроении благодаря простоте использования и эффективности полученных результатов. Основные преимущества обработки деталей дробью: · однородность обработки деталей; · повышение предела усталости обрабатываемого материала; · обеспечение требуемого качества поверхности; · возможность обработки изделий сложной геометрии. Дробеструйная обработка обеспечивает повышение прочностных характеристик деталей за счет формирования благоприятных остаточных напряжений. Она помогает сократить большое количество трещин и истонченных участков на поверхности деталей, которые испытывают повышенные рабочие нагрузки. Подобные результаты достигаются благодаря тому, что в процессе воздействия дроби на обрабатываемую поверхность совершаются интенсивные множественные удары дроби по поверхности материала детали. Отсюда возникновение остаточных напряжений сжатия на внешнем слое обрабатываемой детали. Затем происходит уравновешивание напряжения на растяжение, которое испытывает деталь при эксплуатации. В связи с этим необходимо оценить влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости деталей. К недостаткам способа следует отнести сложность реализации способа замера остаточных напряжений при дробеструйном упрочнении деталей, трудоемкость и низкую точность определения остаточных напряжений. Кроме того, при стравливании слоев материала детали происходит перераспределение остаточных напряжений, что также снижает точность их определения. На первый взгляд кажется, что исследователи с легкостью добиваются повышения выносливости ответственных деталей. Однако следует учесть, что существует множество эмпирических методик назначения режимов дробеструйной обработки. Недостатком их всех является то, что каждая из них ограничена условиями эксперимента, при котором она создана. Если меняются условия эксперимента, то сразу появляется необходимость повторять эксперимент для создания новых методик [9]. Именно поэтому активно предпринимаются попытки разработки и внедрения определенной методики, позволяющей минимизировать экспериментальные исследования, которые основаны на обработке образцов с целью отладки процесса или оптимизации режимов дробеструйной обработки. Цели Методы В предлагаемой методике на основании положений механики пластин получено аналитическое выражение связи прогиба контрольной пластины с действующими остаточными напряжениями после дробеструйной обработки. Дифференциальное уравнение изгиба контрольной пластины определяется дифференциальным уравнением изгиба прямоугольной пластины [13] Главная проблема назначения режимов дробеструйной обработки - это отсутствие зависимостей, д4U> дх4 +2 д4U> + д4U> = р, (1) определяющих энергию, которую поглощает мадх2ду2 ду4 D териал в процессе обработки. Пример эмпиричегде ω(х, у) - функция прогиба; p - поперечная 3 ского решения этой проблемы - метод Almen stips, названный в честь его создателя [10]. Методом Alнагрузка; D = Eh 12(1-µ2) · цилиндрическая жесткость men stips пользуются многие современные предприятия. Его используют для замера и контроля процесса дробеструйного упрочнения и наклепа. На сегодняшний день метод Almen stips - один из основных и общепринятых процессов измерения для контрольного замера интенсивности упрочнения поверхности после обработки дробью. Метод контрольной пластины; E - модуль упругости материала контрольной пластины; μ - коэффициент Пуассона материала пластины; h - толщина контрольной пластины. В случае прогиба пластины остаточными напряжениями после дробеструйной обработки в 4 уравнении (1) р = 0 и уравнение принимает вид предоставляет достоверную картину упрочнения д4U> +2 д4U> + д U> = 0. (2) и наклепа поверхностного слоя, что в свою очередь дх4 дх2ду2 ду4 позволяет привести процесс обработки поверхности дробью в соответствие с заданными характеристиками необходимой величины упрочнения [11]. Целью данного исследования является оценка эффективности дробеструйного упрочнения, т.е. Контрольная пластина в процессе дробеструйной обработки свободно опирается по контуру, при этом функция прогибов, формирующихся в процессе дробеструйной обработки, имеет вид [6] пх пу определение уровня остаточных напряжений, формируемых в процессе дробеструйной обработки. Задача состоит в том, чтобы определить остаточные напряжения при дробеструйной обработке путем измерения деформации контрольной пластины (образца-свидетеля), полученной при одностороннем наклепе в течение конкретного периода времени. После обработки вычисляют стрелу прогиба контрольной пластины. По стреле прогиба устанавливают остаточные напряжения в пластине. Для этого используют метод Н.Н. Давиденкова [12], со- ω(х, у) = ωО sin а sin Ь , (3) где а, Ь - размеры контрольной пластины в плане; ωО - стрела прогиба, соответствующая прогибу центральной части пластины. Функция (3) соответствует упругому деформированному состоянию от остаточных напряжений, сформированных в процессе дробеструйной обработки. При изгибе в сечениях контрольной пластины действуют изгибающие моменты [6] гласно которому из контрольной пластины выред2U> д2U> зают полоску и травлением производят последовательное снятие слоев. При снятии слоев полоска ду2 Мх = -D (дх2 + μ ), д2U> д2U> меняет геометрию за счет изменения напряженного состояния, что позволяет с использованием соответствующих соотношений определить распределение остаточных напряжений пластины. Задачей предлагаемой методики является уп- Му = -D (ду2 +μ дх2 ). (4) В экспериментах по дробеструйной обработке обычно применяют квадратные пластины (а = Ь), поэтому соотношения (4) будут идентичны рощение способа, снижение трудоемкости выявлед2U> д2U> ния распределения остаточных напряжений по толду Мх = Му = -D (дх2 + μ 2 ) = щине контрольной пластинки, повышение точности 2 д2U> определения остаточных напряжений при дробеструйном упрочнении. = -D (д U> + μ ду2 дх2 ), (5) или после подстановки соотношения (3) при Список литературы х = а ,у = 2 Ь для квадратной пластины получим 2 1 1. Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей а2 Мх = Му = ωОπ2 D (1 + μ). (6) машин: справочник. М.: Машиностроение, 1993. 304 с. При изгибе пластины от остаточных напряжений 2. Кирпичев В.А., Букатый А.С., Чирков А.В. Прогнозирование сопротивления усталости поверхностно max 6Мх max 6Му σх = h2 , σу = h2 . (7) упрочненных гладких деталей // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Из выражений (6) и (7) получим значения максимальных остаточных напряжений в контрольной пластине, соответствующих центру контрольной пластины 2012. № 3 (23). С. 102-109. 3. Евстигнеев М.И., Подзей А.В., Сулима А.М. Технология производства двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. 263 с. 4. Павлов В.Ф. О связи остаточных напряжений и осm осm 1 Eh п2 σх = σу = ω ∙ . (8) О 2 1-µ2 а2 Выводы предела выносливости при изгибе в условиях концен- На основании положений механики пластин предложена методика определения остаточных напряжений, формируемых в процессе дробеструйной обработки контрольной пластины. При известном значении стрелы прогиба ωО с помощью соотношения (8) определяются остаточные напряgeometrically restricted finite element simulation techniques for camless engines // International Conference of Advance Research and Innovation (ICARI-2014). 2014. Pp. 56-68. 6. Ma Xingguo, You Xiaomei, Wen Bangchun. Multybody dynamics simulation on flexible crankshaft system // 12th IFToMM World Congress, 2007, June 18-21, Besanх жения σmax у и σmax в центре контрольной пластиcon, France. ны, что позволяет выбрать технологические параметры дробеструйной обработки. Это имеет важное значение для повышения усталости деталей машиностроения, развития и преобразования методов анализа конструкций машиностроения в условия воздействия технологических факторов и различных эксплуатационных нагрузок. Также можно сделать вывод, что наибольшее значение при повышении эффективности ремонта деталей авиационных двигателей имеет увеличение послеремонтного ресурса деталей за счет упрочняющей обработки. В результате проведенного исследования мы можем сделать вывод, что, несмотря на многолетнюю практику изучения процесса поверхностного пластического деформирования дробеструйной обработкой, в этой области не сформирована фундаментальная теоретическая база. Поэтому отсутствует определенная методика оптимального выбора метода упрочняющей обработки для получения требуемой шероховатости поверхностного слоя и усталостной прочности деталей машиностроения.

German L Kolmogorov

Perm National Research Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: dpm@pstu.ru
29 Komsomolsky prospect, Perm, 614000, Russian Federation

Dr Sci. (Eng.), Professor of the Dynamics and Strength of Machine Department

Alexandr S Vysotin

Perm National Research Polytechnic University

Email: dpm@pstu.ru
29 Komsomolsky prospect, Perm, 614000, Russian Federation

graduated from Perm National Research Polytechnic University in 2016. Graduate student of the Dynamics and Strength of Machine Department

  • Kuznetsov N.D., Tseytlin V.I., Volkov V.I. (1993). Tekhnologicheskie metody povysheniya nadyozhnosti detalej mashin [Technological methods to improve the reliability of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 304. (In Russ.)
  • Kirpichev V.A., Bukatyy A.S., Chirkov A.V. (2012). Prediction of fatigue resistance of surface-hardened smooth parts. News of higher educational institutions. Povolzhskiy region. Technical Science, 3(23), 102–109. (In Russ.)
  • Evstigneev M.I., Podzey A.V., Sulima A.M. (1982). Teknologiya proizvodstva dvigatelej letatel’nyh apparatov [Production technology of aircraft engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 263. (In Russ.)
  • Pavlov V.F. (1986). On the relationship between residual stresses and the limit of endurance in bending under conditions of stress concentration. University news. Еngineering, (8), 29–32. (In Russ.)
  • Kanwar J.S. Gill, Pali Rosha, Subhash Chander, Bharaj R.S. (2014). Durability analysis of lightweight crankshafts design. Using geometrically restricted finite element simulation techniques for camless engines. International Conference of Advance Research and Innovation (ICARI-2014), 56–68.
  • Ma Xingguo, You Xiaomei, Wen Bangchun. (2007). Multy-body dynamics simulation on flexible crankshaft system. 12th IFToMM World Congress. June 18–21, Besancon, France.
  • Makhalov M.S. (2012). Computational models of residual stresses of the surface layer after hardening by means of surface plastic deformation. Metal processing (technology, equipment, tools), (3), 110–115. (In Russ.)
  • Sulima A.M., Shulov V.A., Yagodkin Yu.D. (1988). Poverhnostnyj sloj i ekspluatatsionnye svojstva detalej mashin [Surface layer and operational properties of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 240. (In Russ.)
  • Rybakov G.M. (2006). Fundamental principles of quality control of shot blasting machining parts. Report 3. Developing a “predictive function”. University news. Еngineering, (3), 47–52. (In Russ.)
  • Almen J.O. (1943). Peening surfaces improve endurance of machine parts. Metal Progress, (2), 209–217.
  • Oborudovanie dlya antikorrozionnyh rabot. (October 20, 2018). Plastiny Al’mena [Almen Strips]. Available from http://blastservis.ru/kat/kabiny-drobestruynye/ kabiny-naklep-i-uprochnenie/almen-strips (In Russ.)
  • Birger I.A. (1963). Ostatochnye napryazheniya [Residual stress]. Moscow, MASHGIZ Publ., 232. (In Russ.)
  • Timoshenko S.P., Voinovski-Krieger C. (1966). Plastinki i obolochki [Plates and shells]. Moscow, Nauka Publ., 635. (In Russ.)

Views

Abstract - 133

PDF (Russian) - 15


Copyright (c) 2018 Kolmogorov G.L., Vysotin A.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.