Способ определения остаточных напряжений в детали

Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с радиусными переходами большой кривизны, например в зоне скругленной кромки лопатки турбины и компрессора. Сущность изобретения: осуществляют вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров. Для определения остаточных напряжений используют образец V-образной формы с радиусом скругления криволинейной части R=1…3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°. Слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями снимают на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту Н образца, ширину А в основании образца, угол α развода удлинителей. При выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду а, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение е между r и ρ, расстояние у от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы. После чего рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения σ_i в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле. Технический результат: возможность определения тангенциальных остаточных напряжений в зоне кромки пера лопатки с радиусом скругления 1…3 мм и более. 2 ил.

 

Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с радиусными переходами большой кривизны, например в зоне скругленной кромки лопатки турбины и компрессора.

Известен экспериментально-теоретический способ определения тангенциальных остаточных напряжений в образцах с формой криволинейного стержня прямоугольного сечения с удлиненным концом. Исследуемая зона с остаточными напряжениями расположена в криволинейной части образца, длинный конец выполняет роль удлинителя в метрологической схеме. Способ заключается в следующем. В экспериментальной части из детали, в зоне скругленных кромок вырезают и подготавливают образец выше указанной формы. Затем с его рабочей поверхности с остаточными напряжениями, одним из известных способов, например химическим травлением, последовательно снимают тонкие слои материала, замеряя при этом толщину и прогиб образца. В расчетно-теоретической части способа, по полученным в эксперименте данным, с использованием формулы («Технологические остаточные напряжения», под ред. А.В. Подзея, М., Машиностроение, 1973 г., стр. 173 ф-ла 89) рассчитывают остаточные напряжения в слоях от поверхности вглубь материала, при этом вначале определяют три выражения, входящие в формулу:

- функцию f(h) зависимости между толщиной h и прогибом f образца,

- производную df/dh функции f(h),

- интеграл по геометрическим параметрам образца и снимаемых слоев (стр. 165-166, табл. 19, сх.3).

Известный способ, принятый за прототип, имеет ограничения и недостатки.

Ограничения касаются экспериментальной части:

- величина среднего диаметра криволинейного участка образца должна быть более 6 мм,

- соотношение геометрических параметров криволинейного участка (толщины H и диаметра D) должна составлять H/D≤0,2; что соответствует тонкостенным оболочкам.

По расчетно-теоретической части способа отметим следующее:

- во-первых, расчетная формула выведена и применима только для тонкостенных оболочек, при большой кривизне образца ее использование некорректно,

- во-вторых, входящие в расчетную формулу три выше указанных выражения сложны по своей структуре, их вычисления для каждого снимаемого слоя трудоемки,

- в-третьих, при определении функции f(h) используют теорию приближенных вычислений, внесенная таким приближением погрешность трансформируется в производную df/dh и интеграл, что снижает точность определения остаточных напряжений.

Отмеченные ограничения и недостатки известного способа не позволяют применить его для исследований в ряде деталей, например в лопатках, в которых зачастую радиусы скругления кромки пера имеют значения 1…3 мм, что "не вписывается в рамки" известного способа ни по геометрическим параметрам образца, ни по расчетной формуле.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в определении тангенциальных остаточных напряжений в зоне кромки пера лопатки с радиусом скругления 1…3 мм и более.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения остаточных напряжений в детали, включающем вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров, согласно изобретению используют образец V-образной формы, с радиусом скругления криволинейной части R=1…3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°, снимают слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту Η образца, ширину А в основании образца, угол α развода удлинителей, а при выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду а, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение е между r и ρ, расстояние у от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы

а затем рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения и в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле

где i - порядковый номер снятого слоя;

Е - модуль упругости материала;

у_i - расстояние от нейтральной линии изгиба до выпуклой поверхности (дуги А_iВ_iС_i);

r_i - радиус нейтральной линии изгиба образца;

R_i - радиус выпуклой поверхности (дуги А_iВ_iС_i);

t_i - толщина образца после снятия i слоя;

δ_i=(t_i-1-t_i) - толщина каждого i слоя.

Для расчетов тангенциальных остаточных напряжений в предлагаемом способе используется формула, выведенная на основе теории криволинейного бруса (Феодосьев В.И. «Сопротивление материалов», М., Наука, 1986 г. стр. 180…185). В предлагаемом способе значительно улучшена метрологическая часть: применено два удлинителя I_у, являющиеся элементами образца, они разведены на угол α, число геометрических параметров увеличено (t, А, Н, l_y, a, h, R, r, е, у, α, β, γ, φ, ρ), они полностью описывают сложную геометрию образца (стр. 184…186). Параметры I_у и γ измеряются один раз на готовом образце, в ходе эксперимента они не изменяются. Параметры φ и β задаются значениями φ≈1260±5° и β≈126°±5° и выполняются при изготовлении образца. Параметры t, A, H, α измеряются на исходном образце и после снятия каждого тонкого слоя материала. Параметры β, a, h, R, r, ρ, е, у вычисляются по формулам (1…8) для исходного образца и для каждого снятого слоя.

Благодаря указанным отличительным признакам обеспечивается возможность определения тангенциальных остаточных напряжений в образцах с рабочей частью в форме криволинейного стержня с большой кривизной (f/ρ>0,2), характерной для кромки пера лопатки турбин и компрессоров.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид образца для определения остаточных напряжений, указаны измеряемые геометрические параметры.

На фиг. 2 в увеличенном масштабе показана криволинейная часть с дополнительными расчетными параметрами (a, h, R, r, ρ, е, у). На обеих фигурах на боковой поверхности образца показаны базовые метрологические риски, на фиг. 2 буквами ABC обозначена выпуклая поверхность, с которой снимаются тонкие слои материала с остаточными напряжениями.

Способ осуществляется следующим образом.

Из исследуемой детали вырезают заготовку с припусками, затем с помощью "тонких технологий", не вносящих дополнительных напряжений в материал, заготовку обрабатывают до заданных чистовых размеров (фиг. 1). На поверхность образца, неподлежащую снятию слоев, наносят защитное покрытие (например воск или лак), предварительно проведя измерения исходных параметров образца: толщину t в середине криволинейной части, полную высоту H образца, ширину А в основании образца, длину удлинителя I_у, углы α, β, γ. Далее переходят непосредственно к эксперименту. Образец "рабочей" частью погружают в ванну с травильным раствором и проводят химический процесс снятия первого тонкого слоя материала с остаточными напряжениями на выпуклой поверхности криволинейной части (фиг. 2, дуга ABC). Затем образец достают из ванны, смывают водой остатки реактива и вытирают насухо. Известными методами, например на универсальном измерительном микроскопе УИМ-21, замеряют параметры t₁, А₁, Н₁, α₁. С последующими слоями 2, 3…, n поступают аналогично, определяя после каждого снятого тонкого слоя параметры t_i, A_i, Η_i, α_i.

Далее переходят к расчетной части способа. По полученным в эксперименте данным, используя формулы (1…8), рассчитывают дополнительные параметры криволинейной части образца: β_i, a_i, h_i, R_i, r_i, ρ_i, е_i, у_i (фиг. 1, 2) для каждого снятого тонкого слоя. Затем выполняют заключительный этап - расчет тангенциальных остаточных напряжений σ_i в поверхностных слоях, начиная с первого слоя, используя основную формулу (9). Заметим, что для первого слоя второе выражение в формуле равно нулю. При практическом применении предлагаемого способа все расчеты выполняются с использованием компьютера. Таким образом, предлагаемый способ дает возможность определять тангенциальные остаточные напряжения в скругленных кромках большой кривизны деталей типа лопаток газотурбинных авиадвигателей. Получаемые данные будут использоваться при оценке запаса прочности таких изделий и отработке новых технологий их изготовления.

Способ определения остаточных напряжений в детали, включающий вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров, отличающийся тем, что используют образец V-образной формы с радиусом скругления криволинейной части R=1..3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°, при этом слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями снимают на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту H образца, ширину A в основании образца, угол α развода удлинителей, а при выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду a, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение e между r и ρ, расстояние y от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы

а затем рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения σ_i в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле

где i - порядковый номер снятого слоя;
E - модуль упругости материала;
y_i - расстояние от нейтральной линии изгиба до выпуклой поверхности (дуги A_iB_iC_i);
r_i - радиус нейтральной линии изгиба образца;
R_i - радиус выпуклой поверхности (дуги A_iB_iC_i);
t_i - толщина образца после снятия i слоя;
δ_i=(t_i-1-t_i) - толщина каждого i слоя;
l_у - длина удлинителя;
γ - угол, описывающий сложную геометрию образца.