Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сығу қалдық кернеуін тудыруға арналған суық металл өңдеу процесі
Cold metal working process to produce compressive residual stress
Шатпен шұғылдану – металдар мен композиттердің механикалық қасиеттерін өзгерту және сығу қалдық кернеу қабатын жасау үшін қолданылатын суық өңдеу процесі. Ол пластикалық деформация тудыруға жеткілікті күшпен (дөңгелек металл, шыны немесе керамикалық бөлшектер) ату арқылы бетке соққы беруді қамтиды. Механикалық өңдеуде шатпен шұғылдану сталь автомобиль краншафталары және жалғау тағандары сияқты компоненттердегі кернеуді күшейту және жеңілдету үшін қолданылады. Сәулетте металлға жұмсақ әрі салмақты түс береді. Шатпен шұғылдану механикалық тұрғыдан құм шашуға ұқсас, бірақ оның мақсаты материалды алып тастау емес, керісінше, оның мақсатына жету үшін пластикалық механизмді пайдаланады, әр бөлшегі шарлы шұғылдағыш балға сияқты жұмыс істейді.
Shot peening is a cold working process used to produce a compressive residual stress layer and modify the mechanical properties of metals and composites. It entails striking a surface with shot (round metallic, glass, or ceramic particles) with force sufficient to create plastic deformation. In machining, shot peening is used to strengthen and relieve stress in components like steel automobile crankshafts and connecting rods. In architecture it provides a muted finish to metal. Shot peening is similar mechanically to sandblasting, though its purpose is not to remove material, but rather it employs the mechanism of plasticity to achieve its goal, with each particle functioning as a ball peen hammer.
Егжей-тегжейлер
Беттің сыпыруы оны пластикалық деформацияға ұшыратады, нәтижесінде беттің механикалық қасиеттері өзгереді. Оның басты қолданылуы – беттегі микрожарықтардың таралуын тоқтату. Материалды сығу кернеуіне салу арқылы, доңғалақты сыпыру мұндай жарықтардың өсуіне кедергі келтіреді. Доңғалақты сыпыру көбінесе ұшақтарды жөндеуде, ұғылу процесінде туындаған созу кернеуін азайту және оны пайдалы сығу кернеуімен алмастыру үшін талап етіледі. Бөлшектің геометриясына, материалына, доңғалақтың материалына, сапасына, қарқындылығына және жабылу деңгейіне байланысты доңғалақты сыпыру шаршаудан қорғау мерзімін 1000%-ға дейін ұзартуға мүмкіндік береді. SAE International ұшқышсыз және басқа да салаларда доңғалақты сыпыруға арналған бірнеше стандарттарды қамтиды.
Peening a surface spreads it plastically, causing changes in the mechanical properties of the surface. Its main application is to avoid the propagation of microcracks in a surface. By putting a material under compressive stress, shot peening prevents such cracks from propagating. Shot peening is often called for in aircraft repairs to relieve tensile stresses built up in the grinding process and replace them with beneficial compressive stresses. Depending on the part geometry, part material, shot material, shot quality, shot intensity, and shot coverage, shot peening can increase fatigue life up to 1000%. SAE International's includes several standards for shot peening in aerospace and other industries.
Процесс және жабдық
Атыс құралын жылжытудың танымал әдістері ауамен атқылау жүйелері және центробегтік дөңгелектерді қамтиды. Ауамен атқылау жүйелерінде, материалдар әртүрлі әдістермен жоғары қысымды ауа ағынына енгізіліп, өңделетін бөлшекке бағытталған сопло арқылы үдетіледі. Центробегтік дөңгелек жоғары жылдамдықты қылақты дөңгелектерден тұрады. Атыс құралы дөңгелектің ортасына енгізіліп, айналу күшімен қылақтармен жылдамдатылады. Материалды енгізу орнын реттеу арқылы, материалдың шығарылу уақытын тиімді басқаруға болады. Басқа әдістерге ультрадыбыстық, ылғалды және лазерлік атқылау (материалдарды қолданбайтын) жатады. Материалдардың таңдауына шар тәрізді құйма болаттан жасалған ұңғыма, керамикалық бұранда, шыны бұранда немесе дөңгеленген кесілген сым кіреді. Кесілген сымнан жасалған ұңғыма артықшылықты, себебі ол тозу кезінде дөңгелектілігін сақтайды, ал құйма ұңғыма өткір сынықтарға бөлінуге бейім, бұл өңделетін бөлшекке зиян келтіруі мүмкін. Кесілген сымнан жасалған ұңғыма құйма ұңғымадан бес есе ұзақ қызмет етеді. Атқылау үшін жақсы сұрыпталған, біркелкі қаттылығы, диаметрі және пішіні бар ұңғыма қажет болғандықтан, процестің барысында ұңғыма сынықтарын жою механизмі қажет. Жабдықтарда ұңғыманы тазалау және жаңарту үшін ажыратқыштар, ал зақымдалған материалды ауыстыру үшін жаңа ұңғыманы автоматты түрде қосуға арналған қоректендіргіштер бар. Атыспен өңдеу – серіппелерді жасаудағы маңызды процесс. Серіппелердің түрлеріне жапырақ серіппелер, созылатын серіппелер және қысылатын серіппелер жатады. Ең көп қолданылатын қолданыс – қозғалтқыш клапандарының серіппелері (қысылатын серіппелер), олардың жоғары циклдік шаршауға төзімділігіне байланысты. OEM клапан серіппесінде механикалық конструкция және атыспен өңдеу ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз етеді. Автомобиль өндірушілері қозғалтқыштардың дамуына байланысты жоғары өнімділігі және жоғары жүктемелі клапан серіппелерінің дизайнына көшуде. Арнайы өнімділігі жоғары клапан серіппелерін қолдану кезінде, бақыланатын және көп сатылы атыспен өңдеу қажет, өйткені олар материалдың ерекшеліктерін асып түсетін экстремалды беттік кернеулерге төтеп беруі керек. Экстремалды өнімділік серіппесінің (NHRA, IHRA) қызмет ету мерзімі демалу немесе бұзылу алдында 1/4 мильдік жарыс трассасында екі рет өтуден де қысқа болуы мүмкін. Атыспен өңдеу косметикалық әсер үшін де қолданылуы мүмкін. Үстіне түсетін кіші ойықтардың нәтижесінде пайда болатын беттің дөрекілігі жарықтың шашырауына себеп болады. Атыспен өңдеу әдетте құммен атқылауға қарағанда үлкен беттік ерекшеліктерді тудыратындықтан, нәтижесінде әсері айқын көрінеді. Атыспен өңдеу және абразивті атқылау материалдарды металл беттеріне жағуға мүмкіндік береді. Атыс немесе шаң бөлшектері ұнтақ немесе сұйықтық арқылы атқыланғанда, соққы бетке жабысып, қабат түзеді. Бұл процесс керамикалық қаптамаларды ендіру үшін қолданылған, бірақ жабылу біркелкі емес, кездейсоқ. 3M металл бетіне алюминий ядросы және кремний қабаты бар бөлшектермен атқылау процесін жасады. Нәтижесінде кремний бетке қосылды. Бұл процесті NASA әзірлеген. Металл немесе металл емес ұсақ ұнтақтарды шыны бұршақтарды атқылау ортасы ретінде пайдаланып металл беттеріне жабыстыруға болады. Бұл процесс бетке молибден дисульфиді сияқты қатты майлау материалдарын жағуға дамиды. Биологиялық үйлесімді керамика осылайша биомедициналық имплантаттарға қолданылған. Атыспен пластикалық жабу кезінде қаптама материалдары атыспен соқтығысқанда жоғары температураға ұшырайды және қаптамалар ұнтақ түрінде болуы керек, бұл қолданылатын материалдардың түрін шектейді. Жылу мәселесін шешу үшін температуралық қалыпты соқтығысу арқылы жүргізілетін қаптау (TM CMC) деп аталатын процесс полимерлер мен антибиотиктерді қаптау ретінде пайдалануға мүмкіндік берді. Қаптама алюминий бөлшектерінің ағынымен бір уақытта бетке бағытталған аэрозоль түрінде ұсынылады. TM CMC процесі әлі де ҒЗЖ даму кезеңінде.
Popular methods for propelling shot media include air blast systems and centrifugal blast wheels. In the air blast systems, media are introduced by various methods into the path of high pressure air and accelerated through a nozzle directed at the part to be peened. The centrifugal blast wheel consists of a high speed paddle wheel. Shot media are introduced in the center of the spinning wheel and propelled by the centrifugal force by the spinning paddles towards the part by adjusting the media entrance location, effectively timing the release of the media. Other methods include ultrasonic peening, wet peening, and laser peening (which does not use media). Media choices include spherical cast steel shot, ceramic bead, glass bead or conditioned (rounded) cut wire. Cut wire shot is preferred because it maintains its roundness as it is degraded, unlike cast shot which tends to break up into sharp pieces that can damage the workpiece. Cut wire shot can last five times longer than cast shot. Because peening demands well graded shot of consistent hardness, diameter, and shape, a mechanism for removing shot fragments throughout the process is desirable. Equipment is available that includes separators to clean and recondition shot and feeders to add new shot automatically to replace the damaged material. Shot peening is a crucial process in spring making. Types of springs include leaf springs, extension springs, and compression springs. The most widely used application are for engine valve springs (compression springs) due to high cyclic fatigue. In an OEM valve spring application, the mechanical design combined with some shot peening ensures longevity. Automotive makers are shifting to more high performance higher stressed valve spring designs as engines evolve. In aftermarket high performance valve spring applications, the need for controlled and multi step shot peening is a requirement to withstand extreme surface stresses that sometimes exceeds material specifications. The fatigue life of an extreme performance spring (NHRA, IHRA) can be as short as two passes on a 1/4 mile drag racing track before relaxation or failure occurs. Shot peening may be used for cosmetic effect. The surface roughness resulting from the overlapping dimples causes light to scatter upon reflection. Because peening typically produces larger surface features than sand blasting, the resulting effect is more pronounced. Shot peening and abrasive blasting can apply materials on metal surfaces. When the shot or grit particles are blasted through a powder or liquid containing the desired surface coating, the impact plates or coats the workpiece surface. The process has been used to embed ceramic coatings, though the coverage is random rather than coherent. 3M developed a process where a metal surface was blasted with particles with a core of alumina and an outer layer of silica. The result was fusion of the silica to the surface. The process known as peen plating was developed by NASA. Fine powders of metals or non metals are plated onto metal surfaces using glass bead shot as the blast medium. The process has evolved to applying solid lubricants such as molybdenum disulphide to surfaces. Biocompatible ceramics have been applied this way to biomedical implants. Peen plating subjects the coating material to high heat in the collisions with the shot and the coating must also be available in powder form, limiting the range of materials that can be used. To overcome the problem of heat, a process called temperature moderated collision mediated coating (TM CMC) has allowed the use of polymers and antibiotic materials as peened coatings. The coating is presented as an aerosol directed to the surface at the same time as a stream of shot particles. The TM CMC process is still in the R&D phase of development.
Қысымның қалдық кернеуі
Жер астындағы қысымдық қалдық кернеу профилі рентгендік дифракция және қаттылық профилі сынақтары сияқты әдістермен өлшенеді. X осі – тереңдік (мм немесе дюйм), ал Y осі – қалдық кернеу (ksi немесе МПа). Максималды қалдық кернеу профиліне соққымен қату процесінің факторлары әсер етеді, оның ішінде: бөлшектің геометриясы, бөлшектің материалы, соққы материалы, соққының сапасы, соққының қарқындылығы және соққының жабылуы. Мысалы, қатайтылған болат бөлшекті бір процесспен соққымен қату және содан кейін сол процесспен қатайтылмаған басқа бөлшекті пайдалану артық қатуға алып келуі мүмкін; бұл беткі қалдық кернеулердің күрт төмендеуіне, бірақ бет астындағы кернеулерге әсер етпейді. Бұл маңызды, себебі максималды кернеулер әдетте материалдың бетінде болады. Бұл төменгі беткі кернеулерді азайту үшін әртүрлі соққы диаметрлері бар көп сатылы қосымша өңдеулермен және төменгі қалдық кернеу қабатын жоятын басқа беттік өңдеулермен жүзеге асыруға болады. Металл қорытпасындағы қысымдық қалдық кернеу, пластикалық деформацияға қабілетті материалдың бетіне қозғалатын массадан (соққы бөлшегінен немесе шар пішіндес қатушыдан) кинетикалық энергияны (К.Э.) беру арқылы туындайды. Қалдық кернеу профилі жабылу тығыздығына да байланысты. Соқтығысу механикасы соққының қаттылығы, пішіні және құрылымы сипаттамаларын, сондай-ақ өңделетін бөлшектің сипаттамаларын қамтиды. Процесті әзірлеу және К.Э. беруді бақылау факторлары: соққы жылдамдығы (доңғалақтың жылдамдығы немесе ауа қысымы/саптама дизайны), соққы массасы, соққы химиясы, соққы бұрышы және өңделетін бөлшектің сипаттамалары. Мысалы: егер сізге өте жоғары қалдық кернеулер қажет болса, сіз үлкен диаметрлі кесілген сымнан жасалған соққыны, жоғары қарқынды процесті, өңделетін бөлшекке тікелей соққыны және өте қатты өңделетін бөлшектің материалындарын пайдалануға тырысасыз.
A sub surface compressive residual stress profile is measured using techniques such as x ray diffraction and hardness profile testings. The X axis is depth in mm or inches and the Y axis is residual stress in ksi or MPa. The maximum residual stress profile can be affected by the factors of shot peening, including: part geometry, part material, shot material, shot quality, shot intensity, and shot coverage. For example, shot peening a hardened steel part with a process and then using the same process for another unhardened part could result in over peening; causing a sharp decrease in surface residual stresses, but not affecting sub surface stresses. This is critical because maximum stresses are typically at the surface of the material. Mitigation of these lower surface stresses can be accomplished by a multi stage post process with varied shot diameters and other surface treatments that remove the low residual stress layer. The compressive residual stress in a metal alloy is produced by the transfer of kinetic energy (K. E.) from a moving mass (shot particle or ball peen) into the surface of a material with the capacity to plastically deform. The residual stress profile is also dependent on coverage density. The mechanics of the collisions involve properties of the shot hardness, shape, and structure; as well as the properties of the workpiece. Factors for process development and the control for K. E. transfer for shot peening are: shot velocity (wheel speed or air pressure/nozzle design), shot mass, shot chemistry, impact angle and work piece properties. Example: if you needed very high residual stresses you would likely want to use large diameter cut wire shot, a high intensity process, direct blast onto the workpiece, and a very hard workpiece material.