Дробеструйная обработка для создания остаточных сжимающих напряжений
Shot peening
Дробеметная обработка: создание компрессионных остаточных напряжений в металлах для повышения прочности и долговечности. Применение в машиностроении и архитектуре.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Процесс холодной обработки металла для создания остаточного напряжения сжатия.
Cold metal working process to produce compressive residual stress
Дробеструйная обработка – это процесс холодной обработки, используемый для создания слоя остаточного напряжения сжатия и изменения механических свойств металлов и композиционных материалов. Он заключается в ударе по поверхности гранулами (округлыми металлическими, стеклянными или керамическими частицами) с силой, достаточной для создания пластической деформации. В машиностроении дробеструйная обработка применяется для повышения прочности и снятия напряжений в компонентах, таких как стальные коленчатые валы и шатуны автомобилей. В архитектуре она обеспечивает матовую отделку металла. Дробеструйная обработка механически схожа с пескоструйной обработкой, однако ее цель – не удаление материала, а использование механизма пластичности для достижения желаемого результата, при этом каждая частица действует как шаровый молоток.
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.
Подробности
Дробеметная обработка (или рихтовка) пластически деформирует поверхность, вызывая изменения в ее механических свойствах. Основное применение – предотвращение распространения микротрещин на поверхности. Создавая в материале предварительное сжатие, дробеметная обработка препятствует развитию таких трещин. Дробеметная обработка часто применяется при ремонте самолетов для снятия растягивающих напряжений, возникающих в процессе шлифования, и замены их полезными сжимающими напряжениями. В зависимости от геометрии детали, материала детали, материала дроби, качества дроби, интенсивности обработки и степени покрытия, дробеметная обработка может увеличить срок службы при усталости до 1000%. SAE International разрабатывает несколько стандартов для дробеметной обработки в аэрокосмической и других отраслях промышленности.
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 и оборудование
Популярные методы для разгона дроби включают в себя воздушные струйные системы и центробежные дробеструйные колеса. В воздушных струйных системах дробь подается различными способами в поток воздуха высокого давления и ускоряется через сопло, направленное на обрабатываемую деталь. Центробежное дробеструйное колесо состоит из быстровращающегося рабочего колеса. Дробь подается в центр вращающегося колеса и разгоняется центробежной силой лопастями колеса в сторону детали, при этом регулировка места подачи дроби позволяет эффективно синхронизировать ее выброс. Другие методы включают ультразвуковую дробеструйную обработку, мокрую дробеструйную обработку и лазерную дробеструйную обработку (которая не использует дробь). Выбор дроби включает сферическую стальную дробь, керамическую дробь, стеклянную дробь или окатанную (округленную) проволочную дробь. Проволочная дробь предпочтительнее, поскольку она сохраняет свою округлость при износе, в отличие от литой дроби, которая имеет тенденцию разрушаться на острые осколки, способные повредить деталь. Проволочная дробь может служить в пять раз дольше, чем литая дробь. Поскольку дробеструйная обработка требует хорошо сортированной дроби с постоянной твердостью, диаметром и формой, желательно наличие механизма для удаления фрагментов дроби в процессе обработки. Существует оборудование, включающее сепараторы для очистки и восстановления дроби и податчики для автоматического добавления новой дроби взамен поврежденной. Дробеструйная обработка является важным процессом при изготовлении пружин. Типы пружин включают листовые, тяговые и компрессионные пружины. Наиболее широкое применение находят пружины клапанов двигателей (компрессионные пружины) из-за высокой усталостной прочности. В OEM-применениях клапанных пружин механическая конструкция в сочетании с дробеструйной обработкой обеспечивает долговечность. Автопроизводители переходят к более производительным конструкциям клапанных пружин с более высокими напряжениями по мере развития двигателей. В послепродажных высокопроизводительных клапанных пружинах требуется контролируемая и многоступенчатая дробеструйная обработка для выдерживания экстремальных поверхностных напряжений, которые иногда превышают спецификации материала. Срок службы на усталость высокопроизводительной пружины (NHRA, IHRA) может составлять всего два прохода на 1/4 мили трассы перетаскивания до начала релаксации или разрушения. Дробеструйная обработка может использоваться и для косметического эффекта. Шероховатость поверхности, возникающая в результате перекрывающихся углублений, вызывает рассеяние света при отражении. Поскольку дробеструйная обработка обычно создает более крупные поверхностные элементы, чем пескоструйная обработка, получаемый эффект более выражен. Дробеструйная и абразивная обработка могут наносить материалы на металлические поверхности. Когда дробь или абразивные частицы пробиваются через порошок или жидкость, содержащие желаемое поверхностное покрытие, они внедряют или наносят покрытие на поверхность детали. Этот процесс использовался для внедрения керамических покрытий, хотя покрытие получается случайным, а не однородным. Компания 3M разработала процесс, при котором металлическая поверхность обрабатывалась частицами с ядром из оксида алюминия и внешним слоем из диоксида кремния. В результате произошло сплавление диоксида кремния с поверхностью. Процесс, известный как "плакирование дробеструйной обработкой", был разработан NASA. Тонкие порошки металлов или неметаллов наносятся на металлические поверхности с использованием стеклянной дроби в качестве абразивного материала. Процесс развился до нанесения твердых смазочных материалов, таких как дисульфид молибдена, на поверхности. Биосовместимая керамика наносится таким образом на биомедицинские имплантаты. Процесс подвергает материал воздействию высоких температур при столкновении с дробью, и покрытие также должно быть доступно в виде порошка, что ограничивает диапазон используемых материалов. Для решения проблемы нагрева был разработан процесс, называемый "покрытие, опосредованное столкновением с умеренной температурой" (TM CMC), который позволяет использовать полимеры и антибиотические материалы в качестве нанесенных покрытий. Покрытие подается в виде аэрозоля, направленного на поверхность одновременно с потоком дроби. Процесс TM CMC все еще находится на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
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.
Остаточный нагрузка на сжатие
Профиль остаточного напряжения сжатия под поверхностью измеряется с использованием таких методов, как рентгеновская дифракция и испытания профиля твердости. Ось X – глубина в мм или дюймах, а ось Y – остаточное напряжение в ksi или МПа. На максимальный профиль остаточного напряжения могут влиять факторы, связанные с дробеструйной обработкой, в том числе: геометрия детали, материал детали, материал дроби, качество дроби, интенсивность дробеструйной обработки и степень покрытия. Например, дробеструйная обработка закаленной стальной детали с использованием определенного процесса, а затем применение того же процесса к незакаленной детали может привести к переобработке, вызывая резкое снижение поверхностных остаточных напряжений, но не влияя на подповерхностные напряжения. Это критически важно, поскольку максимальные напряжения обычно находятся на поверхности материала. Снижение этих низких поверхностных напряжений можно достичь с помощью многоступенчатой постобработки с использованием дроби различного диаметра и других поверхностных обработок, удаляющих слой с низкими остаточными напряжениями. Остаточные напряжения сжатия в металлическом сплаве создаются за счет передачи кинетической энергии (К.Э.) от движущейся массы (дробинки или шарика) на поверхность материала, способного к пластической деформации. Профиль остаточного напряжения также зависит от плотности покрытия. Механика столкновений включает в себя свойства твердости, формы и структуры дроби, а также свойства заготовки. Факторы для разработки процесса и контроля передачи К.Э. при дробеструйной обработке включают: скорость дроби (скорость вращения колеса или давление воздуха/конструкция сопла), массу дроби, химический состав дроби, угол удара и свойства заготовки. Например, если требуются очень высокие остаточные напряжения, вероятно, следует использовать крупнодиаметровую резаную проволоку, высокоинтенсивный процесс, прямое воздействие на заготовку и очень твердый материал заготовки.
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.