Nagniatanie o niskiej plastyczności

Nagniatanie o niskiej plastyczności ( LPB ) to metoda ulepszania metalu, która zapewnia głębokie, stabilne naprężenia szczątkowe powierzchni przy niewielkiej obróbce na zimno, co poprawia tolerancję na uszkodzenia i wydłuża żywotność zmęczeniową metalu . Udokumentowano lepszą odporność na zmęczenie cierne i korozję naprężeniową, nawet w podwyższonych temperaturach, w których rozluźnia się ściskanie z innych procesów ulepszania metalu. Wykazano również, że wynikająca z tego głęboka warstwa ściskającego naprężenia szczątkowego poprawia wydajność zmęczenia wysokocyklowego (HCF) i zmęczenia niskocyklowego (LCF).

Historia

W przeciwieństwie do LPB, tradycyjne narzędzia do nagniatania składają się z twardego koła lub zamocowanej na stałe nasmarowanej kulki wciśniętej w powierzchnię asymetrycznego przedmiotu obrabianego z siłą wystarczającą do odkształcenia warstw powierzchniowych, zwykle na tokarce. Proces polega na wielokrotnym przejściu przez obrabiane elementy, zwykle pod rosnącym obciążeniem, w celu poprawy wykończenia powierzchni i celowej obróbki zimnej powierzchni. Nagniatanie wałkami i kulkami badano w Rosji i Japonii, a najszerzej stosowano je w ZSRR w latach 70. W celu poprawy trwałości zmęczeniowej stosuje się różne metody nagniatania, zwłaszcza w Europie Wschodniej. Udokumentowano ulepszenia w zakresie HCF, zmęczenia korozyjnego i SCC, przy czym zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej przypisuje się ulepszonemu wykończeniu, utworzeniu ściskającej warstwy powierzchniowej oraz zwiększonej granicy plastyczności obrabianej na zimno powierzchni.

LPB został opracowany i opatentowany przez Lambda Technologies w Cincinnati, Ohio w 1996 roku. Od tego czasu LPB został opracowany w celu uzyskania kompresji w szerokiej gamie materiałów w celu złagodzenia uszkodzeń powierzchni, w tym frettingu, korozji wżerowej, pękania korozyjnego naprężeniowego ( SCC ) i uszkodzenia ciała obcego (FOD) i jest wykorzystywany do pomocy w codziennych operacjach MRO. Do dnia dzisiejszego LPB jest jedyną metodą ulepszania metali stosowaną pod ciągłą kontrolą procesu w pętli zamkniętej i jest z powodzeniem stosowana w silnikach turbinowych, silnikach tłokowych, śmigłach, starzejących się konstrukcjach samolotów, podwoziach, pojemnikach na odpady nuklearne, implantach biomedycznych, uzbrojeniu, sprzęt fitness i złącza spawane. Zastosowania obejmowały komponenty na bazie tytanu, żelaza, niklu i stali i wykazały lepszą tolerancję na uszkodzenia, a także odporność na zmęczenie w wysokich i niskich cyklach o rząd wielkości.

Jak to działa

Podstawowym narzędziem LPB jest kula, kółko lub inna podobna końcówka, która jest osadzona w sferycznym łożysku hydrostatycznym . Narzędzie może być trzymane w dowolnej CNC lub przez roboty przemysłowe, w zależności od zastosowania. Chłodziwo obrabiarki służy do zwiększania ciśnienia w łożysku przy ciągłym przepływie płynu w celu podparcia kulki. Kula nie styka się z łożyskiem mechanicznym siedzenia, nawet pod obciążeniem. Kula jest ładowana w stanie normalnym do powierzchni elementu za pomocą cylindra hydraulicznego, który znajduje się w korpusie narzędzia. LPB można wykonać w połączeniu z operacjami obróbki skrawaniem z formowaniem wióra w tym samym narzędziu do obróbki CNC.

Kulka toczy się po powierzchni elementu według wzoru zdefiniowanego w kodzie CNC, tak jak w każdej operacji obróbki skrawaniem. Ścieżka narzędzia i zastosowany nacisk normalny mają na celu stworzenie rozkładu szczątkowego naprężenia ściskającego. Forma rozkładu ma na celu przeciwdziałanie zastosowanym naprężeniom i optymalizację zmęczenia i odporności na korozję naprężeniową. Ponieważ piłka nie jest ścinana, może swobodnie toczyć się w dowolnym kierunku. Gdy kulka toczy się po elemencie, nacisk wywierany przez kulkę powoduje odkształcenie plastyczne wystąpić na powierzchni materiału pod kulką. Ponieważ większość materiału ogranicza odkształcony obszar, zdeformowana strefa pozostaje ściśnięta po przejściu piłki.

Korzyści

Proces LPB obejmuje unikalny i opatentowany sposób analizy, projektowania i testowania elementów metalowych w celu opracowania unikalnej obróbki metalu niezbędnej do poprawy wydajności i zmniejszenia zmęczenia metalu, SCC i uszkodzeń spowodowanych zmęczeniem korozyjnym . Lambda modyfikuje proces i oprzyrządowanie dla każdego komponentu, aby zapewnić najlepsze możliwe wyniki i zapewnić, że urządzenie dotrze do każdego cala na elemencie. Dzięki tej praktyce dostosowywania wraz z systemem kontroli procesu w pętli zamkniętej wykazano, że LPB zapewnia maksymalną kompresję 12 mm, chociaż średnia wynosi około 1-7 + mm. Wykazano nawet, że LPB ma zdolność wytwarzania kompresji na całej grubości łopatek i łopatek, znacznie zwiększając ich odporność na uszkodzenia ponad 10-krotnie, skutecznie łagodząc większość FOD i zmniejszając wymagania dotyczące kontroli. Żaden materiał nie jest usuwany podczas tego procesu, nawet podczas korygowania uszkodzeń spowodowanych korozją. LPB wygładza nierówności powierzchni podczas obróbki, pozostawiając ulepszone, prawie lustrzane wykończenie powierzchni, które jest znacznie lepiej wyglądające i lepiej chronione niż nawet nowo wyprodukowany element.

Chłodne pracowanie

Obróbka na zimno wytwarzana w tym procesie jest zazwyczaj minimalna, podobnie jak obróbka na zimno wytwarzana przez śrutowanie laserowe , tylko kilka procent, ale znacznie mniej niż śrutowanie , śrutowanie grawitacyjne lub głębokie walcowanie. Obróbka na zimno jest szczególnie ważna, ponieważ im wyższa jest obróbka na zimno na powierzchni elementu, tym bardziej podatny na podwyższoną temperaturę i mechaniczne przeciążenie będzie ten element oraz tym łatwiej rozluźni się szczątkowa kompresja korzystnej powierzchni, czyniąc obróbkę bezcelową. Innymi słowy, element, który został poddany obróbce na zimno, nie utrzyma kompresji, jeśli wejdzie w kontakt z ekstremalnymi temperaturami, jak silnik, i będzie tak samo podatny na uszkodzenia, jak podczas uruchamiania. Dlatego LPB i śrutowanie laserowe wyróżniają się w przemyśle ulepszania powierzchni, ponieważ oba są stabilne termicznie w wysokich temperaturach. Powodem, dla którego LPB wytwarza tak niski procent obróbki na zimno, jest wspomniana wcześniej kontrola procesu w zamkniętej pętli. Konwencjonalne procesy śrutowania wiążą się z pewnymi domysłami i wcale nie są dokładne, co powoduje, że procedura musi być wykonywana wiele razy na jednym elemencie. Na przykład śrutowanie, aby upewnić się, że każde miejsce na elemencie zostanie poddane obróbce, zazwyczaj określa pokrycie między 200% (2T) a 400% (4T). Oznacza to, że przy pokryciu 200% (2T) występuje 5 lub więcej uderzeń w 84% lokalizacji, a przy pokryciu 400% (4T) jest to znacznie więcej. Problem polega na tym, że jeden obszar zostanie uderzony kilka razy, podczas gdy obszar obok niego zostanie uderzony mniej razy, pozostawiając nierówną kompresję na powierzchni. Ta nierówna kompresja powoduje, że cały proces można łatwo „cofnąć”, jak wspomniano powyżej. LPB wymaga tylko jednego przejścia narzędziem i pozostawia głębokie, równomierne, korzystne naprężenie ściskające.

Proces LPB można przeprowadzić na miejscu w warsztacie lub na miejscu w samolocie przy użyciu robotów, co ułatwia włączenie go do codziennych procedur konserwacji i produkcji. Metoda jest stosowana w ciągłej kontroli procesu w pętli zamkniętej (CLPC), zapewniając dokładność w granicach 0,1% i natychmiast ostrzegając operatora i dział kontroli jakości, jeśli granice przetwarzania zostaną przekroczone. Ograniczeniem tego procesu jest to, że dla każdego zastosowania należy opracować różne kody obróbki CNC, tak jak w przypadku każdego innego zadania obróbki skrawaniem. Inną kwestią jest to, że ze względu na ograniczenia wymiarowe może nie być możliwe stworzenie narzędzi niezbędnych do pracy nad niektórymi geometriami, chociaż nie stanowi to jeszcze problemu.

Zobacz też

  • Beres, W. „Ch. 5- Obróbka powierzchni odporna na FOD / HCF”. NATO/Otan. Pobrano 11 grudnia 2008 z ftp://ftp.rta.nato.int/PubFullText/RTO/TR/RTO-TR-AVT-094/TR-AVT-094-05.pdf . Zawiera doskonałe porównanie kilku zabiegów powierzchniowych.
  • Exactech. „Nagniatanie o niskiej plastyczności”. Pobrano 11 grudnia 2008 z http://www.exac.com/products/hip/emerging-technologies/low-plasticity-burnishing .
  • Giummara, C., Zonker, H. „Poprawa reakcji zmęczeniowej połączeń strukturalnych w przemyśle lotniczym”. Alcoa Inc., Centrum Techniczne Alcoa, Pittsburgh, Pensylwania. Prezentowane na ICAF 2005 Proceedings w Hamburgu, Niemcy.
  • Jayaraman, N., Prevey, P. „Studium przypadku łagodzenia FOD, zmęczenia frettingowego, zmęczenia korozyjnego i uszkodzeń SCC przez polerowanie o niskiej plastyczności w stopach konstrukcyjnych samolotów”. Przedstawiony dla programu integralności strukturalnej USAF. Memphis, Tennessee. 2005.
  • Technologie Lambdy. „Nota aplikacyjna LPB: Starzejące się samoloty”. Pobrano 20 października 2008 z http://www.lambdatechs.com/html/documents/Aa_pp.pdf .
  • Migala, T., Jacobs, T. „Nagniatanie o niskiej plastyczności: niedrogi, skuteczny sposób ulepszania powierzchni”. Pobrano 11 grudnia 2008 z http://www.surfaceenhancement.com/techpapers/729.pdf .
  • NASA. „Opracowywana jest ulepszona metoda ulepszania powierzchni materiałów metalowych”. Źródło 29 października 2008 z [1] .
  • NASA: Centrum Badawcze Johna Glenna. „Żywotność zmęczeniowa i odporność na uszkodzenia są zwiększone stosunkowo niskim kosztem”. Pobrano 11 grudnia 2008 z http://www.techbriefs.com/index.php?option=com_staticxt&staticfile=Briefs/Aug02/LEW17188.html .
  • Prevey, P., Ravindranath, R., Shepard, M., Gabb, T. „Studium przypadku poprawy trwałości zmęczeniowej przy użyciu nagniatania o niskiej plastyczności w zastosowaniach silników turbin gazowych”. Zaprezentowany w czerwcu 2003 na targach ASME Turbo Expo. Atlanta, GA.
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Low_plasticity_burnishing&oldid=1052013581 ”