零件的滾壓硬化方法

2023-06-24 15:58:36

專利名稱：零件的滾壓硬化方法
技術領域：
本發明涉及一種對受加載軸線方向負荷的零件的凹槽的滾壓硬化方法，該凹槽有一個最小的曲率半徑，該曲率半徑可在一個關於加載軸線的徑軸向截面內得以確定，其中凹槽在一些沿加載軸線方向相鄰且約垂直於加載軸線的軌道上受到滾壓硬化，這些軌道中的每一條僅覆蓋凹槽的一部分，在滾壓硬化過程中，在零件的凹槽下會產生殘餘壓應力。
本發明尤其涉及對如渦輪機葉片的金屬零件的滾壓硬化，其中這種零件的凹槽應加以滾壓硬化，這種凹槽尤其是用以固定零件的制動槽。尤其是用在一個渦輪機轉子上並相應受到較大的工作離心負荷的渦輪機葉片具有許多制動槽，它們沿加載軸線方向以兩個相互對稱的序列設置並齧入渦輪機轉子上相應的夾頭內。
零件的滾壓硬化同打光表面的壓平以及只有微小變形的定徑滾壓一起被歸入一般概念「表面精密滾壓」中，這在德國材料檢測協會(已註冊登記)的一本名為「提高零件強度的滾壓硬化和打光壓實」的書中有詳細的說明。在此書中收集了在1982年召開的八方會議「工作範圍內的工作強度」(Arbeits Kreises Betriebsfestig-keit)中發表的科學報告。手頭上的這份說明就涉及到B.Fuchsbau-er的報告「試棒滾壓硬化後的疲勞特性」中的第23頁及下頁，還涉及到R.Prummer和R.zeuer的報告」CK 45試件滾壓硬化後的內應力生成和疲勞強度的試驗」的第63頁及下頁。因此滾壓硬化通常是由硬質合金所制的球狀小滾輪來進行變形的表面加工，其目的在於提高零件的使用壽命，尤其是在零件受到振動裂紋腐蝕下的耐用性。在滾壓硬化時，零件表面一部分產生彈性變形，一部分產生塑性變形；這一方面提高了受加工材料表面以及較淺表層的硬度同時另一方面在表面下產生殘餘壓應力。該殘餘壓應力可能適合於防止材料表面產生裂紋。因此殘餘壓應力產生了這樣的適用性，即防止材料產生振動疲勞裂紋腐蝕。
避免由振動裂紋腐蝕所帶來的危險在燃氣輪機或蒸汽輪機的渦輪機葉片的設計和生產中是一個重要的方面。
本文開頭所述方式的滾壓硬化方法出自DE 40 15 205 Cl專利，其中零件具有一個有待用滾壓硬化處理的凹槽，該零件是一渦輪機葉片。其主要目的不在於滾壓硬化方法本身，而在於為滾壓硬化一定的凹槽或溝槽提供適合的工具。
在DE-PS 689 912專利中也涉及到滾壓硬化的過程，其中不是在本文開頭所述的受滾壓硬化的那種零件，而是具有軸向滾柱軸承的輥道的一平面圓環。
DE 36 01 541 A1專利涉及通過用滾動的球來滾壓硬化一工件上的孔的表面以改善孔的表面光潔度。該滾壓硬化優先這樣進行，即球沿著孔的軸線推進，這樣球就可在許多相鄰的且均平行於孔軸線的軌道上滾壓孔。這樣就可能在工件內產生殘餘壓應力，其在孔軸線的切向上有主要分量。
現有技術中眾所周知的對零件上凹槽的滾壓硬化總是以這樣的方式進行，即一球狀滾輪同凹槽的形狀相配，滾輪滾動時對凹槽施加相應的擠壓力。這表明在滾壓硬化過程中產生的殘餘壓應力為各向異性且絕大部分指向凹槽的縱向。這樣這些殘餘壓應力只能有限地適合於抵消本文開頭所述零件(尤其是沿垂直於凹槽的加載軸線方向受負荷的渦輪機葉片)上的工作負荷。
在此意義上本發明的目的在於對本文開頭所述的在一大約垂直於加載軸線的凹槽內對受加載軸線方向負荷的零件進行滾壓硬化的方法作進一步的發展，即使殘餘壓應力能夠更好地對準所受負荷。
本發明用以在一大約垂直於加載軸線的凹槽內滾壓硬化受加載軸線方向負荷的零件的目的是這樣實現的，即該凹槽有一最小曲率半徑，該曲率半徑可在一個平行於加載軸向的截面內得以確定，其中凹槽在一些沿加載軸線方向相鄰且約垂直於加載軸線的軌道上受到滾壓硬化，這些軌道中的每一條僅覆蓋凹槽的一部分，在滾壓硬化過程中，在零件的凹槽下會產生殘餘壓應力，其特徵在於，殘餘壓應力具有沿加載軸向方向的軸向分量和與加載軸線相切的切向分量，其中軸向分量比切向分量大。
本發明基於這樣的認識，即通過在相鄰的分別部分覆蓋凹槽的一些軌道上進行滾壓硬化使殘餘壓應力可產生90°的翻轉。這樣開始大約垂直於加載軸線的殘餘壓應力在經過完全的滾壓硬化後指向加載軸線方向，因而特別適合於抵消沿加載軸線方向受到的負荷。這樣也就能夠尤其在渦輪機葉片上，有效地防止在凹槽中產生裂紋和振動裂紋腐蝕。
「凹槽下」的殘餘壓應力應當具有某種特性的提法也表明，在凹槽內的一較小表面範圍內，由表面到較淺層(鋼製工件的標準深度為0.2mm)之間不作考慮。首先由此說明，表層較深層不同，由於產生滾壓飛邊和滾壓痕，表層受到強度很大的搓揉。它會以很難理解的方式影響和決定表面層的材料特性。因此主要注意力應放在表層下的材料層受影響上，這在避免裂紋產生方面就足夠了。
這樣滾壓硬化零件的凹槽有這樣特別的優點，即在表層下0.6mm深度內，殘餘壓應力的軸向分量大約比其切向分量大50％。
其另一優點在於，殘餘壓應力的軸向分量值在表層下1.5mm深度內為大約500牛頓/mm2。
上述措施的每一個，最好是兩項措施的結合可保證殘餘壓應力有這樣的特性，即有效地防止渦輪機葉片在預計的負荷下產生裂紋和振動裂紋腐蝕。
其另一優點在於，滾壓硬化凹槽的軌道設計為相互重疊搭接。用此方法可在已產生的殘餘壓應力和新的滾壓過程中產生的殘餘壓應力之間產生交替作用，以便在完成滾壓硬化後促進產生所期望的殘餘壓應力。當然在滾壓硬化過程中也使凹槽的表面更加光滑。
最好每個軌道最高時只能覆蓋凹槽的六分之一，這樣一來就要求有大量的滾壓過程以完全滾壓硬化凹槽，這也特別有利於實現產生期望的殘餘壓應力。
這滾壓硬化還有這樣進行的另一優點，即每條軌道由一個球狀滾輪滾過，這滾輪有一最大的球半徑，該半徑明顯較凹槽最小的曲率半徑還小。為滾壓硬化凹槽可只利用一個唯一的滾輪，它挨個滾過所有的軌道；但是也可設想用好些所述類型的滾輪去滾壓硬化凹槽。這最後所述的措施優先適合應用於滾壓硬化具有相對較複雜截面的凹槽。
凹槽在滾壓硬化後最好進行附加的打光壓實，這可通過一唯一的滾輪來進行，該滾輪覆蓋凹槽全部受滾壓硬化的區域且其形狀與凹槽的形狀充分匹配。通過打光壓實可清除掉零件凹槽表面的更小的不平度，這樣可再次改善表面質量，尤其是改善其耐腐蝕強度。
打光壓實最好用一個可同時覆蓋大量軌道的滾輪進行，這樣尤其在兩相鄰軌道間滾壓硬化時可能產生的稜邊就被清除了，而且還可用簡單方法保證在打光壓實時滾輪作用在凹槽上的壓力與滾壓硬化時的作用力間有一適當的比例。比較有利的做法是在打光壓實時作用在凹槽上的壓力明顯較滾壓硬化時的壓力小。特別有利的做法是在打光壓實時同時覆蓋凹槽的所有滾壓硬化軌道，這樣需完成設置一個唯一的適用於此的滾輪。必要的話滾輪可多次滾壓凹槽，無論如何可以按本發明進行滾壓硬化之後採用簡單的方法和較少的費作來實現光滑的凹槽表面。
本發明的任一設計尤其適合於滾壓硬化金屬制零件的凹槽，尤其適用於鋼製零件中，例如鉻鋼製零件。其中作為鉻鋼尤其是X20Cr13鋼是比較合適的；這種鋼尤其經常應用於渦輪機葉片。
按發明有待進行處理的零件也可由另一種金屬如鈦和鈦合金製成。將本發明方法應用於高強度材料(尤其是高強度鋼或高強度鈦合金)制零件非常重要。
如已提及那樣，本發明方法尤其適用於渦輪機葉片，其中凹槽是一種制動槽。首先將這方法這樣應用在渦輪機葉片上具有特別的優點，即同時滾壓硬化兩相互對置的制動槽，這樣因同時處理兩凹槽，既節省了工作又因用兩滾輪分別滾壓各自的制動槽並相互抵靠，這樣支撐裝置就不需要了，因而又節約了器械。此外，在同時受滾壓硬化的凹槽中產生某種對稱的殘餘壓應力，這又進一步有利於產生阻礙裂紋生成和產生振動裂紋腐蝕的阻力。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明，附圖中

圖1為帶有待滾壓硬化凹槽的零件及用於滾壓硬化或打光壓實滾輪的裝置圖；圖2為滾壓硬化凹槽前和滾壓硬化凹槽後的截面比較圖；圖3所示為渦輪機葉片；圖4為滾壓硬化渦輪機葉片上的一凹槽的裝置圖；圖5為與圖1類似的裝置；圖6為在圖5所示裝置中按本發明產生的殘餘壓應力簡圖；圖7為在圖5所示裝置中按現有技術產生的殘餘壓應力簡圖。
圖1所示零件2應當可受加載軸線1方向上的負荷並具有兩個凹槽3，這兩凹槽垂直於加載軸線1，也應當可延長到圖面外或圖面內；因此為圖示需要，圖1所示為一個與加載軸線1平行的截面尤其是一種徑軸向截面。每個凹槽3有一最小曲率半徑4，在圖示的實施例中，該曲率半徑相當於截面為圓形的凹槽3的曲率半徑。圖中所示右面的凹槽3藉助一相應的滾輪6按本發明的方法進行滾壓硬化；滾輪6呈球狀，在其外圈倒了圓角，其具有一個最大的球半徑7，因滾輪6有一圓環形剖面，在圖示實施例中該球半徑相當於滾輪6的曲率半徑。這曲率半徑明顯較凹槽3的最小曲率半徑4小；因此為完全滾壓硬化凹槽3，至少要求用滾輪6對凹槽3上所有要滾壓的地方進行多次的滾壓。滾輪6固定在支架10中，出於這樣的目的，例如為沿加載軸線1的方向前進，該支架10可包含一個這樣的裝置。滾輪6可繞一條旋轉軸8作旋轉。圖示左側的滾輪13相比較具有一最大的球半徑7，該球半徑大約相當於凹槽3的最小曲率半徑4，這樣凹槽3在經過滾壓硬化後又可進行打光壓實。打光壓實尤其可用來打光凹槽3的表面，這對進一步改善其質量是很重要的。滾輪13同樣可繞旋轉軸8作旋轉且同樣可固定在一個相配屬的支架10中。按現有技術如有必要的話，滾輪13也可用來滾壓硬化。
圖2所示為零件2上的凹槽3經滾壓硬化後的變形放大圖。在滾壓硬化前凹槽3有一虛線表示的初始輪廓14，該初始輪廓在滾壓硬化過程中會發生變化並最終形成將劃斷面線區域包住的最終輪廓15。滾壓硬化是這樣進行的，即滾輪6(圖中未示出)在許多相鄰的且相互部分重疊搭接的軌道5上滾壓凹槽3。對凹槽3的滾壓始終會造成一定的變形；所有在滾壓硬化中引起的變形都在圖2中表示出來了。這些變形一方面導致變形後表面的某種程度的硬化，另一方面也在變形後的表面下產生殘餘壓應力。通過在許多相鄰軌道5上的滾壓硬化可實現對殘餘壓應力特別有利的分配和指向，這些將在下面作進一步的詳細說明。從圖2中也可知道，凹槽3由軌道5到軌道5間的變形也是不同的，對此尤其是滾輪6(參見圖1)壓在凹槽3上的壓力也會發生變化。利用這些手段，不但最終輪廓15的形狀而且硬度和殘餘壓應力的分布都會敏感地符合所提出的要求，尤其符合本發明所提出的要求。
圖3所示為具有一葉片12和葉根11(僅部分示出)的渦輪機葉片2，渦輪機工作時，流體介質就流經葉片12。葉根11則錨定在渦輪機的轉子上。這樣葉根部分11上的凹槽3就作為制動槽嵌入相應的匹配件中，特別是這些凹槽3有待用所述方式進行滾壓硬化。加載軸線1指向葉片12的縱向，這些制動槽3則大約垂直於加載軸線1。
圖4所示是沿加載軸線1方向看過去，帶有一葉根部分11和一葉片12的渦輪機葉片2如何可以在制動槽(不可見)3處進行滾壓硬化加工的。葉根部分11被夾緊在固定裝置9中。葉根部分11有一垂直於加載軸線1並帶有兩彎曲側面16的輪廓，凹槽3位於這兩彎曲側面中。這類彎曲側面16有時候用在為低壓蒸汽渦輪機最末一級設置的渦輪機葉片2上。這些渦輪機葉片2在渦輪工作時會承受特別高的機械負荷，這些機械負荷可由這種彎曲側面16很好地承受。兩個相對置的滾輪6同時對兩彎曲側面16進行滾壓硬化。為此須設置相應的支架和產生必要擠壓力的裝置。渦輪機葉片2沿著兩滾輪6之間的箭頭方向轉向。滾輪6用這樣的方式相互抵靠在一起。這樣就可取消渦輪機葉片2的特殊支撐裝置。
圖5所示為與圖1所示裝置相類似的裝置，其中零件2是仿製渦輪機葉片的試樣；加載軸線1也表示出來了。試樣的左側受到一個滾輪6的滾壓，該滾輪以其相對較小的曲率半徑作用在零件2上並相應地用於本發明的滾壓硬化中。零件2的右側會受到一個具有明顯更大的最大球半徑的滾輪13的滾壓，該滾輪相應可用於打光壓實或如以下圖7所示那樣，是以進行現有技術水平的滾壓硬化。零件2由材料X20Cr13製成並在以下所述實施例中受一滾輪6的滾壓，該滾輪的圓環狀部位的半徑為1.5mm，為相當於最大的球半徑，該滾輪作用在零件2上並具有138.5mm的直徑。零件2將在11條軌道上受到滾壓，這些軌道間的中心距為0.5mm。滾輪6作用在零件2上的壓力從這條軌道到那條軌道間的變化在2.8KN到25KN之間。相應地作用在零件2上的壓強在14bar到125bar之間。為作比較，該零件在其右側也會受到一個滾輪13的滾壓，該滾輪的圓環狀部分的曲率半徑為3.8mm，該滾輪作用在零件2上。在六次滾壓過程中分別就10KN，20KN和30KN進行兩次滾壓。滾輪13的直徑同樣為138.5mm。
圖6所示為用本發明方法對零件2實行滾壓硬化後，在零件2中產生的殘餘壓應力17、18隨深度(在最終成形輪廓上測量)的變化曲線。由圖可明顯看出，在1.5mm的深度範圍內，殘餘壓應力的軸向分量17明顯較其切向分量18大許多。在0.6mm深度內，軸向分量17較切向分量18大大約50％，其中在1.5mm深度範圍內軸向分量的值約為500N/mm2。圖6中所示殘餘壓應力為負值，在坐標軸上的正值相當於拉伸內應力。
圖7是為作比較，用滾輪13(參見圖5)進行滾壓所產生的殘餘壓應力17、18。在一較小的表層區域19之外(該區域為從表面以下的約0.2mm深度範圍)，殘餘壓應力的軸向分量值17總是較其切向分量值18小一些。此外，在表層區域19內，軸向分量17產生顯著的波動，這樣就不能將其認為是一種系統化的傾向。尤其在對圖6和圖7作比較後，可清楚地了解本發明方法的主要特性。因此本發明可能是第一次通過對滾壓硬化進行相應的發展設計來影響零件2中的殘餘壓應力方向(如圖中清楚顯示那樣)及殘餘壓應力值的大小並使得殘餘壓應力方向和大小均特別使零件2適合承受預計的負荷。
權利要求
1.在一個約垂直於加載軸線(1)的凹槽(3)內，對受加載軸線(1)方向負荷的零件(2)進行滾壓硬化的方法，該凹槽(3)有一最小曲率半徑(4)，該曲率半徑(4)可在一個平行於加載軸線(1)的截面內得以確定，其中凹槽(3)在好些沿加載軸線(1)方向相鄰且大約垂直於加載軸線(1)的軌道上受到滾壓硬化，這些軌道中的每一條僅覆蓋凹槽(3)的一部分，在滾壓硬化過程中，在零件(2)的凹槽(3)下會產生殘餘壓應力，其特徵在於，殘餘壓應力具有沿加載軸線(1)的軸向分量(17)和切向分量(18)，其中軸向分量(17)顯著地較切向分量(18)大。
2.根據權利要求1所述的滾壓硬化方法，其中在0.6mm的深度範圍內，殘餘壓應力的軸向分量(17)約比其切向分量(18)大50％。
3.根據權利要求1或2所述的滾壓硬化方法，其中在1.5mm的深度範圍內，殘餘壓應力的軸向分量值約為500N/mm2。
4.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中相鄰的滾壓軌道(5)相互重疊搭接。
5.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中每條軌道(5)最大能覆蓋凹槽(3)的六分之一。
6.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中每條軌道(5)由一個具一最大球半徑(7)的球狀滾輪(6)來滾壓，該最大球半徑(7)顯著地較凹槽(3)的最小曲率半徑(4)小。
7.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中凹槽(3)在受滾壓硬化後還進行打光壓實。
8.根據權利要求6所述的滾壓硬化方法，其中凹槽(3)用一個滾輪(13)來打光壓實，滾輪(13)可同時覆蓋許多軌道(5)，尤其是同時覆蓋所有的軌道(5)。
9.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中零件(2)由金屬，特別是鋼，鈦或鈦合金製成。
10.根據上述任一權利要求所述的滾壓硬化方法，其中零件(2)是一渦輪機葉片。
11.根據權利要求10所述的滾壓硬化方法，其中凹槽(3)是渦輪機葉片(2)上的制動槽。
12.根據權利要求11所述的滾壓硬化方法，其中渦輪機葉片(2)具有兩個相互對置的制動槽(3)，渦輪機葉片(2)在這兩個制動槽(3)內同時受到滾壓硬化。
全文摘要
本發明涉及一種在一個約垂直於加載軸線(1)的凹槽(3)內，對受加載軸線(1)方向負荷的零件(2)進行滾壓硬化的方法，該凹槽(3)有一最小曲率半徑(4)，該曲率半徑(4)可在一個平行於加載軸線(1)的截面內得以確定。凹槽(3)在好些沿加載軸線(1)方向相鄰且大約垂直於加載軸線(1)的軌道上受到滾壓硬化，其中這些軌道中的每一條僅覆蓋凹槽(3)的一部分，在滾壓硬化中產生的殘餘壓應力具有沿加載軸線(1)的軸向分量(17)和切向分量(18)，其中軸向分量(17)顯著地較切向分量(18)大。本發明方法尤其適合滾壓硬化渦輪機葉片(2)的葉根部分(11)上的制動槽(3)。
文檔編號B23P9/02GK1119841SQ94191552
公開日1996年4月3日 申請日期1994年3月15日 優先權日1993年3月22日
發明者霍斯特·西格, 迪特爾·蒂勒, 漢斯·華格納 申請人:西門子公司