Hartowanie gazowe nawęglanych kół zębatych przekładni silnika lotniczego
Koła zębate w przekładni silnika z przekładnią redukcyjną (geared turbofan) przenoszą ekstremalne obciążenia przy dużych prędkościach, dlatego twardość warstwy, własności rdzenia i geometria są ściśle określone. Wysokociśnieniowe hartowanie gazowe jest czystsze i łatwiejsze do kontrolowania niż olejowe — ale tylko wtedy, gdy hartowanie zaprojektowano pod konkretną część.
Jeden model — od profilu węgla do końcowego kształtu.
Prace zrealizowano w ramach doktoratu wdrożeniowego naszego założyciela, dr. inż. Bartosza Iżowskiego, na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej; rozprawa została wyróżniona. Powstały cyfrowe bliźniaki dwóch wariantów hartowania kół zębatych silnika turbowentylatorowego nowej generacji z przekładnią redukcyjną.
Wyzwanie
Nawęglanie daje twardą, odporną na zużycie warstwę na ciągliwym rdzeniu. Hartowanie, które po nim następuje, decyduje o tym, czy warstwa osiągnie wymaganą twardość — i jak bardzo koło przy tym „popracuje”. Przy hartowaniu gazowym współczynnik wymiany ciepła zmienia się na powierzchni części w zależności od ciśnienia i prędkości gazu oraz ułożenia części w piecu. Cienkie i grube przekroje chłodzą się z różną szybkością, wysokowęglowa warstwa przemienia się później niż rdzeń, a wynikiem jest kombinacja naprężeń własnych i odkształceń trudna do przewidzenia na podstawie samego doświadczenia.
Podejście
Każdy wariant — konwencjonalne hartowanie w oleju i wysokociśnieniowe hartowanie gazowe — zamodelowano jako jedno sprzężone zagadnienie cieplno-metalurgiczno-mechaniczne:
- Skalibrowany model materiałowy stali na podstawie zmierzonych własności i danych o przemianach fazowych.
- Dyfuzja węgla podczas pulsacyjnego nawęglania próżniowego — profil węgla w warstwie.
- Nieustalona wymiana ciepła podczas hartowania, ze współczynnikami wymiany ciepła wyznaczonymi metodą odwrotną dla oleju oraz dla gazu przy różnych ciśnieniach i przepływach.
- Kinetyka przemian fazowych zależna od lokalnej zawartości węgla i szybkości chłodzenia.
- Rozwój naprężeń i odkształceń, z uwzględnieniem odkształceń od przemian, do prognozy naprężeń własnych i odkształceń hartowniczych.
Co to umożliwia
Ze skalibrowanym modelem ciśnienie hartowania, przepływ gazu i sposób ułożenia części można porównać wirtualnie. Dla każdego wariantu przewiduje się twardość, grubość warstwy, naprężenia własne i odkształcenia — próby służą wtedy do potwierdzenia wybranej technologii, a nie do jej szukania.
Co to oznacza dla Ciebie
Ta sama metodyka ma zastosowanie do nawęglanych i hartowanych na wskroś kół zębatych, wałów i elementów łożysk — w przekładniach samochodowych, przemysłowych, lotniczych i wojskowych — przy hartowaniu w gazie, oleju lub roztworach polimerowych.
Koła zębate odkształcają się po obróbce cieplnej?
Prześlij rysunek i przebieg obróbki cieplnej. W ramach NDA powiemy, co może przewidzieć model.