BRPI0910574B1 - Processo de grenalhagem por ultrassons - Google Patents
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Abstract
processo de grenalhagem por ultrassons a presente invenção tem como objeto um processo de grenalhagem por ultrassons, com o auxílio de um nevoeiro de esferas colocadas em movimento em contato com um sonôtrodo, de uma superfície metálica que compreende uma zona de acesso difícil. ele é caracterizado pelo fato de que a superfície sendo aquela de um gancho (20) de retenção axial de uma pá de turbomáquina que compreende uma canelura (5) disposta entre o gancho e o pé da pá, o nevoeiro de esferas é contido dentro de um recinto (25) que engloba a dita porção de superfície (7) exterior à dita canelura e a dita canelura.
Description
“PROCESSO DE GRENALHAGEM POR ULTRASSONS” [0001] A presente invenção se refere a um processo de tratamento e de colocação em compressão de superfícies que compreendem zonas de acesso difícil, mais precisamente os ganchos de retenção axial de pás de turbomáquina que compreende uma canelura entre o gancho e o pé da pá.
[0002] Em um motor aeronáutico com turbina a gás, os ganchos de retenção axial das pás dentro do alojamento dessas últimas em um disco de turbina e os aros dos discos de turbina que compreendem uma ranhura axial de retenção axial das pás são bastante solicitados. Os ganchos de pás são submetidos a um forte nível de tensões estáticas, quanto às ranhuras dos discos, existem problemas de contato e de desgaste entre o disco e o flange aplicado contra a face do disco.
[0003] Atualmente, para melhorar seus desempenhos mecânicos, essas peças são tratadas na superfície, por grenalhagem clássica, a fim de melhorar a resistência à fadiga e à corrosão das mesmas.
[0004] A operação de grenalhagem de pré-esforço é um tratamento mecânico destinado a melhorar as propriedades de uma peça metálica por endurecimento superficial. Ele é fundado na transformação estrutural dos materiais. O processo clássico consiste em colocar as peças mecânicas sob compressão superficial, pela projeção de pequenas esferas de aço, de vidro ou de cerâmica. Essa operação de microdureza cria uma zona comprimida que é o centro de tensões internas de compressão pelas quais a resistência é aumentada.
[0005] De acordo com um exemplo de grenalhagem clássica, martela-se a superfície por projeção de esferas de aço BA 315 (esfera de aço com diâmetro de 0,315) com uma intensidade F15A (de acordo com o índice Almen). É utilizado um fluxo gasoso, produzido por expansão através de um bico, e depois se desloca o bico, paralelamente à superfície da peça, ou então a peça em relação ao bico, para cobrir a superfície a tratar.
[0006] Considerando-se a dificuldade de acessibilidade de certas zonas, esse tipo de grenalhagem não pode ser realizado em condições ótimas. De fato, o jato de grenalhagem não pode ser dirigido de modo direto sobre a superfície e a
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2/8 grenalhagem é realizada por ricochete, no melhor dos casos.
[0007] A grenalhagem por ricochete é muito menos eficaz pois as esferas chegam à superfície com uma energia cinética menor. De maneira que, em certos casos, o nível de compressão não é suficiente para tratar a superfície da peça.
[0008] Por outro lado, a grenalhagem clássica não dá a segurança de um bom recobrimento das zonas de acesso difícil tais como as caneluras de pás ou então as ranhuras dos discos.
[0009] A utilização do processo de colocação em compressão por choque de laser também não é aplicável a essas zonas. De fato, essas zonas estando mascaradas, elas não são acessíveis ao feixe de laser.
[0010] O tratamento por choque de laser é um processo que visa gerar ondas de choque plastificantes em um material, a fim de melhorar também suas propriedades de superfície. As ondas de choque são obtidas focalizando-se sobre a superfície do material um impulso laser muito intenso (GW/cm2) na presença de um meio de confinamento em tempos muito curtos (alguns nanossegundos). O tratamento é suscetível de induzir tensões residuais de compressão em espessuras que atingem várias centenas de micrometros e isso, em uma grande variedade de materiais, em especial para as aplicações que interessam o domínio dos aços, das ligas de alumínio ou do titânio. O tratamento permite a melhoria das propriedades de superfície, como a resistência à fadiga, ao desgaste ou ainda à corrosão. Um dos interesses dessa técnica reside no fato de que os estados de superfície das peças são pouco modificados.
[0011] O depositante se fixou como objetivo tratar superfícies em um gancho de retenção axial de pá de turbomáquina que apresenta zonas de acesso difícil de peças de motor com turbina a gás utilizando para isso o processo de grenalhagem por ultrassons.
[0012] O processo de grenalhagem por ultrassons permite colocar em compressão e, assim, endurecer as camadas superfícies de materiais metálicos, o objetivo dessa técnica sendo melhorar a duração de vida das peças. O processo consiste em colocar em vibração um sonôtrodo, a freqüências próximas da
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3/8 freqüência ultrassonora, por intermédio de elementos acústicos, ligados a um gerador. Esferas de diferentes naturezas são propulsadas na direção do material que deve ser tratado por grenalhagem, por intermédio do sonôtrodo.
[0013] A fim de corrigir os inconvenientes dos processos clássicos de tratamento de superfície nas zonas de acesso difícil, a invenção consiste em aplicar o processo de grenalhagem por ultrassons sobre as ditas zonas, de tipo caneluras de pás, para as quais processos, tais como a grenalhagem clássica ou então o choque de laser, não permitem um recobrimento completo da superfície.
[0014] De acordo com a invenção, o processo de grenalhagem por ultrassons, com o auxílio de um nevoeiro de esferas colocadas em movimento em contato com um sonôtrodo, de uma superfície metálica que compreende uma zona de acesso difícil é caracterizado pelo fato de que a superfície sendo aquela de um gancho de retenção axial de uma pá de turbomáquina que compreende uma canelura disposta entre o gancho e o pé da pá e uma porção de superfície exterior à dita canelura, o nevoeiro de esferas é contido dentro de um recinto que engloba a dita superfície.
[0015] Vantajosamente, a aplicação do processo dá a possibilidade de uma colocação em compressão mais profunda nas zonas de acesso difícil e, conseqüentemente, permite a melhoria da tolerância aos danos (fadiga, atrito, ...).
[0016] O processo de grenalhagem visa peças realizadas com um material do grupo aço, liga de titânio ou superliga à base de níquel ou alumínios.
[0017] A vantagem da aplicação do processo é a possibilidade de obter um recobrimento completo, assim como um melhor estado de superfície, com a ausência de dobras de matéria nos ângulos. Uma outra vantagem reside no fato de que esse processo é muito repetitivo.
[0018] A invenção apresenta um interesse quando a dita canelura do gancho tem uma largura compreendida entre 1,5 mm e 10 mm e uma profundidade compreendida entre 1,5 mm e 20 mm.
[0019] São utilizadas mais especialmente esferas que apresentam as características seguintes:
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Elas têm um diâmetro inferior ou igual a 2,5 mm e uma massa superior ou igual a 0,5 g, e um diâmetro compreendido entre 300 um e 2,5 mm.
São esferas de rolamento feitas de aço com um baixo teor de carbono, e a amplitude de vibração do sonôtrodo é superior ou igual a 20 pm.
[0020] De preferência o tempo de tratamento está compreendido entre 5 e 200 segundos.
[0021] O sonôtrodo forma uma porção da parede do recinto.
[0022] É conhecida a patente FR 2816538 que descreve um processo para aumentar a duração de vida das fixações de pás em um rotor de turbina que utiliza uma grenalhagem por ultrassons das ranhuras e dos pés de pás. A grenalhagem é efetuada com uma flecha Almen pelo menos igual a F8A a fim de aumentar o préesforço de compressão das superfícies em contato sem aumentar a rugosidade. As esferas são projetadas pela percussão de uma sonôtrodo colocado em vibração e contidas dentro de um recinto formado pela ranhura anular ou axial, o sonôtrodo sendo introduzido na embocadura dessa última e duas orelhas recobrindo as aberturas laterais.
[0023] A acessibilidade das zonas a tratar não é questionada no ensinamento dessa patente visto que as ranhuras de alojamento das pás permitem a formação de recintos com a parede das mesmas.
[0024] A patente FR 2873609 tem como objeto a grenalhagem por ultrassons e a utilização de projéteis que permitem obter uma intensidade de tratamento suficiente em superfícies côncavas que apresentam um raio de curvatura menor do que aquele dos projéteis. Os projéteis têm uma dureza e uma densidade ambas elevadas ao mesmo tempo em que são de pequena dimensão e a utilização dos mesmos permite tratar zonas dificilmente acessíveis com os projéteis convencionais que têm pequenos raios de curvatura. Esses projéteis são capazes de adquiri uma energia cinética suficientemente grande para gerar o nível de tensões desejado na peça. Essa patente descreve várias realizações de recintos adaptados à configuração das superfícies a tratar. No entanto seu ensinamento não compreende o tratamento de peças que apresentam uma parte com uma canelura de pequena
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5/8 abertura.
[0025] Compreender-se-á melhor os objetivos, aspectos e vantagens da presente invenção com a leitura da descrição dada, abaixo, dos diferentes modos de realização. Esses últimos são apresentados a título de exemplos, não limitativos. Os desenhos anexos são descritos abaixo:
A figura 1 representa esquematicamente um gancho de pá de turbomáquina.
A figura 2 representa a esquematização das zonas de análise de tensões por difração X.
A figura 3 mostra o perfil das tensões obtido por grenalhagem clássica, na zona A de análise da figura 2, com em abscissa a profundidade em micrometros e em ordenada o valor da tensão residual em MPa.
A figura 4 mostra a ferramenta que permite a grenalhagem por ultrassons de ganchos de pás.
A figura 5 mostra o perfil das tensões obtido pela grenalhagem por ultrassons, na zona de análise A da figura 2.
[0026] Em um turborreator, os discos de rotores compreendem um aro, na periferia do qual é montada uma pluralidade de pás amovíveis. As pás são montadas em ranhuras axiais, em cauda de andorinha por exemplo, usinadas no aro, e compreendem um pé, também em cauda de andorinha, usinado na base da pá, a união sendo efetuada pelo encaixe do pé na ranhura. Os pés de pás são encaixados nas ranhuras por deslizamento, com uma folga limitada. Os pés são imobilizados axialmente por deslizamento, com uma folga limitada. Os pés são imobilizados axialmente por intermédio de ganchos de retenção axial solidário do pé das pás. Os ganchos operam junto com um anel transversal disposto entre o pé da pá e o gancho. Assim, as caneluras contêm o movimento axial dos pés de pá. Uma plataforma, que encima o pé de pá, delimita o veio de gás. O material é compreendido no grupo aço, liga de titânio, superliga à base de níquel ou alumínios.
[0027] A figura 1 apresenta a geometria concernida por aplicação do processo da invenção. A superfície a tratar compreende o interior da
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6/8 canelura 5 formada entre o gancho 20 e o pé 13 da pá assim como a porção de superfície 7 exterior adjacente. Ela é constituída por uma zona 5 em forma de U invertido. A largura dessa zona varia entre 1,5 mm e 10 mm, e a profundidade varia entre 1,5 mm e 20 mm. A superfície a tratar compreende também a porção de superfície 7 do gancho exterior à canelura 5. [0028] Os ganchos são bastante solicitados; o grande nível de tensões estáticas nos ditos ganchos pode acarretar problemas de quebra e de desgaste.
[0029] A figura 4 mostra a ferramenta desenvolvida para permitir a grenalhagem por ultrassons dos ganchos. A pá 10 compreende, esquematicamente uma pá 11, um pé 13, de seção por exemplo em cauda de andorinha, e eventualmente um pilar. Uma plataforma é interposta entre o pé 13 e a pá 11.
[0030] A ferramenta 30 compreende uma placa de sustentação com uma superfície vibrante 32 e um sonôtrodo, excitada por meios de produção de vibrações a uma freqüência ultrassonora, não mostrados nos desenhos. A dita superfície vibrante constitui a parede ativa de um recinto 25. Dentro desse volume definido pelas paredes 31, em um lado da superfície vibrante 32 do recinto, é disposta uma abertura 26, pela qual é introduzido o gancho 20 a pá 10. A abertura 26 é obturada pela face do pé da pá com o gancho.
[0031] O gancho 20 é assim incluído dentro do recinto. A canelura 5 e a porção de superfície 7 do gancho, adjacente e exterior à canelura, são compreendidas dentro do recinto. A canelura tem aqui uma largura de 3,2 mm e uma profundidade de 7,26 mm.
[0032] A superfície vibrante 32 é situada a pequena distância do gancho 20. Ela é mais larga do que a canelura 5 e vê pelo menos em parte a porção de superfície do gancho exterior à canelura 5.
[0033] Esferas 2, de um diâmetro de 1,5 mm, são introduzidas dentro do recinto 25 através da abertura 26. Quando a superfície vibrante 32 é submetida a oscilações ultrassonoras pelo sonôtrodo, cria-se um nevoeiro de esferas dentro do recinto 25. As esferas são propulsadas na direção do gancho 20, percutindo a parede da dita
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7/8 canelura 5 e a porção de superfície adjacente 7.
[0034] A frequência das oscilações ultrassonoras, as dimensões da superfície vibrante 32, assim como o diâmetro, a matéria e a massa das esferas são escolhidos de tal modo para que a zona da canelura do gancho, mas também a porção de superfície exterior à canelura sejam tratadas por grenalhagem de maneira homogênea durante um tempo muito curto.
[0035] No exemplo acima os parâmetros retidos, depois do ajuste da grenalhagem por ultrassons, com a ferramenta são retomados na tabela seguinte:
| Condição | |
| Tipo das Esferas | 1000601, 50 mm |
| Massa das Esferas | 2,00 g |
| Amplitude | 120gm |
| Tempo de tratamento | 75 segundos |
| Taxa de recobrimento | >125 % |
[0036] Uma vantagem não insignificante da grenalhagem por ultrassons é que sua execução só necessita de uma pequena quantidade de esferas. É possível, portanto, no caso presente, utilizar esferas de alta qualidade tais como esferas de rolamento feitas de aço. Essas esferas têm uma dureza maior do que as esferas feitas de carboneto de tungstênio. As esferas de rolamento feitas de aço não se quebram, elas são perfeitamente esféricas, e conseqüentemente não produzem arestas vivas suscetíveis de aumentar a rugosidade da superfície da peça tratada por grenalhagem.
[0037] O tempo de grenalhagem é determinado em função da taxa de recobrimento, a taxa de recobrimento sendo a relação entre a superfície impactada e a superfície total exposta à grenalhagem.
[0038] Será notado que para uma taxa de recobrimento que corresponde a 125 %, o tempo de grenalhagem é de 75 segundos.
[0039] O ajuste da grenalhagem por ultrassons foi realizado em um gancho 20, em uma zona de uma largura de 3.2 mm e de uma profundidade de 7,26 mm. Os parâmetros utilizados para o processo eram os seguintes: diâmetro das esferas
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8/8 entre 300 pm e 2,5 mm, com uma massa situada entre 0,5 e 5 gramas, uma amplitude compreendida entre 20 e 500 pm, e com um tempo de tratamento que varia entre 5 e 200 segundos.
[0040] Tal como é visto na figura 2, medições de tensões foram realizadas nas zonas A e B do pé da pá que compreende a canelura. A zona A é formada por um volume do pé 13 delimitado pela superfície lateral da canelura 5 e a zona B é formada por um volume do pé 13 delimitado pelo fundo da canelura 5. Essas medições foram realizadas para determinar as tensões residuais em profundidade por difração X. O resultado em termos de perfil de tensões obtido por grenalhagem clássica BA 315 (esfera feita de aço com diâmetro de 0,315 mm) e de intensidade G15A (de acordo com o índice de Almen) é mostrado na figura 3.
[0041] A figura 5 mostra o perfil das tensões obtido por grenalhagem por ultrassons, objeto da invenção, na zona 2 do gancho 20 representado na figura 2.
[0042] Se os resultados obtidos por grenalhagem clássica (figura 3) são comparados com aqueles obtidos por grenalhagem por ultrassons (figura 5), na zona A da superfície tratada, são observados níveis de tensões similares. Em contrapartida, a grenalhagem por ultrassons permite obter tensões em uma profundidade muito maior (notadamente em uma relação de 100 % em relação à grenalhagem clássica).
[0043] Nas zonas A e B da figura 2, análises MEB foram realizadas a fim de verificar o recobrimento obtido pela grenalhagem ultrassonora.
[0044] A análise MEB permite obter uma imagem refletida da amostra (ampliada até 100 000 vezes ou mais), que coloca em evidência detalhes impossíveis de detectar de outra forma.
[0045] Os resultados dessa análise mostram um recobrimento completo nas zonas A e B do gancho 20, a ausência de estrias residuais, assim como a ausência de dobras formadas pelos impactos.
Claims (9)
- REIVINDICAÇÕES1. Processo de grenalhagem por ultrassons, com o auxílio de um nevoeiro de esferas colocadas em movimento em contato com um sonôtrodo, de uma superfície metálica que compreende uma zona de acesso difícil caracterizado pelo fato de que a superfície sendo aquela de um gancho (20) de retenção axial de uma pá de turbomáquina que compreende uma canelura (5) disposta entre o gancho e o pé da pá e uma porção de superfície (7) exterior à dita canelura, o nevoeiro de esferas é contido dentro de um recinto (25) que engloba a dita porção de superfície (7) exterior à dita canelura e a dita canelura.
- 2. Processo de grenalhagem de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita canelura (5) tem uma largura compreendida entre 1,5 mm e 10 mm e uma profundidade compreendida entre 1,5 mm e 20 mm.
- 3. Processo de grenalhagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que são utilizadas esferas que têm:a. um diâmetro inferior ou igual a 2,5 mm.b. uma massa superior ou igual a 0,5 g.
- 4. Processo de grenalhagem de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a amplitude dos deslocamentos das esferas é superior ou igual a 20 pm.
- 5. Processo de grenalhagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o tempo de tratamento é compreendido entre 5 e 200 segundos.
- 6. Processo de grenalhagem de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as esferas têm um diâmetro compreendido entre 300 um e 2,5 mm.
- 7. Processo de grenalhagem de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as esferas são esferas de rolamento feitas de aço ou esferas feitas de carboneto de tungstênio ou alumínios.
- 8. Processo de grenalhagem de acordo a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sonôtrodo forma uma porção da parede do recinto (25).
- 9. Processo de grenalhagem de acordo com qualquer uma dasPetição 870190074426, de 02/08/2019, pág. 13/152/2 reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os ganchos são realizados com um material do grupo do aço, liga de titânio ou superliga à base de níquel ou alumínios.
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