Оценка качества исходного материала для производства винтовых пружин методом акустической эмиссии

УДК 534.6.08

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Оценка качества исходного материала для производства винтовых пружин методом акустической эмиссии

А. В. Титов, А. А. Карбушев

В машиностроительных конструкциях применяются разнообразные пружины. В процессе изготовления на качество пружин большое влияние оказывает качество исходного материала. Современные методики оценки качества исходного материала для пружин нуждаются в совершенствовании, так как являются трудоемкими, основанными на выборочном контроле. Интерес для решения этой задачи представляют неразрушающие методы контроля, в частности метод акустической эмиссии. В статье приведены результаты исследования механических свойств и качества проволоки для пружин с акустико-эмис-сионным сопровождением. Установленные в процессе исследования закономерности позволят разработать новые методики оценки механических свойств и качества проволоки для пружин.

Ключевые слова: упругие элементы, пружины, производство, качество, исходный материал, метод акустической эмиссии, механические свойства, методика.

В машиностроительных конструкциях широко применяются разнообразные упругие элементы: пружины, оболочки, мембраны и т. д. Наибольшее распространение получили упругие элементы, предназначенные для создания сосредоточенной нагрузки. Пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего высокие прочностные и упругие свойства (сталь, никелевые, титановые сплавы, бронза, пластмасса, дерево и др.). Основным материалом для изготовления пружин являются рес-сорно-пружинные стали (сталь 70, сталь 65Г, сталь 55С2, сталь 50ХФА, сталь 60С2ХА и т. д.). К пружинам предъявляются следующие требования: прочность и упругость, надежность срабатывания, релаксационная стойкость и циклическая выносливость, способность сохранять технические характеристики при работе в различных средах.

Важнейшим фактором, влияющим на качество готовой пружины, является качество исходного материала. Современные методы контроля качества исходного материала очень трудоемкие и предполагают выбороч-

ный контроль формы, размеров, механических свойств, химического состава, микроструктуры, твердости. По результатам оценки качества выборки делается заключение о качестве всей партии. В результате часто бывает, что материал, не попавший в выборку, оказывается неудовлетворительного качества и это отражается на стабильности технологического процесса изготовления пружин. Таким образом, актуальность имеет разработка новой методики оценки качества исходного материала в пружинном производстве. Интерес для решения этой задачи представляют неразрушающие методы контроля качества, в частности метод акустической эмиссии.

На кафедре высокоэнергетических устройств автоматических систем БГТУ проведено исследование качества исходного материала для производства пружин. На первом этапе исследованы закономерности между параметрами механических свойств исходного материала и акустической эмиссии. Для достижения этой цели проведены испытания на растяжение образцов

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

111ЕТШЩБ РАБОТКА

проволоки диаметром 3 мм из сталей 51ХФА и 60С2А, изготовленных по ГОСТ 10446-80 (рис. 1), с акустикоэмиссионным сопровождением. Исследование осуществлено на испытательной машине Shimadzu (рис. 2). Для регистрации сигналов акустической эмиссии использовали акустико-эмиссионную систему «Локтон-2004» (рис. 3).

-*1 Ч

Рис. 1. Эскиз исходной заготовки

Рис. 2. Испытательная машина Shimadzu

Рис. 3. Акустико-эмиссионная система «Локтон-2004»

Рис. 4. Схема экспериментального исследования: 1 — заготовка; 2 — неподвижные тиски; 3 — подвижные тиски; 4 — датчик акустической эмиссии

В процессе исследования (рис. 4) построены совмещенные графики изменения силы деформирования Р и суммарной акустической эмиссии N в зависимости от удлинения Д1. На экспериментальных графиках Р-Д1 можно выделить четыре участка (рис. 5). Участок I (ОА) соответствует упругой деформации образца. Участок имеет протяженность от начала растяжения (точка О) до точки А, после которой начинается отклонение графика от линейной зависимости. Эта точка соответствует окончанию упругой деформации образца и достижению напряжениями значения предела пропорциональности апп. Участок II (АВ) является переходным от упругой до пластической деформации и имеет протяженность от предела пропорциональности апп (точка А) до физического или условного предела текучести ат (^0,02) (точка В). Участок III (ВС) соответствует этапу равномерной пластической деформации образца. Начало этого участка совпадает с пределом текучести ат (^0,02) (точка В), а конец — с достижением напряжениями значения временного сопротивления ав, что соответствует на графике Р-Д1 наибольшей силе Ртах (точка С). Участок IV соответствует этапу сосредоточенной пластической деформации. Начало этого этапа совпадает с достижением напряжениями значения временного сопротивления ав (точка С), что соответствует на графике Р-Д1 силе Ртах, а конец — с разрывом образца (точка П).

№ 3(81)/2014

61В

3

1

4

ь

0

2

МЕТАЛЛООБРАБОТКУ!

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Р, кгс Р

* тах 11 000

9000

Р0,05-

7000

5000

3000

1000 О

( \с

—ь

1 IV О

п I

в

Г

II / /

-Ч г / \ г

1 ! / 2

> ! /

! / /

и- г

10

11

N 5500 4500 3500 2500 1500 500 Д1, мм

Рис. 5. Зависимости силы растяжения

На рис. 5 изображены характерные зависимости распределения силы Р и суммарной акустической эмиссии N от удлинения образца группы № 1 (таблица), изготовленного из стали 51ХФА (термообработка закалка + отпуск). Анализ графиков, изображенных на рис. 5, показывает, что при разрыве образцов группы № 1 наибольшая сила деформирования имеет значения, близкие к 12 000 кгс, а удлинение составляет 12 мм. При разрыве образцов группы № 1 зарегистрировано от 6000 до 6500 сигналов АЭ. На первых участках (ОА) графиков Р-Д1, соответствующих упругой деформации, наблюдается рост сигналов АЭ от 0 до 100110 импульсов. Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 105 имп./мм. На вторых участках (АВ), соответствующих переходу от упругой к пластической деформации, рост сигналов АЭ от 100-110 до 110-120 импульсов. Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 14 имп./мм. На третьих участках (ВС), соответствующих этапу равномерной пластической деформации, зарегистрирован рост сигналов АЭ от 110-120

Группы образцов

№ группы Материал Количество образцов, шт. Общая длина образца Ь0, мм Диаметр в,, мм

1 51ХФА (закалка + отпуск) 5 250 3

2 60С2А (отжиг) 25 250 3

до 6000-6500 импульсов. Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 3100 имп./мм. И на четвертых участках (СО) не зарегистрировано сигналов АЭ. Таким образом, наибольшая интенсивность роста сигналов АЭ имела место на третьих участках (ВС) графиков Р-Д1, соответствующих равномерной пластической деформации образцов.

На рис. 6 изображены характерные совмещенные графики изменения силы деформирования Р и суммарной акустической эмиссии N в зависимости от удлинения Д1 образцов группы № 2, изготовленных из стали 60С2А (термообработка отжиг).

Анализ графиков, изображенных на рис. 6, показывает, что при разрыве образцов группы № 2 наибольшая сила деформирования имеет значения, близкие к 4000 кгс, а удлинение составляет 50 мм (у образцов группы № 1 — 12 000 кгс и 12 мм соответственно). При разрыве образцов группы № 2 зарегистрировано ориентировочно 3500 сигналов АЭ, в то время как у образцов группы № 1 — 6000-6500 сигналов. На первых участках (ОА) графиков Р-Д1, соответствующих упругой деформации, наблюдается рост сигналов АЭ от 0 до 30-35 импульсов (100-110 импульсов у образцов группы № 1). Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 20 имп./мм (105 имп./мм у образцов из стали 51ХФА). На вторых участках (АВ), соответствующих переходу от упругой деформации к пластической рост сигналов АЭ от 30-35

Р

Р

1Ш

0

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

ШШШШТКА

Р, кгс Р

х тах

3500 Р0,2 Р0,05 Рпп 2500

2000

1500 1000 500

1 IV с

I II Л

/в ш/ 2 1

I ( II 1

0\ \ 1 2 а0,05 а0,02

10

11

N

-4500

3000

2500 2000 1500 1000

500 А/, мм

N

Рис. 6. Зависимости силы растяжения

до 950-1000, в то время как у образцов группы № 1 — 100-110 — 110-120. Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 1020 имп./мм (14 имп./мм у образцов из стали 51ХФА). На третьих участках (ВС), соответствующих этапу равномерной пластической деформации, зарегистрирован рост сигналов АЭ от 950-1000 до 3150-3250 импульсов, в то время как у образцов группы № 1 — 110-120 — 6000-6500. Интенсивность роста сигналов АЭ составила 130 имп./мм (3100 имп./мм у образцов из стали 51ХФА). И на четвертых участках (СП) наблюдается незначительный рост сигналов АЭ от 3150-3250 до 3400-3500 импульсов (у образцов из стали 51ХФА сигналов не зарегистрировано). Интенсивность роста сигналов АЭ составила ориентировочно 8 имп./мм. Таким образом, наибольшая интенсивность роста сигналов АЭ имела место на вторых участках (АВ) графиков Р-А/, соответствующих переходу от упругой до пластической деформации, в то время как у образцов группы № 1 из стали 51ХФА наибольшая интенсивность роста сигналов АЭ имела место на третьих (ВС) участках.

Подводя итог по первому этапу исследования, можно сделать вывод, что образцы, изготовленные из одного материала и в одном режиме термообработки, имеют сходные между собой сигналы АЭ и интенсивности образования этих сигналов на разных участках кривой нагружения. Исходя из этого можно сделать вывод, что по количеству и интенсив-

ности сигналов АЭ можно определить материал образца и режим термообработки.

Следующий этап экспериментального исследования заключался в поиске закономерностей между качеством проволоки и количеством сигналов акустической эмиссии. Для этого изготовлен экспериментальный стенд для нагружения проволоки диаметром до 3 мм (рис. 7).

На рис. 8 представлена схема экспериментального стенда для нагружения проволоки в целях регистрации сигналов АЭ. На основании 1 закреплены три оси 2. На двух крайних осях 2 установлены катушки 4, а на средней оси 2 — диск 3 с канавкой для проволоки. Проволока натягивается между двумя катушками 4 таким образом, чтобы средний ее участок проходил по канавке на диске 3. На торцевую поверхность диска 3 при помощи магнитного прижима устанавливают датчик АЭ. При нагружении проволоки сигналы с нее передаются на диск 3, а с диска фиксируются датчиком АЭ.

Рис. 7. Экспериментальный стенд для нагружения проволоки

№ 3 (81)/2014

63

МЕТ^ЛЛООБРАБОТКЛ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

4

Рис. 8. Схема экспериментального стенда для на-гружения проволоки

В экспериментальном стенде на семичасовой промежуток времени устанавливали образцы проволоки диаметром 1 мм из стали 51ХФА двух групп по 5 штук. Образцы первой группы были без повреждений, тогда как образцы второй группы имели механические повреждения. На рис. 9 представлены характерные графики изменения суммарной акустической эмиссии N в зависимости от времени t образцов без повреждений и поврежденных.

По итогам нагружений двух групп образцов проволоки видно, что у проволоки без повреждений зарегистрировано количество сигналов АЭ порядка 45-60 импульсов, в то время как у поврежденных образцов проволоки количество сигналов АЭ равно 100-120 импульсам, из чего следует, что поврежденной проволоке соответствует большее количество сигналов АЭ.

По второму этапу исследования можно сделать вывод о том, что по количеству сигналов АЭ при нагружении проволоки можно судить о наличии повреждений на ней.

N 150 135 120 105 90 75 60 45 30 15

2 /

/ 1 /

/ / /

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

г, ч

Рис. 9. Зависимости суммарной акустической эмиссии N от времени г образцов проволоки: 1 — без повреждений; 2 — поврежденные

проволоки с акустико-эмиссионным сопровождением.

2. В результате исследования установлены закономерности между уровнем сигналов акустической эмиссии и интенсивностью их распределения на различных участках диаграмм нагружения, маркой материала проволоки и режимами ее термообработки

3. В результате исследования установлена закономерность между дефектностью проволоки для пружин и параметрами акустической эмиссии в процессе выдержки проволоки под нагрузкой длительное время в напряженном состоянии.

4. На основе установленных закономерностей предполагается построение новой методики оценки качества исходного материала для пружинного производства.

Литература

2

Выводы

1. В целях разработки новой методики оценки качества исходного материала пружинного производства проведено экспериментальное исследование закономерностей изменения механических свойств и дефектности

1. Неразрушающий контроль и диагностика / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, А. В. Ковалев [и др.]. М.: Машиностроение, 2003. 656 с.

2. Алешин Н. П. Методы акустического контроля металлов. М.: Машиностроение, 1989. 456 с.

3. Бунина Н. А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л., 1990. 156 с.

4. Красильников Л. А., Лысенко А. Г. Волочильщик проволоки. М.: Металлургия, 1987. 320 с.