Методы определения технологических остаточных напряжений в деталях малой жесткости

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ МАЛОЙ ЖЕСТКОСТИ

Проведен анализ современных методов определения технологических остаточных напряжений в маложестких деталях. Приведены принципиальные схемы и виды установок для определения остаточных напряжений. Ключевые слова: технологические остаточные напряжения, качество, маложесткие детали, поверхностный слой.

Для объективной оценки напряжённого состояния поверхностного слоя (ПС), в частности ПС полотна маложестких дисков, необходимо знать эпюру распределения остаточных напряжений по глубине ПС, начиная со слоя толщиной 2—5 мкм.

Современное состояние техники определения остаточных напряжений принципиально позволяет использовать для этой цели следующие методы:

• механический разрушающий метод Н.Н. Давиденкова. усовершенствованный И.А. Биргером;

• рентгеновский метод при дискретном удалении поверхностных слоев с остаточными напряжениями и послойном снятии рентгенограмм или дифрактограмм;

• метод, основанный на измерении шумов Баркгаузена;

• метод АФЧХ (амплитудно-фазово-частотных характеристик).

Из перечисленных четырёх методов наиболее отработанным, надёжным и точным является механический метод. Другие методы не позволяют с приемлемой точностью определять остаточные напряжения, особенно в тонком ПС.

Рентгеновский метод очень трудоёмок и менее точный, чем механический метод. Метод шумов Баркгаузена применим только для ферромагнитных материалов. Установки типа «81ге88сап» позволяют определять напряжения только в трёх точках по глубине (0,02; 0,07 и 0,2 мм).

Метод АФЧХ по утверждению авторов, позволяет определять напряжения в ПС деталей из металлов и сплавов с различными

электромагнитными свойствами без специальной подготовки поверхности. Он базируется на измерении электропроводности поверхностного слоя, которая зависит не только от напряженного состояния, но и от других характеристик физико-химического состояния поверхностного слоя. Выделить из общего сигнала ту его часть, которая относится к остаточным напряжениям с приемлемой точностью сегодня не представляется возможным.

Механический метод определения остаточных напряжений основан на том, что с поверхности образцов в специальных установках электрохимическим или другим способом, не вносящим своих напряжений и не нагревающим ПС, удаляются напряженные ПС, измеряются происходящие при этом деформации образца, определяется толщина удалённого слоя и по формулам теории упругости рассчитываются остаточные напряжения в образце. Форма и размеры образцов должны удовлетворять следующим условиям:

• напряженное состояние образцов должно быть одноосным,

• размеры образцов и их форма должны давать возможность с достаточной точностью измерять возникающие в процессе удаления напряженных ПС деформации (перемещения).

Дальнейшее определение остаточных напряжений в вырезанных образцах производится в специальных установках. Все поверхности приспособления и образца, кроме исследуемой, покрываются защитным лаком или тонким слоем воска. Путем электрохимического или химического травления производится непрерывное удаление напряженных поверхностных слоев и одновременная регистрация деформаций изгиба образца или изменение его диаметра. Для точного измерения перемещений и деформаций применяют индикаторные, оптические приборы, тензометрию, индуктивные и токовихревые датчики, механотроны, топографическую технику, хрупкие покрытия и др. Состав ванны для травления подбирается с учетом химического состава и свойств исследуемого металла. Для углеродистых и легированных сталей наиболее часто используются водные растворы на базе ортофосфорной или азотной кислоты. Скорость электрохимического травления зависит от плотности тока, состава, степени загрязнения электролита. Плотность тока выбирается с учетом необходимой скорости травления и ограничивается допустимой температурой нагрева электролита, повышение которой сопровождается значительными температурными деформациями установки и погрешностями измерений.

На рис. 1. приведена схема установки для исследования остаточных напряжений в призматических образцах. Она состоит из корпуса 1 (неэлектропроводного) и плиты 2, на которой смонтированы измерительные приборы и микроскопы 3, планка с катодом 4, подвеска 7 с исследуемым образцом.

Рис. 1. Схема установки для исследования остаточных напряжений в плоских образцах оптико-механическим методом

Рис. 2. Блок-схема комплекса контроля остаточных напряжений ПОВКОН «Тензор»: 1 — электролитическая ванна, 2 — образец-анод, 3 — катод, 4 — электрод сравнения, 5 — балочное крепление образца, 6 — датчик деформации, 7 — преобразователь деформации, 8 — управляемый источник тока, 9 — амперметр, 10 — вольтметр, 11 — контроллер, 12 — процессор, 13 — дисплей, 14 — принтер, 15 — клавиатура

На образце закреплены измерительный рычаг 5 и контрольный рычаг 6, по которому контролируют отсутствие температурных и других деформаций установки. Перемещение конца рычага 5 в процессе травления образца измеряют с помощью микроскопа и окулярмикрометра.

По результатам измерения перемещений рычага 5 в процессе травления образца строится кривая (график) в координатах «перемещения (деформации) — толщина снятого слоя» и рассчитываются послойно остаточные напряжения.

В НИИ двигателей для осуществления механического метода определения остаточных напряжений разработан проблемно-ориетированный измерительно-вычислительный комплекс контроля остаточных напряжений ПОВКОН «Тензор» (рис. 2.), который осуществляет управление процессом травления, как по току, так и по потенциалу поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Овсеенко Е.С. Поверхностный слой маложестких деталей, упрочненных методами поверхностного пластического деформирова-ния.//Известия вузов. Сев-Кавк. регион. Технические науки. — № 2. — 2011. — С. 52—55.

2. Овсеенко А.Н., Серебряков В. И., Гаек М.М. Технологическое обеспечение качество изделий машиностроения. Учебное пособие. — М.: МГТУ «Станкин». — Янус-К. — 2006. — 296 с.