Разработка методики оценки релаксационной стойкости винтовых цилиндрических пружин сжатия методом акустической эмиссии

УДК 62-272.22

Разработка методики оценки релаксационной стойкости винтовых цилиндрических пружин сжатия методом акустической эмиссии

Г. А. Данилин, А. В. Титов, Ю. С. Кукуня

В машиностроительных конструкциях широко применяются пружины различных видов и назначения. Важным эксплуатационным свойством пружин является релаксационная стойкость, характеризующая способность сохранять требуемую жесткость во времени. Современные методы оценки релаксационной стойкости пружин трудоемки и основаны на выборочном контроле. В связи с этим актуальна разработка новых методик оценки релаксационной стойкости пружин. Интерес для решения этой задачи представляют не-разрушающие методы контроля, в частности метод акустической эмиссии. В статье приведены результаты экспериментального исследования релаксационной стойкости винтовых пружин сжатия с акустико-эмиссионным сопровождением. По итогам исследования предложена новая методика оценки релаксационной стойкости винтовых пружин сжатия методом акустической эмиссии.

Ключевые слова: винтовая цилиндрическая пружина сжатия, релаксационная стойкость, акустическая эмиссия, титановый сплав ВТ16, пружинно-рессорная сталь 60С2А, кратковременное обжатие, выдержка во времени, заневоливание, циклические обжатия, релаксация, методика оценки релаксационной стойкости.

Введение

В настоящее время узлы и механизмы машин представляют собой сложные автоматизированные устройства. Требования, предъявляемые к таким устройствам, высоки: малые габаритные размеры и масса, безотказная работа в течение длительного времени. Для автоматизации узлов и механизмов чаще всего используются упругие элементы. Среди многообразия упругих элементов большое применение нашли винтовые пружины. Для безотказной и долгосрочной работы в таких механизмах пружины должны обладать высокими эксплуатационными свойствами. Обеспечить это можно за счет применения специальных сталей и сплавов. В последнее время пружинное производство начало активное применение титановых сплавов для изготовления пружин. Успешное применение нашли титановые сплавы ВТ16, ВТ23, ТС6. Пружины, изготовленные

из этих сплавов, позволили решить большинство проблем при применении их в узлах и механизмах: малые масса и габаритные размеры, возможность работы в агрессивных средах без нанесения специальных покрытий. Но оценить одно из основных эксплуатационных свойств — несущую способность (силовую характеристику) — и ее изменение во времени (релаксация) без разрушения пружины невозможно. Существующая методика позволяет оценить релаксацию по результатам циклических испытаний и контроля силовой характеристики после определенного количества циклов. Но в процессе испытания изделие проходит весь свой жизненный цикл, а результат присваивается всей партии. К тому же эта процедура является трудоемким занятием, которое требует много времени. Возникла необходимость разработки методики оценки релаксации без разрушения изделия и контроля всей партии с минимальными

№ 3(81)/2014

затратами сил и времени. Было рассмотрено несколько методов неразрушающего контроля: ультразвуковой, акустической эмиссии и т. д. Перспективным для решения задачи оказался метод акустической эмиссии, который имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами.

Экспериментальное исследование

Для разработки методики оценки релаксационной стойкости винтовых цилиндрических пружин сжатия проведено экспериментальное исследование. Оно включало в себя два основных этапа:

1) кратковременное обжатие пружин с регистрацией сигналов акустической эмиссии;

2) выдержка пружин во времени при постоянной силе (заневоливание).

Эти два этапа были намечены в соответствии с принятым технологическим процессом изготовления винтовых цилиндрических пружин сжатия в целях последующей интеграции методики непосредственно в технологический процесс.

Для исследования изготовлены винтовые цилиндрические пружины сжатия из стали 60С2А и титанового сплава ВТ16 из проволоки диаметрами 2,5 и 4,0 мм [1, 2]. Все пружины-образцы поделены на 12 групп в зависимости от материала, диаметра проволоки, вида дефектности. В исследовании использовали 70 пружин: 34 пружины из титанового сплава и 36 пружин из стали 60С2А (табл. 1).

Под дефектностью понимаются умышленно созданные дефекты разного рода. Механические повреждения — нанесение надрезов в продольном и поперечном направлениях проволоки (рис. 1).

Нарушение режима ТО — отклонение от режима термической обработки, принятого в технологическом процессе изготовления пружин (табл. 2).

Первый этап исследования заключался в нагружении пружины до рабочей нагрузки и последующей разгрузки с троекратным повторением — кратковременное обжатие. При проведении первого этапа исследования был изготовлен испытательный стенд (рис. 2).

Таблица 1

Группы экспериментальных образцов

Группа Материал Диаметр проволоки, мм Дефектность Количество образцов, шт.

I ВТ16 2,5 Отсутствует 6

II ВТ16 2,5 Механические повреждения 6

III ВТ16 2,5 Нарушения режима ТО 4

IV 60С2А 2,5 Отсутствует 6

V 60С2А 2,5 Механические повреждения 6

VI 60С2А 2,5 Нарушения режима ТО 6

VII ВТ16 4,0 Отсутствует 6

VIII ВТ16 4,0 Механические повреждения 6

IX ВТ16 4,0 Нарушения режима ТО 6

X 60С2А 4,0 Отсутствует 6

XI 60С2А 4,0 Механические повреждения 6

XII 60С2А 4,0 Нарушения режима ТО 6

г

I

Рис. 1. Механические повреждения

Силовая нагрузка создавалась на испытательной машине Shimadzu, параметры АЭ регистрировались системой «Локтон 2004» и в последующем обрабатывались с помощью специального программного обеспечения, установленного на персональном компьютере. Анализ результатов кратковременного обжатия с регистрацией сигналов АЭ позволил выявить, что для пружин без дефектов характерна закономерность уменьшения сигналов АЭ при каждом последующем нагружении (рис. 3):

N1 > N2 > N3,

где N1 — количество сигналов на первом обжатии; N2 — количество сигналов на втором обжатии; N3 — количество сигналов на третьем обжатии.

В ходе исследования установлено, что уровень сигналов АЭ для пружин из титанового

№ 3(81)/2014

11ЕШ1100ЬРАБ0ТКА

Таблица 2

Режимы термической обработки

Материал Принятый режим ТО Нарушенный режим ТО

Закалка Старение Отпуск Закалка Старение Отпуск

Титановый сплав ВТ16 Нагрев до 800 °C, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде Нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе Нагрев до 800 °C, выдержка в печи 15 мин, охлаждение в воде Нагрев до 500 °С, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе. На следующий день еще 6 ч старения

Сталь 60С2А Нагрев до 860 °C, выдержка в печи 10 мин, охлаждение в масле Нагрев до 420 °С, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе. НИСэ = 48 -г- 50 Нагрев до 860 °C, выдержка в печи 10 мин, охлаждение в масле Нагрев до 460 °С, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе. НИСэ = 44. Нагрев до 350 °С, выдержка 75 мин, охлаждение на воздухе. НИСэ = 55

сплава на порядок выше, чем для пружин из стали (рис. 3). Для пружин с дефектами закономерность (1) не выполняется, и это дает основание сделать предположение, что с помощью закономерности (1) можно отбраковывать изделия с дефектами, представляющими опасность поломки при эксплуатации.

В дальнейшем все образцы были направлены на второй этап исследования, который заключался в нагружении пружины до максимальной деформации и выдержки ее в нагруженном состоянии в течение 12 ч (за-неволивание) с регистрацией сигналов АЭ (рис. 4).

Силовая нагрузка создавалась на испытательной машине Shimadzu, параметры АЭ регистрировались системой «Локтон 2004».

N.

сум

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Число обжатий

Рис. 3. Закономерность уменьшения сигналов АЭ при троекратном нагружении пружин без дефектов: 1 — пружина № 1

/ V 7

/ /

/ / 1

6 5

Рис. 2. Испытательный стенд для кратковременного обжатия:

1 — персональный компьютер; 2 — акустико-эмиссионная система; 3 — предусилитель; 4 — датчик, регистрирующий сигналы; 5 — крепление для датчика; 6 — волновод; 7 — винтовая цилиндрическая пружина сжатия; 8 — вспомогательная оснастка

Рис. 4. Приспособление для выдержки пружины под нагрузкой во времени:

1 — персональный компьютер; 2 — акустико-эмиссионная система; 3 — предусилитель; 4 — датчик, регистрирующий сигналы; 5 — крепление для датчика; 6 — волновод; 7 — винтовая цилиндрическая пружина сжатия; 8 — вспомогательная оснастка

[48

№ 3 (81)/2014

Анализ распределения сигналов АЭ в процессе выдержки под нагрузкой пружин из титанового сплава ВТ16 без дефектов показал, что у пружин без дефектов регистрируется меньше сигналов АЭ по сравнению с дефектными пружинами (рис. 5). При этом у пружин без дефектов максимальное число импульсов АЭ равно 12, а у дефектных — 178.

У пружин, изготовленных из стали 60С2А, наблюдается аналогичная закономерность. При этом максимальная суммарная АЭ для пружин без дефектов составила 19 импульсов, а для дефектных — 59 импульсов (рис. 6).

Таким образом, наблюдается влияние механических дефектов и режимов ТО на уровень сигналов АЭ. Несоблюдение технологического процесса и применяемых в нем режимов ТО может привести к снижению качества изготавливаемой продукции, а именно к уменьшению срока эксплуатации: низкой прочности и высокой релаксации. По итогам второго этапа исследования сделано предположение о том, что низкий уровень сигналов АЭ в процессе выдержки пружин под нагрузкой

N

сум 180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 -0 -

Рис. 5. Результаты выдержки во времени пружин из титанового сплава ВТ16 с регистрацией АЭ

свидетельствует о высокой релаксационной стойкости пружин. Для подтверждения этого предположения проведены циклические обжатия в объеме 3000 циклов. У пружин измерена жесткость до и после циклических обжатий и вычислена релаксация по формуле

я = 100,

где Я — релаксация пружины; ¥ — сила пружины после циклических обжатий; ¥1 — сила пружины до циклических обжатий.

Анализ результатов вычисления релаксации пружин показал, что большинству пружин с низким уровнем значений АЭ, зарегистрированных в процессе их длительной выдержки под нагрузкой, соответствует высокая релаксационная стойкость. Сопоставив результаты циклических испытаний и сигналы АЭ, установили, что полученные закономерности позволяют выявить пружины, имеющие склонность к релаксации (рис. 7). По итогам установлено пороговое значение сигналов АЭ,

ВТ16 ВТ16 ВТ16 ВТ16 ВТ16 ВТ16

повреждения) повреждения)

N

сум 60 -

50 -

40 -

30 -

20 -

10 -

0

60С2А 60С2А 60С2А 60С2А 60С2А 60С2А

повреждения) повреждения)

Рис. 6. Результаты выдержки во времени пружин из стали 60С2А с регистрацией АЭ

№ 3(81)/2014

49Д

МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

я, %

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2

я

пр-доп

у

N ; * пор 1

/

/ г

1 _ —1

50

25

ВТ16 ВТ16 60С2А 60С2А

0

ВТ16 ВТ16 60С2А 60С2А

Рис. 7. Сравнение релаксации пружин по итогам 10 лет эксплуатации и сигналов АЭ в ходе выдержки пружин под нагрузкой

позволяющее определить предельно допустимую релаксацию пружин в течение заданного срока эксплуатации (3000 циклов):

^пор(12) = 25 импульсов.

На основании анализа результатов экспериментального исследования установлены контрольные уровни сигналов АЭ, указывающие на допустимую релаксацию пружин, и предложена методика оценки релаксационной стойкости пружин в процессе их изготовления. Методика оценки релаксационной стойкости пружин встраивается в технологический процесс их изготовления и предполагает, что на операциях кратковременного обжатия и заневоливания производится совместно регистрация сигналов АЭ. Оперируя полученными данными и используя закономерности (4), можно оценивать релаксационную стойкость всей партии пружин:

> N2 > N3; \^ум (12) ^ 25.

Выводы

1. В ходе исследования на этапе кратковременного обжатия пружин установлена закономерность (1), которая заключается в уменьшении сигналов АЭ при каждом последующем обжатии.

2. На этапе выдержки во времени пружин под нагрузкой установлена закономерность (3), которая позволила определить уровни сигналов АЭ для пружин без дефектов и дефектных пружин.

3. Обобщение результатов циклических испытаний и уровней сигналов АЭ позволило определить пороговые значения сигналов АЭ предельно допустимой релаксации. Предложена методика оценки релаксационной стойкости винтовых пружин сжатия на основе уровня сигналов АЭ (4). Методика встраивается в технологический процесс изготовления пружин и позволяет оценить релаксационную стойкость каждой пружины изготовленной партии без разрушения изделия.

Литература

1. Пономарев С. Д., Андреева Л. Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение, 1980. 326 с.

2. ГОСТ 13764—86. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения I класса из стали круглого сечения.

3. Белогур В. П., Трещевский А. Н., Конев С. Ю.

Перспективные титановые сплавы для пружин запорной арматуры химической и нефтеперерабатывающей промышленности // Материалы конф. «Современные пружинные материалы». ЦКБА, 2004

4. Титан / В. А. Гармата, А. Н. Петрунько, Н. В. Га-лицкий [и др.]. М.: Металлургия, 1983. 559 с.

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

сум

[50

№ 3(81)/2014