CC BY
27
Автомат для правки цилиндрических заготовок состоит из следующих основных узлов: загрузочного бункера 1, шагового транспорта, выполненного в виде звездочки 2, станины 3, основания станины 4, подпружиненного вала 5, средства вращения 6 подпружиненного вала 5, приемного бункера 7, клиновидных выступов 8 и 9, расположенных на подпружиненном валу 5 и верхней цилиндрической части станины 3. При этом подпружиненный вал 5 закреплен на средстве вращения 6 подпружиненного вала. Средство вращения 6 подпружиненного вала 5 установлено на основании станины 4 и соединено с загрузочным бункером 1 посредством передаточного механизма 10, выполненного в виде цепной передачи.
Автомат для правки цилиндрических заготовок работает следующим образом. После включения средства вращения 6, подключенного к электродвигателю, заготовки 11 загружаются в загрузочный бункер 1 и подаются к подпружиненному валу 5 из загрузочного бункера 1 поштучно, посредством шагового транспорта 2. Шаговый транспорт 2 приводится в движение с помощью средства вращения 6 посредством передаточного механизма 10, выполненного в виде цепной передачи. Подпружиненный вал 5 приводится в движение с помощью средства вращения 6. В процессе вращения подпружиненный вал 5 перемещает заготовку 11 под действием сил трения между клиновидными выступами 8 и 9 подпружиненного вала 5 и станины 3, имеющей основание 4, в приемный бункер 7.
При этом одновременно производится воздействие на заготовку 11 изгибающим усилием от клиновидных выступов 8 и 9.
Предлагаемый автомат для правки цилиндрических заготовок имеет расширенные технологические возможности, такие как возможность правки заготовок с различными диаметрами и возможность правки заготовок различной кривизны. Автомат обеспечивает большую производительность, так как прост по конструкции, а также обеспечивает требуемое качество правки и обработки заготовок.
Таким образом, компьютерное проектирование процесса и технологии, выполненное на основе математического моделирования процесса правки стесненным сжатием, позволяет:
- значительно сократить материальные расходы и время, необходимое для подготовки производства;
- уменьшить, а иногда и полностью исключить дорогостоящий натурный эксперимент;
- предсказать вероятность технологических отказов, подсказать необходимость использования технологических приемов борьбы с браком;
- исключить ошибки в проектировании оснастки и при необходимости скорректировать оснастку на величину пружинения.
Для повышения производительности правки и автоматизации операций спроектированы новые автоматизированные устройства, позволяющие править детали.
Библиографический список
4. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L.. The Finite Element Method for Solid and Structural Mechanics (6ed.), Elsivier, 2005. 648 p.
5. Патент 88303 МКИ3 кл. В21D3/02 РФ. Автомат для правки цилиндрических заготовок / А.С.Бубнов, С.А.Зайдес. № 2009124050/22; Заявлено 23.06.2009; Опубл. 10.11.2009, Бюл. № 31.
6. Патент 2388563 МКИ3 кл. В21D 3/12 РФ. Устройство для правки изделий сжатием / А.С. Бубнов, С.А. Зайдес. № 2008652154/02; Заявлено 29.12.2008; Опубл. 10.05.2010, Бюл. № 13.
УДК 620.18
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ПО МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКОМУ ИЗОБРАЖЕНИЮ
1. Одинг С.С., Некрасов Ю.В. Компьютерное управление процессом формообразования методом продольной обтяжки // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. № 3. С. 20-23.
2. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: справочник / В.И.Мяченков [и др.]; под общ. ред. В.И.Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.
3. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 318 с.
С.А.Зайдес1, Н. В. Рудых2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлены результаты определения напряженно-деформированного состояния стальных образцов при испытании на сжатие и растяжение, позволяющие оценить достоверность разработанной программы «Металлография 2.0», основанной на анализе металлографических искажений. Ил. 10. Табл. 4. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: микроструктурный метод; металлографическое изображение; напряженно-деформированное состояние.
1Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, е-mail: [email protected]
Zaydes Semen Azikovich, Doctor of technical sciences, professor, Head of the chair of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: [email protected]
Рудых Нелли Васильевна, старший преподаватель кафедры математики, аспирант, тел.: (3952) 405176, е-mail: [email protected]
Rudyh Nellie Vasilievna, senior lecturer of the chair of Mathematics, postgraduate student, tel.: (3952) 405176, e-mail: [email protected]
EXPERIMENTAL EVALUATION OF STRESSED STATE OF STEEL SAMPLES BY THE METALLOGRAPHIC IMAGE S.A. Zaydes, N.V. Rudyh
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors present the results of determining the stress-strain state of steel samples during compression and tension tests. The latter allow to assess the reliability of the developed program, «Metallography 2.0» that is based on the analysis of metallographic distortions. 10 figures. 4 tables. 10 sources.
Key words: microstructural method; metallographic image; stress-strain state.
Развитие информационных технологий привело к образца на сжатие фиксировали микроструктуру на
новым возможностям освоения цифровой компьютерной микроскопии [4], которая позволяет оценить качество исследуемых объектов на более высоком уровне. Состояние поверхностного слоя в значительной мере
цифровой фотоаппарат через микроскоп. Полученные микроструктурные изображения (рис. 1) были помещены в разработанную программу «Металлография 2.0».
иевотЯ
к&я w
ftfy; ЭЕ
к тЗпыг ТЯи f wTW^'eL"* ■
а) б)
Рис.1. Микроструктура образца из стали 25 при испытании на сжатие с увеличением в Х100: а - до сжатия; б - при деформации 43,8%
влияет на эксплуатационные свойства деталей машин, которые, в свою очередь, зависят от микроструктуры металла и существующих в нем напряжений [3].
Для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) поверхностно-упрочненного слоя металлических изделий был разработан программный комплекс «Металлография 2.0» [1,5-9], позволяющий автоматизировать проведение микроструктурных исследований при использовании новейших компьютерных и цифровых технологий, а также наметить пути по контролю надежности и долговечности оборудования в сжатые сроки. Для производственников этот метод исследования НДС конструкций представляет особый интерес, так как он исключает демонтаж деталей и узлов оборудования, т.е. практически исключает его простой.
В данной работе на основе экспериментальных исследований дается оценка достоверности определения напряжений и деформаций по разработанной компьютерной программе «Металлография 2.0».
Для тестирования компьютерной программы выполнена серия экспериментов по испытанию стальных цилиндрических образцов на сжатие и растяжение. Для испытания на сжатие использовали образцы из стали 25 цилиндрической формы высотой 30 мм и диаметром поперечного сечения 20 мм. В середине цилиндрической поверхности образца был изготовлен микрошлиф. На гидравлическом прессе П250 образец нагружали ступенчато для исследования всех стадий искажения микроструктуры. При каждом испытании
В программе изображение проходит стадию улучшения качества [2] для выявления контуров зерен не-деформированного и деформированного состояния. Далее программой был произведен расчет деформированного состояния поверхностного слоя микроструктурным методом по выбранному цифровому изображению. В основу металлографического метода определения напряжений положено измерение длин прямолинейных отрезков р, заранее установленного числа зерен (в теории Ильюшина 8 - 10 зерен) [5,7], в направлении каждого проведенного луча. Данные лучи проводятся из центра окружности, вписанной в микрошлиф, через определенное количество градусов (угол 0).
Для расчета за длину р0 недеформированной микроструктуры была выбрана длина 10 зерен, угол замера зерен в 0=1 градус, следовательно, количество лучей равнялось 181 (рис.2).
ИЗ
Рис. 2. Разметка линий замеров р-длины 10 зерен микроструктуры в разработанной программе «Металлография 2.0»
После каждого испытания на сжатие проводился расчет относительных деформаций. Было произведено 4 компьютерных расчета между недеформирован-ной и деформированной микроструктурами. При каждом испытании измерялась длина р, равная длине 10 зерен деформированной микроструктуры.
Результаты расчета деформированного состояния поверхностного слоя образца по искаженному микроструктурному изображению после испытаний на сжатие представлены в табл.1.
После каждого компьютерного расчета деформированного состояния в программе «Металлография 2.0» была построена диаграмма зависимости относительных деформаций от величины угла в (рис.3).
Относительные деформации
-Отношение (г0/г)**2
-К+А*Соз(2*1е1а)
-Полиномиальный (Отношение
(г£1/г)™2)
0 10 20 30 40 50 Б0 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 1Б0 170 1В0
Рис.3. Кривые относительных деформаций | ft, | при
сжатии образца по высоте на 43,8%
По вертикали (рис.3) нанесены точки, величина которых равна квадрату отношения средних длин 10 зерен недеформированной и деформированной микроструктур , определяемых программой во время
обработки микроструктурного изображения. По горизонтали нанесены величины угла вот 0 до 180 градусов. По нанесенным точкам построена полиномиальная кривая. На данном графике также выстроена кривая, полученная на основе теоретически определяемых зависимостей (£^2 от угла в по формуле [3]:
= K - E • cos2(60 - 6),
Р2
(1)
K d2 d2
где K =—- +—-, 8a2 8b2
E:
_dl+_dl 8b2 + 8a2
В формуле (1) значения б, а, Ь - это соответственно первоначальный диаметр зерна, большая и малая полуоси деформированного зерна.
Как видно по диаграмме на рис.3, кривая, определяемая значениями, рассчитанными теоретически по формуле (1), и полиномиальная кривая экспериментальных результатов практически совпадают. Таким образом, подтверждена достоверность расчетов деформированного состояния в разработанной компьютерной программе при обработке металлографических изображений.
Диаграммы роста деформаций при испытании на сжатие, рассчитанные программой по микроструктурному изображению, показаны на рис.4.
Оелеиьдеформщии, % Рис.4. Диаграммы изменений деформаций при испытании на сжатие: 1 - деформация ехх;
2 - деформация еуу; 3 - деформация еи; 4 -интенсивность деформаций е; 5 - характеристика вида деформации; V - третий инвариант деформации
Из диаграммы на рис.4 видно, что при испытании на сжатие, деформации микроструктуры в направлении осей Ох (ехх) в поверхностном слое металлического изделия резко возрастают, также возрастает интенсивность деформаций о.
Таблица 1
Результаты компьютерных расчетов деформаций образца по искаженному микроструктурному
Степень Сред- Сред- Дефор- Дефор- Дефор- Интенсив- Характеристика
деформа- нее нее мации мации мации ность де- вида деформа-
ции об- Ро Р ezz=eN формаций^ ции микрострук-
разца, % туры У;
23 80 90 1.346 -1.213 -0.133 1.413 -0.376 сдвиг
29,7 80 92 2.394 -1.265 -1.129 2.622 -0.379 сдвиг
35,3 80 82 3.112 -1.368 -0.514 3.67 0.142 сжатие
43,8 80 82 3.916 -2.494 -0.192 4.83 0.643 сжатие
475 450 425 400
0 375 350
|2 325 й 300 ~ 275 й 250
1 225 g 200 | 175 « 150 13 125
100 75 50 25 0
«5
450
Ф5
4К1
о 375
350
ЗН
300
т
а 250
в 2Н
'А ал
175
& 150
а 1»
я 100
75
50
25
0
21
ZZI
Оттсигепыыедефорлащт^/о) е ОгьвсигельньЕ деф арлицш (%) 6
а) б)
Рис. 5. Диаграммы зависимости напряжений от деформаций: а - кривая по данным эксперимента; б - кривая, полученная по анализу микроструктуры
а) б)
Рис.6. Вид образца для испытаний на растяжение: а - до растяжения; б - после растяжения на 30,84 %
В табл.2 представлены результаты непосредственных измерений размеров образца и деформаций во время эксперимента после каждого испытания на сжатие. Здесь также представлены результаты интенсивности напряжений, рассчитанные методом упругих решений по экспериментальным данным деформаций испытуемого образца.
образец из стали 10 в виде прутка длиной 100 мм и диаметром поперечного сечения в области микрошлифа 20 мм (рис.6.а,б). В середине наружной цилиндрической поверхности образца был изготовлен микрошлиф. Образец нагружали ступенчато растягивающей нагрузкой. При каждом испытании на растяжение происходило увеличение длины образца приблизи-
Таблица 2
Результаты непосредственных измерений размеров образца, деформаций и рассчитанной интенсивности напряжений
Степень деформации образца, % Сила сжатия F (Н) Площадь поперечного сечения образца A, кв.мм Высота образца h, мм Напряжения а, МПа
23 308909.5 376.674 23.3 229.401
29,7 322638.8 401.138 21.3 264.784
35,3 350097.4 426.372 19.6 306.839
43,8 428550.6 452.376 17.0 359.020
Согласно полученным данным в табл. 2, на рис. 5,а представлена диаграмма зависимости напряжений от деформаций, непосредственно измеряемых во время эксперимента. Также была построена диаграмма зависимости напряжений, определяемая компьютерными расчетами по относительным деформациям микроструктурного изображения (рис.5,б).
Как видно из полученных диаграмм, зависимости напряжений от деформаций имеют практически совпадающие кривые; предел текучести стали 25 достигает 225 МПа. При проведении испытаний на сжатие предел прочности металла не достигнут.
Экспериментальные испытания образца на растяжение проведены на универсальной разрывной машине Universal Testing Machine Serial LF - 300 kN (производство фирмы "Walter" Швейцария). Был использован
тельно на 10%. После второго испытания на растяжение в середине образца появилась шейка, и только при третьем испытании на растяжение образец разрушился.
На рис.7 представлена микроструктура испытуемого образца.
Результаты расчета деформаций в программе микроструктурного изображения образца после испытаний на растяжение представлены в табл.3:
При компьютерной обработке цифрового изображения микроструктуры образца после испытания на растяжение программой «Металлография 2.0» был проведен расчет деформированного состояния и построена диаграмма зависимости относительных деформаций от величины угла в, представленная на рис.8.
Рис.7. Микроструктура образца из стали 10 при испытаниях на растяжение (увеличение Х100) : а - до растяжения; б - после растяжения на 30,84 %
Таблица 3
Результаты компьютерных расчетов деформаций образца при испытаниях на растяжение по
микроструктурному изображению
Степень деформации образца, % Деформации ехх=еа Деформации еуу=вь Деформации е22=еы Интенсивность деформаций е Характеристика вида деформации микроструктуры V;
11,13 1.121 -0.829 -0.291 1.163 -0.448 сдвиг
25,0 2.454 -1.537 -0.916 2.497 -1.366 растяжение
30,84 3.749 -2.466 -1.282 3.832 -1.860 растяжение
Таблица 4
Результаты непосредственных измерений размеров образца, деформаций и интенсивности
напряжений
Степень деформации образца, % Диаметр основания, мм Сила растяжения Г, Н Площадь сечения, кв.мм Длина образца, мм Напряжения о, МПа
0 (до растяжения) 20.14 0 318.56 100,00 0
11.13 19.07 141770 285.61 111.13 204.339
25.00 16.26 147720 207.64 125,00 225.313
30.84 11.84 140890 110.10 130.83 251.188
(Относительные деформации
О 10 20 30 40 50 Б0 70
90 100 110 120 130 140 150 160 170 100
Рис.8. Кривая распределения относительных деформаций зерен по сектору 180° после растяжения со степенью деформации образца 30,84%
Диаграммы изменения деформаций после испытаний на растяжение, рассчитанные по микроструктурному изображению, показаны на рис.9.
5 2 X
я
га -
5 1
а
О
ш и
а
Степень деформации, %
Рис.9. Диаграммы изменений деформаций при испытании на сжатие: 1 - деформация ех 2 - деформация еуу; 3 - деформация е4 -интенсивность деформаций е; 5 - характеристика вида деформации; V; - третий инвариант деформации
5
На рис. 9 видно, что деформация микроструктуры в направлении осей Ох (е„) и интенсивность деформаций а) имеют близкие друг другу значения.
Во время испытаний проводили измерения размеров образца и силы растяжения. После этих измерений методом упругих решений были рассчитаны зна-
Как видно из полученных диаграмм (рис.10 а,б), зависимости напряжений от деформаций имеют практически совпадающие кривые. По диаграмме, полученной непосредственными измерениями данных в ходе эксперимента видно, что предел текучести стали 10, достигает 205 МПа.
350
325
300
о 275
иГ 250
1= 225
>
200
5 I 175
* 150
о. 125
с
я I 100
75
50
25
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 Относительные деформации е
а)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Относителььые деформации е б)
Рис. 10. Диаграммы зависимости напряжений от деформаций: а - кривая по данным эксперимента; б - кривая,
полученная по анализу микроструктуры
чения интенсивности напряжений, возникающие в поверхностном слое металлического образца (табл.4).
Согласно полученным в табл.4 данным, были построены диаграммы зависимости напряжений от деформаций (рис.10,а), из непосредственных измерений деформаций в ходе испытания. На рис.10,б показаны диаграммы зависимости напряжений от деформаций, полученных компьютерными расчетами при анализе микроструктурного изображения.
Высокая степень сходимости расчетных и экспериментальных данных при испытаниях на сжатие и растяжение убеждают нас в правомерности использования разработанной методики и программы расчета.
Таким образом, экспериментальные испытания подтвердили достоверность проведения расчетов напряжений и деформаций по искажению микроструктурного изображения с использованием современных цифровых и компьютерных технологий.
Библиографический список
1. Зайдес С.А., Рудых Н.В. Разработка программного комплекса для расчета деформированного состояния изделий микроструктурным методом // Упрочняющие технологии и покрытия. М., 2010. № 5. С. 43-45.
2. Методы компьютерной обработки изображений /под ред. В.А.Сойфера. М.: Физматлит, 2001. 784 с.
3. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. 368 с.
4. Пантелеев В.Г., Егорова О.В., Клыкова Е.И. Компьютерная микроскопия. М.: Техносфера, 2005. 304 с.
5. Рудых Н.В. Компьютерное моделирование металлографических изображений изделий машиностроения // Межвузовский сборник научных трудов / «Технологическая механика материалов» под ред. С.А.Зайдеса. Иркутск: Изд-во Ир-ГТУ, 2008. С. 80-87.
6. Рудых Н.В. Структурная схема системы анализа металлографического изображения // Сборник трудов к 6-ой Международной научно-техн. конф. «Проблемы качества машин
и их конкурентоспособность». Брянск: Изд-во БрГТУ, 2008. С. 63-64.
7. Рудых Н.В. Расчет напряженно-деформированного состояния с использованием металлографического изображения // Межвузовский сборник научных трудов «Технологическая механика материалов» / под ред. С.А.Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. С.77-82.
8. Рудых Н.В. Оценка напряженно-деформированного состояния упрочненного слоя металла при поверхностно-пластическом деформировании // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 1. С. 55-56.
9. Рудых Н.В. Использование микроструктурного изображения для оценки напряженно-деформированного состояния металла // Вестник машиностроения. 2009. № 11. С. 3334.
10. Яковлев А.В. Методы, модели и алгоритмы формирования и анализа изображений в системе контроля качества материалов и продукции машиностроительного предприятия. Муром: Изд-во Муромск. ин-та ВлГУ, 2003. 16 с.
