CC BY
53
УДК 620.192, 620.197
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ КОНТРОЛЯ ПРИЖОГОВ В ШЕСТЕРНЯХ МЕТОДОМ РЕГИСТРАЦИИ ШУМОВ БАРКГАУЗЕНА
THE STUDY OF THE POSSIBILITY OF CONTROLLING BURNS IN GEARS BY THE METHOD OF RECORDING THE BARKHAUSEN NOISE
А. А. Ширяев1, В. Ф. Макаров1, А. О. Горбунов2
'Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия
2АО «Редуктор-ПМ», г. Пермь, Россия
A. A. Shiryaev1 V. F. Makarov1, A. S.Gorbunov2
'Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia 2Reductor-PM OJSC, Perm, Russia
Аннотация. Метод регистрации шумов Баркгаузена может обнаруживать дефекты шлифования без необходимости в специальной подготовке поверхности. Цель работы: выявление прижогов поверхности шестерен методом регистрации шумов Баркгаузена и оценка возможности замены метода травления на указанный метод контроля. Материал шестерен: 18Х2Н4А-Ш. Измерение методом шумов проводилось на зубьях и посадочных поверхностях шестерен. Проведено измерение величины остаточных напряжений в поверхностном слое посадочных поверхностей и зубьев методом рентгеновской дифрактометрии. Экспериментально установлено, что наличие прижога на поверхности сопровождается значительным увеличением величины магнитного параметра по сравнению с неповрежденной областью. Обнаружение дефектов с помощью метода шумов Баркгаузена занимает меньше времени, может быть автоматизировано и позволит заменить метод химического травления.
Ключевые слова: прижог, неразрушающий контроль, шумы Баркгаузена, механическая обработка, дефект.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-82-87
I. Введение
В статье рассматривается применение метода регистрации шумов Баркгаузена (ШБ) для неразрушающего контроля поверхности, в частности, определение наличия прижогов в шестернях. Установлено, что по сравнению с методом травления использование метода ШБ обеспечивает наиболее быстрый и эффективный контроль дефектов, вызванных шлифованием и полированием, а также данный вид контроля может быть легко автоматизирован.
II. Постановка задачи
В работе исследуется возможность выявления прижогов в шестернях после шлифования с помощью магнитного метода регистрации шумов Баркгаузена.
В рамках проведения исследований необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ научно-технической и патентной литературы по проблеме использования неразрушающих методов контроля.
2. Проведение измерений магнитного параметра на поверхностях без/с прижогом.
3. Исследование эпюры распределения ОН поверхностного слоя шестерен.
4. Установление величины магнитного параметра, при котором поверхность детали без дефектов.
III. Теория
'. Природа прижога и способы его выявления
Повреждения при шлифовании представляют собой результат превращения тепловой энергии в теплоту, которая концентрируется в поверхностных слоях и может вызвать нежелательные эффекты. Факторами вызывающими увеличение температуры в поверхностном слое являются: тип смазочно-охлаждающей жидкости, ее концентрация, срок службы, расход, характеристика шлифовального круга, его скорость, степень износа, ско-
рость подачи и химико-термическая обработка (ХТО) материала перед шлифованием, т. е. способ термообработки [1].
Прижоги делятся на два класса: 1) прижоги с отпуском - снижение твердости (НВ); 2) прижоги с подкалкой - рост НВ. Прижоги с отпуском возникают при температуре шлифуемой поверхности, не превышающей критическую точку Лс1. При этом глубина прижогов отпуска может достигать 3 -4 мм. Прижоги с подкалкой возникают при разогреве шлифуемой поверхности выше температуры фазовых превращений. Глубина подкаленного слоя достигает 0,5 мм. Под закалившимся слоем находится зона отпуска.
Снижение НВ приводит к росту износа поверхностей, повышение НВ - к росту трещин, росту растягивающих ОН.
2. Установление корреляции между магнитным параметром и методом травления
Прежде чем приступить к анализу ШБ, необходимо установить корреляцию между сигналом ШБ и некоторой иной величиной, являющейся мерой серьезности (сложности) повреждения с помощью, например, химического травления. Исходя из выявленной зависимости, для анализатора ШБ устанавливается критерий для отбраковки. Метод контроля основан на том факте, что величина магнитного параметра (МП) связана с результатами визуального изучения результатов химического травления. Выполняя измерения деталей и сравнивая их с результатами химического травления, выявляется корреляция, а также оценивается степень прижога, используя магнитуду МП. Изучая полученную зависимость, устанавливают критерии отбраковки, которые вводятся в программу для данного конкретного типа зубчатого колеса. После введения критерия отбраковки можно выполнять анализ ШБ на обработанных поверхностях шестерен.
IV. Результаты экспериментов
Для исследования предоставлены две шестерни редуктора вертолёта. Материал: 18Х2Н4А-Ш.
Контроль после шлифования:
• Посадочные места
• Боковые поверхности зубьев
а б
Рис. 1. Общий вид шестерен: а) с прижогом; б) без прижога
Шестерня 1 была забракована из-за наличия прижогов на поверхности зубьев. Прижогов на поверхности шестерни 2 нет.
3. Выявление шлифовочных прижогов методом травления
Цикл травления занимает 50 мин, размеры ванны и оснастка позволяют одновременно контролировать около 30 деталей типа сателлит.
Технологический процесс состоит из 11 операций, 4 из которых являются промывками (нефрас/проточная вода) от использованных химических растворов и являются промежуточными.
Сперва детали обезжиривают в щелочном растворе.
Травление проводится в растворе надсернокислого аммония - 100-150 г/л. Режим: температура комнатная, время выдержки от 30 сек до 4 мин (до потемнения раствора) в зависимости от выработки раствора.
Разрыхление шлама (темной поверхностной пленки), который образуется при травлении, проводится в растворе хромового ангидрида в составе: ангидрид хромовый - 145-155 г/л, кислота серная - 3-7 г/л. Режим: температура комнатная, время выдержки 2-3 сек до 3 мин.
Осветление проводится в водном растворе следующего состава: соляная кислота - 50-100 г/л; уротропин -40-50 г/л. Режим: температура комнатная, время выдержки 30 сек - 2 мин.
Обработка в растворе хромпика. Режим: температура комнатная, время выдержки 1-2 мин.
Контроль прижогов, трещин производится визуальным осмотром или лупой 4х-кратного увеличения. Осмотр производится непосредственно после обработки в растворе хромпика.
При наличии прижогов поверхность травится неравномерно: в местах прижогов поверхность от темно-серого до темного цвета или светлая. При отсутствии прижогов поверхность имеет светло-серый цвет. Прижоги выявляются в виде полос, штрихов, рисок, пятен.
Допускается повторная переполировка детали для удаления прижогов при условии, что размеры детали находятся в пределах допуска и шероховатость не превышает Яа = 1.25 мкм.
После травления детали проходят антикоррозийную обработку.
4. Контроль прижогов методом регистрации шумов Баркгаузена
Для решения проблемы замены трудоемкого контрольного процесса травления поверхностей зубьев шестерен выбран метод ШБ [2-6].
Измерение МП проводилось прибором Ко118сап 350. Использовался датчик для измерения шестерен. Параметры технологического контроля приведены в табл. 1.
ТАБЛИЦА1
ПАРАМЕТРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Параметр Значение
Напряжение намагничивания, В 7,0
Частота намагничивания, Гц 170
Рис. 2. Общий вид датчика
Места контроля:
• Посадочные поверхности - 20 точек с шагом 18°; диаметр - 75 мм
• Зубья шестерни
Рис. 3. Расположение точек измерения Рис. 4. Расположение датчика для измерения МП
на посадочной поверхности 1
Рис. 5. Схема измерения МП и сост на поверхности зуба
Рис. 6. Расположение сторон зуба для измерений
5. Измерение остаточных напряжений на поверхности шестерен
Измерение остаточных напряжений (ОН) проводилось методом рентгеновской дифрактометрии прибором Xstress Robot. Точки измерения указаны на рис. 5. Направление измерения ОН - вдоль оси движения инструмента.
V. Обсуждение результатов
A) Шестерня 1 1. Посадочные поверхности шестерен
Рис. 7. График измерения МП на посадочной поверхности 1
Рис. 8. График измерения МП на посадочной поверхности 2
Посадочные поверхности не содержали темных участков. Скачков МП не обнаружено. Установлено, что величина МП для бездефектной области находится в диапазоне 19^23 ед., т.е. можно считать, что эти поверхности без дефектов.
!-з<
к 1——I
И N И К
< 1 - \
Точки измерения
Рис. 9. График измерения ОН на посадочной поверхности 1 шестерни 1 Величина ОН на посадочных поверхностях шестерни 1 находится в диапазоне -400^-350 МПа.
2. Зубья шестерни - измерение ШБ
Рис. 10. Диаграмма распределения МП на зубе 1, сторона А
! точки
Рис. 11. Диаграмма распределения МП на зубе 1, сторона Б
Максимальная измеренная величина МП равна 181 ед. в зубе 19 на стороне А. В шестерне 1 основной областью прижогов являются середина и корень зуба.
Уровень МП определяет глубину прижога, чем выше МП, тем больше глубина прижога. Полученные данные сведены в табл. 3.
ТАБЛИЦА2
СООТВЕТСТВИЕ МП И ОН В ТОЧКАХ, ЗУБ 1, СТОРОНА А
№ точки ОН, МПа МП
1 -197.1 87.36
3 -161.7 105.19
5 -191.3 123.1
7 -155.5 106.82
9 -139.8 86.92
B) Шестерня 2
Рис. 12. Диаграмма распределения МП на зубе 1, сторона А
Рис. 13. Диаграмма распределения МП на зубе 1, сторона Б
Как было указано выше, шестерня 2 не содержит прижогов, что было экспериментально подтверждено (рис. 12-13). Так, величина МП на поверхности зубьев не превышает 23 ед.
ТАБЛИЦА 3
СООТВЕТСТВИЕ МП И ОН В ТОЧКАХ, ЗУБ 1, СТОРОНА А
№ точки ОН, МПа МП
1 -557.8 19.01
3 -529.8 20.89
5 -492.7 20.78
7 -437.8 20.64
9 -517.3 20.35
VI. Выводы и заключение
• Для поверхностей без дефектов уровень МП равен 19-23. Для поверхностей с прижогами (зубья шестерни 1) величина МП достигала 300 ед. Чем выше величина МП, тем больше глубина прижога. Основной областью прижогов являются середина и корень зуба.
• В измеренных шестернях ОН сжимающие. Наличие прижога приводит к увеличению величины ОН. Так для бездефектных областей ОН равны -400^-350 МПа, а при наличии прижога - -110^-70 МПа.
• Наблюдается слабая корреляция между МП и ОН в местах прижогов. Так, коэффициент корреляции равен 0,27 (табл. 2).
• Метод ШБ является более быстрым по сравнению с существующим методом химического травления:
4-5 сек на зуб. Использование метода ШБ позволит отказаться от работы с химическими веществами и сократить технологический процесс.
• Датчик регистрации ШБ поставляется как опция для имеющихся шлифовальных станков, что позволяет проводить контроль детали непосредственно в станке, а также внедрить автоматизированную систему анализа ШБ.
Список литературы
1. Юликов М. И. Отделочные методы обработки зубьев зубчатых колес // Станки и инструмент. 1986. № 1. С. 15-16.
2. Suominen L. Detecting Grinding Damage in Gears with the Barkhausen Noise // NDT World. 2011. No. 2. Р. 74-78.
3. Pro Richard J. Grinding Burn Detection During Production Using Magnetic Barkhausen Noise Measurements // Materials Evaluation. 2006. Vol. 45, no. 6. Р. 610-612.
4. Ceurter J., Smith C., Ott R. The Barkhausen Noise Inspection Method for Detecting Grinding Damage in gears // Gear Technology. 2002. Nov/Dec. Р. 26-31.
5. Shaw B., Evans J., Wojtas S., Suominen L. Grinding process control using the magnetic Barkhausen noise method // Electromagnetic nondestructive evaluation II. 1998. Р. 82-91.
6. Shaw B., Moorthy V. Grinding Damage Detection in Gears and Bearing Balls Using Magnetic Barkhausen Emission Technique // NDT World Review. 2011. No. 3. Р. 38-42.
