CC BY
79
УДК 621.787
К ВОПРОСУ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ В ПРОЦЕССЕ ВИБРОУДАРНОГО УПРОЧНЕНИЯ А.А. Кожевников
Представлен анализ электрических и акустических методов неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния в металлических деталях. Рассмотрена измерительная схема контроля состояния поверхности детали в процессе виброударного упрочнения.
Ключевые слова: упрочнение, контроль, дефектоскопия
Введение.
В практике машиностроительного
производства широко применяются виброупрочняющие установки зарезанансного типа. Эти установки имеют устойчивый режим работы, однако, кроме проблемы управления траекторией колебаний, что, например, в большегрузных установках типа ВУД-2500 невозможно, существует проблема контроля за состоянием обрабатываемых деталей. На сегодняшний день, контроль виброударной и дробеструйной обработки осуществляется за счет использования контрольных образцов [1], что приводит к необходимости периодически прерывать технологический процесс. Это выливается в увеличение времени обработки и повышению энергозатрат. Решение проблем управления [2] связано с обеспечением устойчивости в близкорезонансной области при воздействии дестабилизующих факторов. Такими дестабилизирующими факторами являются: монотонное и скачкообразное
изменение массы подвижной системы (до 2530%), виброударное гашение амплитуд колебаний за счет периодических соударений вибрирующей инструментальной среды с контейнером и деталью. В результате этого технологические параметры обработки
деталей могут изменяться в сторону ухудшения. Своевременное вмешательство управляющего воздействия на вибросистему может вернуть ее в нужный режим, что не
всегда возможно осуществить вручную.
Адаптивное управление процессом
виброударного упрочнения жестко связано с контролем динамики технологической системы и процессом формирования поверхностного слоя. Последнее, в силу сложности, долгое время не представлялось возможным [2]. На сегодняшний день накопился богатый опыт в области контроля различными методами
Кожевников Алексей Александрович - ВФ МИИТ, канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: [email protected]
параметров состояния поверхности: наклепа, остаточных напряжений и шероховатости.
Электрические методы измерения деформаций.
Изменение электрического сопротивления или емкости при деформировании материала может быть обусловлено тремя эффектами [3, 4]:
1. Изменением удельного сопротивления материала (р) при изменении его напряженного состояния. Данный эффект называется пьезорезистивным и используется в различных датчиках высоких давлений. Одним из видов датчиков, работающих за счет пьезорезистивного эффекта, являются манганиновые датчики давления, коэффициент эластосопротивления которых достигает значений л=Др/р=2.5^10"5 МПа"1. Влияние данного эффекта в обычных металлических проводниках, в том числе стальных, настолько мало, что им обычно пренебрегают.
2. Изменением длины и сечения
проводника (/) при его деформировании. Данный эффект используется в тензорезисторах. Датчики, основанные на данном эффекте, имеют коэффициент тензочувствительности равный примерно 2. Это означает, что при напряжениях
соответствующих пределу упругости,
например в стали С 235, относительная
деформация (е) составит около 0,1 %, а изменение сопротивления около 0,2% от абсолютного значения.
3. Известно, что при подаче к поверхности
проводника переменного тока высокой частоты имеет место скин"эффект, при котором токи высокой частоты сосредотачиваются у той поверхности
проводника, которая является ближайшей к источникам поля, вызывающим появление токов. Глубина проникновения тока к в проводнике определяется выражением:
h =
у1Ф<7 ’
где /- частота тока, Гц; ц - абсолютная магнитная проницаемость материала, Гн/м; у -удельная электропроводность материала, См/м.
Магнитная проницаемость материала является переменной величиной и, в том числе, зависит от напряженного состояния. зависимость изменения электрического сопротивления на переменном токе от механических напряжений, обусловленная изменением магнитной проницаемости стали, имеет чувствительность приблизительно в 20 раз превышающую чувствительность проводниковых тензорезисторов.
Акустические методы дефектоскопии.
Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко применяют в технике контроля и измерения физических параметров. Сюда относят звуковую и ультразвуковую локацию, ультразвуковую медицинскую диагностику, контроль уровня жидкости, скорости потока, давления, температуры в сосудах и трубопроводах, а также использование акустических колебаний и волн для неразрушающего контроля. Для целей контроля обычно применяют колебания частотой от 50 Гц до 50 МГц, с интенсивностью не более 1 Вт/см2 [6].
Одним из методов исследования технологических и трибологических систем является анализ спектра упругих колебаний, возникающих при взаимодействии тел в процессе трения или удара [5, 7]. Существуют предположения, что за возникновение упругих колебаний при трении ответственна флуктуирующая сила, которая может быть индуцирована деформацией шероховатостей или их адгезионным взаимодействием с сопряженной поверхностью, а также отделением частиц износа.
Автоматизированный анализ спектра акустических колебаний при трении и ударе осуществляется на основе вейвлет"
преобразования [7] или быстрого преобразования Фурье [8]. При исследовании динамического поведения различных материалов обычно применяют
пьезопреобразователи или тензорезисторы, которые наклеивают на образцы. Скорость распространения импульсов упругих
напряжений в стальных образцах равна скорости звука (5000 м/с), в то же время
массовые скорости частиц стержней соответствуют скорости ударника (5 - 20 м/с). Массовая скорость v связана с деформацией e выражением v = ec, где с — скорость звука в стержне [9]. Таким образом, измерение массовой скорости равноценно измерению деформаций.
Заключение.
Проблема использования методов неразрушающего косвенного контроля состояния поверхности в процессе виброударного упрочения связана с ограничениями по применению первичного измерительного оборудования (датчиков): разрушительное действие инструментальной среды, мощное вибрационное воздействие, наличие технологической жидкости и частиц разрушенных элементов инструментальной среды, изменение температуры, малость
измеряемого объекта (слой толщиной порядка 300 - 400 мкм). Применение магнитных и электромагнитных методов связано с необходимостью размещать датчик
непосредственно над обрабатываемой поверхностью, что не позволяет использовать данный подход для контроля в процессе обработки. Серьезным недостатком ультразвуковых методов является
необходимость точной настройки первичной генерационно-измерительной системы
(расположение генератора акустических колебаний и приемного датчика и т.д.), что в условиях воздействия инструментальной среды и вибраций, может свести на нет все преимущества.
Метод контроля состояния поверхности в процессе виброударного упрочнения может быть реализован на основе электрических и акустических измерениях состояния системы.
Существование такого физического явления, как скин-эффект в металлах, позволяет рассчитать сопротивление исследуемого участка (контрольного образца) на различных глубинах через измерение напряжения и тока большой частоты (10-20000 кГц). При этом сопротивление зависит от напряженно-деформированного состояния поверхности. В схему измерения также должен быть включен датчик температуры, поскольку в процессе упрочнения происходит разогрев рабочей среды и, соответственно, детали, а, как известно, электрическое сопротивление изменяется с изменением температуры. Среди акустических методов наиболее
перспективными является анализ спектра упругих колебаний, возникающих во время
удара элементов инструментальной среды с поверхностью детали. Он дает возможность отслеживать как изменение самого спектра, так и среднего значения амплитуды звуковой волны, при этом датчик можно закрыть образцом"свидетелем от разрушающего воздействия инструментальной среды. Измерительная схема, реализующая комплексный метод контроля состояния поверхностного слоя, представлена на рисунке.
Таким образом, контроль состояния поверхностного слоя детали в процессе виброударного упрочнения возможен после исследования описанных методов на применение в условиях эксплуатации виброударной технологической системы.
Литература
1. Рыбаков Г. М. Формирование сжимающих остаточных напряжений в металлических деталях при дробеструйной обработке [Текст] / Г. М. Рыбаков // Технология машиностроения. - 2007. - № 1. - Том 55. -С. 51-54.
2. Копылов Ю. Р. Виброударное упрочнение [Текст]: монография. / Ю. Р. Копылов. - Воронеж: Воронежский институт МВД России. - 1999. - 386 с.
3. Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) [и др.]. Динамика и прочность машин. Теория механизмов и машин [Текст]: т. 1-3. В 2-х кн. Кн. 2 / Под общ. ред. К. С. Колесникова. - М.: Машиностроение. - 1995. - 624 с.
4. Улыбин А. В. Метод измерения электрического сопротивления для контроля механических напряжений в стальных конструкциях [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.01 / Улыбин Алексей Владимирович. - Санкт-Петербург, 2010. - 115 с.
5. Неразрушающий контроль и диагностика [Текст]:
справочник. / Под ред. В. В. Клюева. - М.:
Машиностроение. - 2003. - 656 с.
6. Ермолов И. Н. Неразрушающий контроль
[Текст]: в 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля: практ. пособие. / И. Н. Ермолов, Н. П. Алешин, А. И. Потапов. - М.: Высш. шк. - 1991. - 283 с.
7. Хвостиков А. С. Диагностика износа режущего
инструмента на основе вейвлет-анализа сигнала виброакустической эмиссии [Текст]: дис. . канд. техн. наук: 05.03.01/ Хвостиков Александр Станиславович. -Комсомольск-на-Амуре, 2007. - 150 с.
8. Мирсков А. Измерительный комплекс для
исследования структуры и физических свойств материалов [Текст] / А. Мирсков, С. Шиляев // Электроника: НТБ. - 2005. - №7. - С. 46-47.
9. Баранников В. А. Простой электромагнитный датчик мгновенных деформаций [Текст] / В. А. Баранников, Е. А. Николаева, С. Н.Касаткина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. - № 3. -Том 73. - С. 66-68.
Измерительная схема контроля состояния поверхности в процессе виброударного упрочнения.
Г - высокочастотный генератор, М - резистивный измерительный мост, У - усилитель,
АД - амплитудный детектор, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, МК - микроконтроллер,
1 - подложка, 2 - образец-свидетель, З - электрический контакт в металлическом кожухе,
4 - датчик температуры, 5 - акустический датчик
Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Воронежский филиал
TO QUESTION OF CONTROL OF THE STATE OF SUPERFICIAL LAYER OF DETAIL IN THE PROCESS OF VIBROSHOCK WORK-HARDENING
A.A. Kozhevnikov
The analysis of electric and acoustic methods of non-destructive control of the tense-deformed consisting is presented of metallic details. The measuring chart of control of the state of surface of detail is considered in the process of the vibroshock work-hardening
Keywords: work-hardening, control, fault detection
