CC BY
38
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНиЕМ
УДК 621.983.777
Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, на основе излучения сигналов акустической эмиссии
Г. А. Данилин, А. В. Титов, Е. Ю. Ремшев
Введение
Упругие элементы [1] применяют в машинах и конструкциях в качестве амортизаторов, буферных устройств, аккумуляторов энергии, элементов конструкций, обеспечивающих растяжение или сжатие других деталей. По конструктивному исполнению различают витые, спиральные, торсионные, пластинчатые и тарельчатые пружины (ТП) [2]. В зависимости от вида нагрузки в процессе эксплуатации ТП испытывают циклические или статические и циклические нагрузки до установленного ГОСТом числа циклов. Тарельчатые пружины, как правило, применяют в узлах конструкций в виде пакета [2]. В соответствии с рис. 1 основными геометрическими параметрами ТП являются: наружный диаметр Д^, внутренний диаметр толщина стенки пружины с опорной плоскостью V, толщина стенки без опорной плоскости V, максимально возможная деформация 33, высота пружины ¿о, ширина опорной плоскости Ь.
Основными эксплуатационными свойствами упругих элементов являются прочность (свойство
Рис. 1. Геометрические параметры тарельчатой пружины:
а — угол между поверхностью А и осью симметрии детали, Р — угол между поверхностью Б и осью симметрии детали
материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих в результате действия внешних сил) и релаксационная стойкость (обеспечение заданной нагрузки сжатия в установленных пределах в течение заданного времени) [1]. Особое значение имеет сохранение эксплуатационных свойств [2] упругих элементов в течение длительного времени, в некоторых случаях — до 20-25 лет. Наличие наружных и внутренних дефектов, релаксация, а также изменение структуры материала [3] в тарельчатых пружинах в процессе эксплуатации зачастую приводят к разрушению (отказу) или возникновению остаточной деформации более 10 %. Методы контроля и испытаний пружин:
• визуальный контроль;
• соответствие чертежу детали (шероховатость, твердость, геометрические параметры);
• испытание заневоливанием;
• испытание на сжатие;
• контрольные испытания на циклическую выносливость;
• испытание пружин ударной нагрузкой на копре;
• различные методы дефектоскопии [2].
В процессе испытаний и эксплуатации важно знать, какие процессы протекают внутри нагруженных упругих элементов (возникновение и рост дефектов, релаксационные процессы). В связи с этим вызывают интерес неразрушаю-щие методы контроля [4, 5], в том числе метод акустической эмиссии.
Акустическая эмиссия (АЭ) — излучение материалом механических волн, вызванное внутренней динамической локальной перестройкой его структуры [5]. От других неразрушающих методов контроля качества акустическая эмиссия отличается двумя существенными особенностями: пассивностью и дистанционностью [1-3].
Один или несколько датчиков можно установить на любую доступную поверхность контролируемого объекта.
Исследование
В ходе исследования1 был изготовлен испытательный стенд, где экспериментальные образцы (упругие элементы) подвергались различной нагрузке, регистрировались сигналы АЭ, сила сжатия и деформация. Экспериментальными образцами являлись ТП из титанового сплава (ОАО «НПП «Пружинный центр»», Санкт-Петербург) [4], изготовленные в соответствии с разными технологическими процессами (группы 3 и 4). Технологии изготовления [1, 2] пружин, объединенных в группы 3 и 4, отличаются разными температурными режимами во время операций закалки и старения. Пружины из групп 1 и 2 показали физико-механические свойства, не пригодные для эксплуатации в течение длительного периода времени. На рис. 2 представлена принципиальная схема технологического процесса изготовления ТП.
Таким образом, в исследовании экспериментальными образцами являлись ТП двухпарал-лельной сборки, одиночные ТП и ТП двухпа-раллельной сборки с умышленно нанесенными наружными дефектами. Релаксацию пружин определяли по методике, которая заключается в проведении циклических испытаний (с количеством циклов, установленным в ГОСТ). После проведения циклических испытаний оценивали изменение силы сжатия пружины в контрольных точках, делали вывод о релаксационных свойствах изготовленной партии пружин. Пружины группы 3 исследовались после циклических испытаний [2], а пружины группы 4 — до проведения технологической операции за-неволивания (рис. 2). Тарельчатые пружины из титанового сплава ВТ23 изготовлены научно-производственным предприятием ОАО «НПП «Пружинный центр»». Экспериментальные образцы подвергались кратковременному обжатию, а также выдержке при постоянной силе в течение длительного времени.
В процессе исследования экспериментальный образец устанавливался в стенд (рис. 3), который помещался в рабочую зону испытательной машины. Датчик для регистрации сигналов АЭ устанавливался непосредственно на образце.
Кратковременное обжатие (троекратное). Производилась нагрузка ТП до силы, соответствующей рабочей или максимальной деформации
1 Исследования выполнялись в соответствии с поисковой научно-исследовательской работой в рамках реализации Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы.
Рис. 2. Принципиальная схема технологического процесса изготовления тарельчатой пружины
(незаневоленные пружины) с последующей разгрузкой. Кратковременное обжатие повторялось три раза с интервалом не более 15 мин. В процессе обжатия регистрировались сигналы АЭ с помощью прибора «Локтон — 2004» (ЗАО «Элтест», Троицк, Московская обл.) и значения силы сжатия пружин.
Выдержка ТП при постоянной силе в течение длительного времени. Производилась нагрузка ТП до силы, соответствующей рабочей или максимальной деформации (незаневолен-ные пружины) с последующей выдержкой в течение длительного времени (не более 72 ч). Сигналы АЭ и значения силы сжатия ТП регистрировались в процессе их нагрузки и выдержки.
Для оценки и прогнозирования релаксационной стойкости ТП выбран суммарная акустическая эмиссия (САЭ), N — количество зарегистрированных случаев, когда сигналы АЭ превышают установленный уровень дискриминации (ограничения) за определенный интервал времени.
Рис. 3. Стенд для обжатия ТП и регистрации сигналов АЭ
В нашем исследовании установленный уровень дискриминации — 39 дБ. Данные, полученные в ходе экспериментального исследования, представлены в виде таблиц и графиков зависимости суммарной акустической эмиссии от времени.
Тарельчатые пружины из групп 3 и 4 были пронумерованы от 3-1 до 3-8 и от 4-1 до 4-8 соответственно. Испытание на обжатие и регистрация сигналов АЭ проводили для всех пружин из группы 3. В табл. 1 и на рис. 4 представлены данные для трех пружин (3-8, 3-5, 3-2).
На основе экспериментальных данных, приведенных в табл. 1 и на рис. 4, сделаны следующие выводы:
• обжатию подвергались 7 пружин из группы 3, в частности ТП 3-3, ТП 3-4, ТП 3-7, величина САЭ ^¿.тах уменьшалась при каждом последующем обжатии:
а)
^1тах > ^2тах > ^3тах;
(1)
• у пружин ТП 3-2, ТП 3-5, ТП 3-6, ТП 3-8 величина САЭ ^¿.тах не уменьшалась при каждом последующем обжатии:
N
1тах
> N
2тах
< N
3тах
(2)
Значение САЭ варьирует для каждой из пружины из группы 3. На основании этих данных подтверждается использование метода АЭ как пригодного для качественной метода способного качественно оценки состояния объекта контроля. При испытании обжатием с регистрацией сигналов АЭ выполнение условия (2) предположительно является следствием наличия в материале пружины предрасположенности к развитию дефекта, которая при длительной эксплуатации может привести к недопустимой релаксации или разрушению тарельчатой пружины.
В табл. 2 и на рис. 5 представлены экспериментальные данные, полученные в процессе
Таблица 1
Экспериментальные данные, полученные в процессе обжатия ТП группы 3 с регистрацией сигналов АЭ
Образец Максимальная сила в процессе обжатия пружин Ртах, т Общее количество импульсов акустической эмиссии N1 тах при ¿-м обжатии Интервал времени между обжатиями Ъ, мин.
N 1тах ■^2тах ■^3тах
ТП 3-2 5 418 61 88 10
ТП 3-3 5 671 120 38 10
ТП 3-4 5 167 82 10 10
ТП 3-5 5 712 38 96 10
ТП 3-6 5 595 115 140 10
ТП 3-7 5 184 19 7 10
ТП 3-8 5 197 24 26 10
N имп _
200-
150-
100-
50-
б)
N имп 600500400300200100
0
о)
N имп 600500400300200 100-
0
/
V
Ь, мин
/
/
Ь, мин 1
/
—I—
-1
Ь, мин
Рис. 4. Графики зависимости, полученные в процессе первого (1), второго (2) и третьего (3) обжатия одиночных ТП группы 3: а — ТП 3-8; б — ТП 3-2; в — ТП 3-5
выдержки ТП из группы 3 в течение длительного времени (не более 72 ч). На основе табл. 2 и рис. 5 сделаны следующие выводы:
• значение САЭ не превысило значения в 33 импульса в процессе выдержки пружин ТП 3-3, ТП 3-4, ТП 3-5, ТП 3-6, ТП 3-7;
• значение САЭ значительно увеличивалось в процессе выдержки пружин: ТП3-2, ТП3-8;
0
3
1
2
3
4
1
4
• значительное число сигналов АЭ и, соответственно, прирост САЭ гистрировано у пружин ТП3-2, ТП3-8;
• на основе полученных данных ТП3-2 и ТП3-8 подвергли дополнительным испытаниям выдержки при постоянной силе, в каждом эксперименте обнаруживался прирост САЭ в процессе выдержки.
Таблица 2
Экспериментальные данные, полученные в процессе нагружения и выдержки тарельчатых пружин при постоянной силе 10 т и регистрации сигналов АЭ
Образец Общее количество импульсов акустической эмиссии*
ТП 3-2 739
ТП 3-3 33
ТП 3-4 6
ТП 3-5 14
ТП 3-6 5
ТП 3-7 11
ТП 3-8 848
ТП 3-8 2099
а)
N имп
2000 1750 1500 1250 1000 750 500 250
ч4
18
27
36
45
54
63
б)
N имп
^ час
I, час
Рис. 5. График зависимости суммарной акустической эмиссии N от времени £ в процессе выдержки тарельчатой пружины из группы 3 при постоянной силе в течение длительного времени:
а — зависимости, полученные в процессе выдержки пружин ТП 3-2 (1), ТП 3-3 (2), ТП 3-4 (3), ТП 3-5 (4); б — зависимости, полученные в процессе выдержки пружин: ТП 3-6 (4), ТП 3-7 (2), ТП 3-8 (1, 3 (повторно))
Возникновение сигналов АЭ и значительный прирост САЭ в процессе выдержки при рабочей нагрузке ТП свидетельствует о перестройке структуры материала или наличии предрасположенности к развитию дефектов внутри материала. Наличие внутренних дефектов обнаружено у ТП 3-2, ТП 3-8, которые необходимо дополнительно исследовать другими методами контроля качества (например, ультразвуковым методом), не рекомендуется использовать их в изделии в течение длительного времени или отбраковывать. На основе экспериментальных данных, полученных в процессе обжатия ТП в двухпараллель-ной сборке были сделаны следующие выводы:
• САЭ при обжатии различных сборок варьировала, максимальное значение ^тах достигало 14 246 имп.;
• в процессе обжатия выполнялось неравенство (1), то есть значение САЭ при каждом последующем обжатии было меньше предыдущего;
• неравенство (1) не было соблюдено в процессе обжатия сборок с пружинами ТП 3-2, ТП 3-8, то есть САЭ при третьем обжатии больше САЭ при втором.
Целесообразно проведения исследований для определения возможности контроля качества отдельных ТП при условии, что они обжимаются в сборке. На основании экспериментальных данных, полученных в процессе выдержки ТП двухпараллельной сборки при постоянной силе в течение длительного времени (не более 72 ч) сделаны следующие выводы:
• прирост САЭ в процессе выдержки зафиксирован для всех исследуемых сборок ТП;
• максимальное значение САЭ в процессе выдержки зарегистрировано для сборок (ТП 3-7, ТП 3-8) и (ТП 3-2, ТП 3-3).
Регистрация сигналов АЭ и, соответственно, прирост САЭ в процессе выдержки наблюдался в тех случаях, когда в составе сборок находились пружины, классифицируемые как дефектные (внутренний дефект по результатам единичного обжатия и обжатия в сборке и выдержки отдельных ТП). Для сборок (ТП 3-7, ТП 3-8) и (ТП 3-2, ТП 3-3) определен значительный прирост САЭ в процессе выдержки. Данный факт свидетельствует о возможности определения дефектных пружин в составе сборки. Экспериментальные данные (наличие внутренних дефектов в пружинах ТП 3-2, ТП 3-7, ТП 3-8), полученные в процессе выдержки отдельных пружин, качественно подтверждаются в процессе выдержки сборок с этими пружинами.
Исследование пружин с дефектами
В рамках экспериментального исследования были изучены тарельчатые пружины и сборки
1
2
3
0
1
пружин, которые имели умышленно сделанные дефекты в виде надрезов различных размеров, отверстий и др. Данная часть экспериментального исследования необходима для выявления закономерностей изменения параметров АЭ в процессе нагружения пружин с дефектами. На рис. 6 представлены фотографии дефектов нанесенных на ТП 3-7 и графики зависимости, полученные в процессе выдержки при постоянной силе.
На ТП 3-7 поочередно, три раза наносились дефекты, после нанесения каждого дефекта ТП выдерживалась до 72 ч, в каждом испытании наблюдался прирост САЭ как в процессе нагрузки, так и в процессе выдержки в течение времени (до 72 ч). Наиболее значительный рост сигналов в процессе выдержки наблюдался после нанесения значительного дефекта 3 (рис. 6, г, график 1).
Выводы
Полученные экспериментальные закономерности позволяют говорить о возможности
а)
N имп
13,0 19,5 26,0 32,5 39,0 45,5 52,0 58,5 65,0
Рис. 6. Умышленно нанесенные наружные дефекты на ТП 3-7 (а — в) и зависимость САЭ (1-3), полученная в процессе выдержки ТП 3-7 при постоянной силе после нанесения каждого дефекта (г):
а — пружина с дефектом 1; б — пружина с дефектом 2; в — пружина с дефектом 3: 1 — дефект 3, выдержка — 96 ч; 2 — дефект 2, выдержка — 69 ч; 3 — дефект 1, выдержка — 31 ч
применения метода АЭ для качественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин. Для количественной оценки указанного параметра необходимо провести дополнительные исследования. Испытания ТП обжатием с регистрацией сигналов АЭ недостаточно для оценки параметров качества. В исследовании, целью которого являлась разработка методики прогнозирования релаксационной стойкости ТП, методом АЭ выявлены пружины (ТП 3-8, ТП 3-7, ТП 3-2), у которых определено наличие предрасположенности к развитию внутренних дефектов. Процессы, происходящие в этих пружинах, могут привести к значительной релаксации во время эксплуатации. Оценка релаксационной стойкости ТП из группы 3 по альтернативной методике показала наличие значительной релаксации в пружинах ТП 3-7 и ТП 3-8, что согласуется с результатами настоящего исследования. Альтернативная методика оценки релаксации заключается в построении релаксационной кривой для группы пружин на основе измерения силы сжатия до технологической операции заневоливания, после нее, а также после циклических испытаний с количеством циклов, устанавливаемых ГОСТом или ТУ на изделие. Альтернативная методика не относится к нераз-рушающим методам контроля. Вывод о релаксационных свойствах пружин делается на основе испытаний выборочной партии. Методика прогнозирования релаксационной стойкости ТП на основе распределения сигналов АЭ основана на результатах настоящего экспериментального исследования. В дальнейшем предполагается включить методику оценки релаксационной стойкости ТП в технологический процесс их изготовления и использовать ее во время технологической операции заневоливания, а в случае необходимости и при обжатии.
Литература
1. Лясников А. В., Агеев Н. П., Кузнецов Д. П. и др.
Сопротивление материалов пластическому деформированию в приложениях к процессам обработки металлов давлением. СПб.: Внешторгиздат-Петербург, 1995. 527 с.
2. ГОСТ 3057—90. Пружины тарельчатые. Общие технические условия. М.: ИНПК Издательство стандартов, 1990. 36 с.
3. Гармата В. А., Петрунько А. Н., Галицкий Н. В. и др. Титан. М.: Металлургия, 1983. 559 с.
4. Белогур В. П., Трещевский А. Н., Конев С. Ю. Опыт применения титановых пружин при повышенных температурах // Бизнес-Гид. 2007. № 1. С. 1-2.
5. Бунина Н. А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л., 1990. 156 с.
