автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Прогнозирование релаксационной стойкости тарельчатых пружин методом акустической эмиссии

На правах рукописи

005057753

Ремшев Евгений Юрьевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 АПР-2013

Санкт-Петербург-2013 г.

005057753

Работа выполнена на кафедре «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» ФГБОУ ВПО «Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Титов Андрей Валерьевич Официальные оппоненты: Скотникова Маргарита Александровна

доктор технических наук, профессор, научный руководитель лаборатории «Физико-технологических исследований и электронной микроскопии» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»; Мотовилина Галина Дмитриевна кандидат технических наук, доцент, ведущий специалист 3-го отделения ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург.

Ведущая организация: ООО «Фирма «Спринг- центр», г.Санкт-Петербург Защита состоится "16" апреля 2013 г. в 16 часов,

на заседании диссертационного совета Д 212.229.19 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан - «_»_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н. профессор Востров Владимир Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы . В машиностроении широко используются упругие элементы, работающие при статической, динамической и циклической нагрузках. К упругим элементам предъявляется требование по обеспечению заданных эксплуатационных свойств в установленных пределах в течение длительного времени. Наиболее широкое распространение в механизмах находят пружины растяжения, сжатия, кручения с различным профилем сечения проволоки. Применяются также тарельчатые, фасонные, многожильные и составные пружины. Основными эксплуатационными свойствами пружин являются прочность, релаксационная стойкость и высокие упругие характеристики. Существующая методика оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин заключается в построении релаксационной кривой по результатам измерений силы до и после циклических нагрузок. Недостатками такой методики является: оценка релаксационной стойкости выборочной партии пружин, значительная трудоемкость и энергозатраты, связанные с осуществлением контроля. Для оценки важнейших показателей надежности и долговечности, а также релаксационной стойкости на длительный период эксплуатации до 25 - 30 лет интерес представляют неразрушающие методы контроля, в том числе метод акустической эмиссии.

Объектом исследования являются упругие элементы (тарельчатые пружины), изготовленные из стали 60С2А и титанового сплава ВТ23.

Цель работы заключается в разработке научно обоснованной методики контроля качества и прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин с использованием метода акустической эмиссии.

Задачи работы:

¡.Анализ применения метода акустической эмиссии для выявления наружных и внутренних дефектов в металлических деталях и прогнозирования релаксационных свойств упругих элементов механизмов при статическом, динамическом и циклическом нагружении в процессе длительного срока эксплуатации.

2. Экспериментальное исследование и установление закономерностей изменения уровня сигналов акустической эмиссии в зависимости от наличия и развития дефектов, релаксационной стойкости и микроструктуры тарельчатых пружин из стали 60С2А и титанового сплава ВТ23 на этапе их изготовления и предэксплуатационных испытаний.

3.Построение математических моделей прогнозирования для количественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин при циклическом нагружении в зависимости от уровня сигналов акустической эмиссии при заневоливании.

4.Разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследования и построение научно обоснованной методики прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин из сталей и титановых сплавов на базе установленных закономерностей.

5.Внедрение методики в технологический процесс изготовления отдельным контрольным блоком предъэксплуатационной подготовки пружин. Методы исследования: решение поставленных задач работы осуществлялось методами научного анализа, теоретических и экспериментальных исследований, обобщения полученных результатов постановкой многофакторного планируемого эксперимента.

Научная новизна. В диссертационной работе установлены зависимости между уровнями сигналов акустической эмиссии при статическом нагружении и релаксацией тарельчатых пружин, под действием циклических нагрузок. Показана возможность применения метода акустической эмиссии

дня качественной оценки микроструктуры тарельчатых пружин изготовленных из рессорно-пружинной стали и титанового сплава ВТ23. Разработаны математические модели прогнозирования релаксации в зависимости от уровня сигналов акустической эмиссии и временем эксплуатации.

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследования и методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин из стали 60С2А и титанового сплава ВТ23 на основе уровня сигналов АЭ. Внедрение в производство позволяет повысить качество изготавливаемой продукции, исключить необходимость применения циклических испытаний выборочной партии пружин, снизить себестоимость их изготовления. Разработанная методика успешно применяется на предприятии ОАО «НПП Пружинный центр» г. Санкт-Петербург. Результаты работы используются в учебном процессе БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова при обучение студентов по направлению «Машиностроение».

Защищаемые положения.

1.Результаты экспериментального исследования влияния различных режимов нагружения тарельчатых пружин на характер изменения и величину сигналов акустической эмиссии.

2.Результаты оценки качества микроструктуры сплава ВТ23 после цикла термической обработки методом АЭ.

3.Математические модели прогнозирования релаксации тарельчатых пружин из стали 60С2А и сплава ВТ23 при циклическом нагружении в зависимости от уровня сигналов акустической эмиссии на этапе заневоливания.

4.Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин методом акустической эмиссии, исключающая циклические испытания изделий.

з

Личный вклад автора: Экспериментальные исследования выполнялись на кафедре Е4 «Высокоэнергетические системы автоматических устройств» автором с участием научного руководителя. Лично осуществлял внедрение и сопровождение разработанной методики прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на предприятии ОАО «НПП Пружинный центр» г. Санкт-Петербург, участвовал в оформление заявки на изобретение.

Апробация работы: Исследования проводились в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы. Результаты работы обсуждались на международных и общероссийских научно-практических конференциях. Значительная часть исследования проводилась совместно с ОАО «НПП Пружинный центр», получен патент на изобретение, правообладателем которого является предприятие. В номинации «лучший инновационный проект» на всероссийском конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям инновационного развития крупнейших отечественных компаний, работающих в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (2012 г.) получен приз 1 степени, в основу проекта вошли результаты диссертационной работы.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в изданиях перечня ВАК - 3, в трудах научно-технических конференций - 5.

Структура и объем диссертации. Содержание диссертации изложено на 125 страницах текста, текст содержит 37 таблиц и 50 рисунков. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Список цитируемой литературы включает 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение содержит область применения упругих элементов, актуальность темы, описание проблемной ситуации, возникшей в исследуемой области. Сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава «Постановка задачи исследования» :

Упругие элементы и пружины различного назначения широко применяются в различных механизмах как амортизаторы, накопители энергии и приводы, которые работают при сложных циклических нагрузках при динамическом и условно статическом нагружении. Пружины подразделяют на винтовые, спиральные, тарельчатые (Рис.1) и другие.

а) 6)

- наружный диаметр пружины, £>, - внутренний диаметр пру жины. * - толщина стенки пружины, I' - толщина ¡гружины с опорной плоскостью, -максимальная деформация, /0 - высота пружины, а - угол между поверхностью «Ли и осью симметрии детали, Р - угол между! поверхностью кБ.» и осью симметрии детат а - эскиз ТП, 6 - фотоснимок ТП

Рисунок 1 — Тарельчатая пружина (объект исследования)

К пружинам ответственных механизмов предъявляются жесткие требования по реализации заданных упругих характеристик, обеспечению прочности, ограничению релаксации в течение длительного срока работы. Эксплуатационные характеристики пружин формируются в процессе технологии их изготовления, которая включает в себя различные виды механической обработки, комплекса термических и контрольных операций. Упругие свойства, циклическая стойкость, релаксационная стабильность

обеспечивается комплексом термических операций (отжиг, закалка, отпуск, старение), промежуточного и окончательного многократного нагружения с разгрузкой и последующим заневоливанием, т.е. выдержкой при максимальной деформации в течение 72 часов. В настоящее время для изготовления ответственных узлов механизмов и машин применяют титановые сплавы, которые легче по сравнению со сталью, обладают высокими прочностными и упругими свойствами, коррозионной стойкостью, что позволяет существенно повысить характеристики работоспособности элементов машин, в том числе и пружин. Наиболее сложным при изготовлении пружин из титановых сплавов является обоснованный выбор режимов термической обработки для формирования оптимальной структуры материала, обеспечивающую высокие прочностные и упругие свойства и минимальную склонность к релаксации. В технологических процессах изготовления ТП применяют традиционные методы контроля качества изделий, однако до последнего времени не применяются неразрушающие методы, с помощью которых возможна не только оценка параметров изготовленных пружин, но и прогнозирование их работоспособности в течение длительного срока эксплуатации. Наиболее перспективным неразрушающим методом контроля качества ТП является метод АЭ, который способен выявлять различные дефекты в изделиях, находящихся под нагрузкой и прогнозировать стабильность (или нестабильность) показателей работоспособности, в том числе и склонность к релаксации (Рис.2). В производстве пружин метод АЭ не применяется для контроля качества готовой продукции в связи с отсутствием обоснованных методик качественной и количественной оценки показателей работоспособности подобных изделий.

а) б)

1- объект контроля, 2- дефект, 3- акустические волны, 4 - датчик регистрации сигналов

акустической эмиссии, 5 - прибор регистрации сигналов акустической эмиссии, а-установка датчика на поверхность изделия, Р - сила, действующая на объект контроля; б- фотоснимок акустико-эмиссионной системы «Ранис-11»

Рисунок 2 - Схема регистрации сигналов акустической эмиссии

Вторая глава «Установление закономерностей изменения сигналов акустической эмиссии в зависимости от наличия и развития дефектов, релаксационной стойкости и микроструктуры тарельчатых пружин» :

Проведено экспериментальное исследование для установления закономерностей между акустической эмиссией, релаксационной стойкостью и микроструктурой ТП (Табл.1). Последовательность испытаний: кратковременное обжатие, выдержка при постоянной силе с регистрацией сигналов АЭ, циклические испытания и оценка релаксации, исследование микроструктуры. По результатам кратковременного обжатия с регистрацией сигналов АЭ строились графические зависимости суммарной АЭ от времени обжатия (Рис.3). Введены коэффициенты оценки качества пружин на кратковременном обжатии. Локально-динамический критерий пружины Кп указывает на завершенность технологических операций изготовления ТП для каждой исследованной группы установлены интервалы значений.

Коэффициент затухания К21 не превышает определенного уровня для

каждой группы, мера оценки микроструктуры сплава.

Таблица 1 - Группы экспериментальных образцов ТП

№ п. п. № Группы Матери ал Временное сопротивление а,, МП а Режимы термообработки

1 ТП1 60С2А 1570 Закалка при Г = 860°С, охлаждение в масле, отпуск при г = 420°С

2 ТП2 ВТ23 1560 Закалка при Г = 850°С 60 мин. охлаждении в воде, старение при Г = 450°С 10 часов.

3 ТПЗ ВТ23 1325 Закалка при Г = 850°С 60 мин. охлаждении в воде, старение при (= 550°С 10 часов.

4 ТП4 ВТ23 1100 Закалка при Г = 800°С 60 мин. охлаждении в воде, старение при / = 550°С 10 часов.

5 ТП 5 ВТ23 1560 (ДЕФЕКТЫ) Закалка при ? = 850°С 60 мин. охлаждении в воде, старение при ? =450°С 10 часов. Нанесение умышленных дефектов.

7 2 3

1 2 3

М

\\ Ф \

У \

Лг

а-ТПЗ-2, б-ТПЗ-4, в-ТПЗ-5 1-первое обжатие, 2 - второе обжатие, 3 - третье обжатие Рисунок 3 - Зависимости суммарной АЭ(Ы) от времени (г) в процессе обжатия пружин (группа 3)

Коэффициент стабилизации, как правило, Кп< 1, что вероятно свидетельствует о сформированное™ благоприятной микроструктуры и отсутствии предрасположенности к развитию дефектов. В случае, когда Къг

> 1 с большой долей вероятности можно говорить о наличие предрасположенности к развитию дефекта в материале пружины или его наличие. Выявлены закономерности уровней сигналов АЭ от микроструктуры образцов ТП (Рис.4). Наиболее оптимальной для ТП с минимальной склонностью к релаксации и низким уровнем сигналов АЭ является микроструктура с дисперсной, умеренной коагулированной вторичной а и р фазой, а наличие первичной а -фазы в сплаве должно быть минимальным и равнонаправленным.

б)

а - ТП 3-8: ^„=26 имп., Я =1,28%; б- ТП 3-5: ^о5„( 72=153 имп., К =2,29%.

Рисунок 4 - Микроструктура ТП группы 3:1 - первичная а - фаза; 2 - вторичная а -фаза; 3 - р -фаза; а,, а2 - ширина пластинок первичной а-фазы; 6,, Ь2 -длина пластинок первичной а-фазы; с12 - усредненный диаметр глобулей вторичной а-фазы ;1и1г - характеристика размера /З-фазы

Выявлены закономерности изменения уровня сигналов АЭ в зависимости от наличия и развития дефектов и релаксационной стойкости ТП. При заневоливании ТП общее число сигналов АЭ в процессе их длительного нагружения, не должно превышать некоторого порогового значения (Л^), которое зависит от материала пружины. Полученная закономерность сформулирована в виде условия <М,ор., являющейся мерой оценки релаксационной стойкости, где - общее количество

импульсов АЭ в процессе выдержки ТП в течение 72 часов, - пороговое значение сигналов АЭ.

Третья глава «Построение математических моделей прогнозирования релаксационной стойкости ТП»

Для построения моделей использовалась методика планируемого многофакторного эксперимента. Теория планирования эксперимента предполагает использование математических моделей пригодных для любых экспериментов, т.е. для любых откликов и факторов. Функцией отклика, характеризующей релаксационные свойства ТП является величина релаксации силы сжатая ТП (Л) при деформации ^ =

к = (1 _ . юо% ^

^начал.

где ?„„„ - значение силы сжатия ТП при деформации ^ = 0,2 • , после операции «заневоливание» технологического процесса изготовления ТП;

р^- значение силы сжатия ТП при деформации * = 0,2-53, после 9000 циклов в интервале нагрузок ЮОкН - 160кН. Факторы математической модели: И^ 72 - общее количество импульсов АЭ, зарегистрированных на этапе заневоливания; Т - время эксплуатации ТП (эквивалентом которого является количество циклов в интервале нагрузок ЮОкН - 160кН).

Активный планируемый многофакторный эксперимент предполагал проведение исследование ТП двух групп из рессорно-пружинной стали и титанового сплава ВТ23. Для прогнозирования релаксационной стойкости ТП из рессорно-пружинной стали и титанового сплава ВТ23 построены 2 двухфакторные математические модели. В качестве математической модели (уравнения регрессии) зависимости отклика от исследуемых факторов (Табл.2) принят полином (2).

у = Ь„ + 6,х, +... + Ь„х„ + +... + Ь2пх] + +... + ЬхпЛхп _

Таблица 2 - Исследуемые факторы и уровни

Наименование факторов и отклика Общее количество импульсов акустической эмиссии в процессе выдержки тарельчатой пружины в течение 72 часов N, имп. Время эксплуатации ТП, Т, лет

Обозначение фактора ^общ!2 Т

Кодирование фактора *2

Диапазон изменения Для ТП из стали 60С2А 2..17 Для ТП из сплава ВТ23 25..153 0..30

Значение среднего уровня фактора 9 89 15

Количество уровней варьирования 3 3

Уравнение регрессии для прогнозирования релаксационной стойкости ТП из рессорно-пружинной стали 60С2А имеет вид:

Л=2,22-1СГ2+1)42-10-2-ЛГ^+УФКТ2-Г+1,43-1(Г2-Л^•Г-2,6-1(Г:>-^2+6-1(Г'Т2. (3)

Уравнение регрессии для прогнозирования релаксационной стойкости ТП из титанового сплава ВТ23 имеет вид:

Д=1,4-1(Г5 +9,7-КГ5 Т+6,4-1(Г5 .^-Г-83-КГ5 ■М^+^-Ш' -Г2 .(4)

Проведена оценка значимости математических моделей прогнозирования, а также сопоставлены расчетные и . экспериментальные значения релаксационной стойкости. Полученные результаты говорят о высокой степени точности уравнений регрессии, что позволит использовать их при оценке релаксационной стойкости пружин на производстве упругих элементов.

Четвертая глава «Разработка практических рекомендаций по возможности использования результатов научной работы в реальном секторе экономики»

Выработаны практические рекомендации, которые позволят оценивать качество и прогнозировать релаксационную стойкость ТП в процессе производства. Разработана методика оценки качества, и прогнозирования релаксационной стойкости ТП из рессорно-пружинной стали 60С2А и титанового сплава ВТ23. Разработанная методика встраивается в технологический процесс изготовления тарельчатых пружин; проверке подвергается каждая ТП изготовленной партии; требует меньше временных, энергетических и материальных затрат; исключает проведение циклических испытаний выборочных партий пружин для определения склонности к релаксации; позволяет количественно оценить значение релаксационной стойкости ТП на установленный период эксплуатации; контролировать режимы (обеспечивающие оптимальную микроструктуру титанового сплава ВТ23 ТП) термической обработки. Представлена последовательность проведения методики и результаты внедрения разработанной методики в производство пружин ОАО «НПП Пружинный центр» г.Санкт-Петербург, с применением акустико-эмиссионной системы «Ранис» ООО «Фортехлэб» г.Троицк МО. Разработана инструкция по эксплуатации стенда для осуществления контроля ТП в производстве упругих элементов.

Основные выводы (достижения)

1.Проведен анализ применения метода акустической эмиссии для выявления наружных и внутренних дефектов в металлических деталях и прогнозирования релаксационных свойств упругих элементов механизмов при статическом, динамическом и циклическом нагружении в процессе длительного срока эксплуатации. Обоснована актуальность применения метода акустической эмиссии для оценки качества и прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин.

2. На основании результатов экспериментального исследования установлены закономерности изменения уровня сигналов акустической эмиссии в зависимости от наличия и развития дефектов, релаксационной стойкости и микроструктуры тарельчатых пружин на этапе их изготовления и предэксплуатационных испытаний, установлены критерии оценки микроструктуры титанового сплава ВТ23 на основе уровня сигналов акустической эмиссии.

3. Построены двухфакторные математические модели прогнозирования для количественной оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин (из стали 60С2А и титанового сплава ВТ23) в зависимости от уровня сигналов акустической эмиссии.

4.Разработаны рекомендации по практическому использованию результатов исследования и построена научно обоснованная методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин из сталей и титановых сплавов на базе установленных закономерностей изменения сигналов акустической эмиссии.

5. Получен патент на изобретение №2011132601/28(048037) «Способ прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин». Разработанная методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин внедрена в технологический процесс изготовления в

виде отдельного контрольного блока предъэксплуатационной подготовки изделия на предприятии ОАО «НПП Пружинный центр» г.Санкт-Петербург. В Приложении представлено:

1. Решение о выдаче патента на изобретение №2011132601/28(048037) «Способ прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин».

2.Инструкция по эксплуатации стенда для контроля качества тарельчатых пружин.

Основные публикации по теме диссертационной работы

Публикации из перечня рецензируемых журналов BÄK

1. Б.Ю. Ремшев. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе излучения сигналов акустической эмиссии / Г.А. Данилин, A.B. Титов, // Металлообработка. СПб. - 2011. -№ 2. - С.17-21.

2. Е.Ю.Ремшев. Оценка релаксационной стойкости тарельчатых пружин на основе метода акустической эмиссии / Г.А. Данилин, А.В.Титов и др. // Деформация и разрушение материалов. М.-2012.-№ 3. - С.41-44.

3. Е.Ю.Ремшев. Применение метода акустической эмиссии для контроля качества тарельчатых пружин из сплава ВТ23 // Металлообработка. СПб. - 2012. - № 4.-С.27-33.

Прочие публикации в научных периодических изданиях и в трудах научных

конференций

4. Е.Ю. Ремшев. Перспективы применения метода акустической эмиссии в процессах обработки металлов давлением / A.B. Титов, , H.A. Павлов // Труды международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию кафедры Е4 «Высокоэнергетические устройства автоматических систем» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова «Прогрессивные методы и

технологическое оснащение процессов обработки металлов давлением», СП6.БГТУ, 2009.-С.137-141.

5. Е.Ю. Ремшев. Исследование возможностей применения метода акустической эмиссии для контроля качества нагруженных деталей, изготовленных методами штамповки / Г.А. Данилин, A.B. Титов // Труды II Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодеж.Техника.Космос», СПб.БГТУ,2010.-С. 163-167.

6. Е.Ю. Ремшев. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, изготовленных способами штамповки, на основе уровня сигналов акустической эмиссии/ Г.А. Данилин, A.B. Титов// Труды III Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодеж.Техника.Космос», СПб.БГТУ,2011.-С.126-128.

7. Е.Ю. Ремшев. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, изготовленных способами штамповки, на основе распределения сигналов акустической эмиссии / Г.А. Данилин, A.B. Титов // Труды Общероссийской научно-технической конференции «Специальные технологии и материалы», СПб. БГТУ,2011.-С.122-132.

8. Е.Ю. Ремшев. Методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин, на основе уровня сигналов акустической эмиссии / Данилин, Белогур В.П. и др.// Труды IV Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и Наноматериалов», М.ИМЕТ РАН,2011,- С.770-772.

Подписано в печать 11.02.2013.Формат 60x84/1 б.Бумага документная. Печать трафаретная. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 13.

Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005.С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1

БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВОЕНМЕХ» ИМ.Д.Ф. УСТИНОВА

Ремшев Евгений Юрьевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 05.16.09 - материаловедение (машиностроение)

(О

■чг

ю „ ю £ со а

О Я СМ <2

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доцент,

кандидат технических наук Титов Андрей Валерьевич

Санкт-Петербург - 2013

Содержание

Определения, обозна чения и сокращения.....................................................4

Введение......................................................................................................7

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................10

1.1. Назначение и особенности конструкции тарельчатых пружин...............10

1.2. Анализ технологических процессов изготовления тарельчатых пружин. 19

1.2.1. Особенности технологических процессов изготовления тар ель ча тых пружин из рессорно-пружинныхсталей.......................................................19

1.2.2. Особенности технологических процессов изготовления тар ель ча тых пружин из титанового сплава ВТ23 ......................................................25

1.3. Показатели качества тарельчатых пружин...............................................4

1.4. Анализ методов контроля качества упругих элементов..........................37

1.5. Анализ неразрушающих методов контроля качества изделий.................39

1.6. Анализ исследований качества тарельчатых пружин и машиностроительных изделий с использованием метода акустичесЗкой эмиссии......•...............................................................................................45

1.6.1.Анализ исследований качества тарельчатых пружин............................45

1.6.2.анализ исследований качества машиностроительных изделий с использованием метода акустической эмиссии..........................................49

2. УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЛИЧИЯ И РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ, РЕЛАКСАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ И МИКРОСТРУКТУРЫ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН .................................56

2.1. Методика экспериментального исследования.......................................56

2.2.Результаты экспериментального исследования.....................................61

2.2.1. Кратковременное обжатие тарельчатых пружин с регистрацией сигналов акустической эмиссии................................................................67

2.2.2. Регистрация сигналов акустической эмиссии при нагружении и выдержки тарельчатых пружин в течение 72 часов.......................................78

2.2. З.Результа ты оценки релаксационной стойкости тар ель ча тых пружин ...81 2.2.4.Результаты исследования микроструктуры образцов тарельчатых пружин......................................................................................................83

3. ПОСТРОЕНИЕ мл ТЕМА ТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕЛАКСАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ТАРЕЛЬЧАТЫХ ПРУЖИН..............91

4. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНОЙ РАБОТЫ В РЕАЛЬНОМ СЕКТОРЕ ЭКОНОМИКИ.............................................106

4.1. Методика оценки качества и релаксационной стойкости тарельчатых

пружин на основе анализа (регистрации) сигналов акустической

эмиссии...................................................................................................106

4.2. Последовательность применения методики оценки качества и прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин методом акустической эмиссии.............................................................................110

4.3. Внедрение результатов научно-исследовательской работы..................112

Список использованных исто чников................................................117

Приложение А...............................................................................126

Приложение Б................................................................................129

Определения, обозначения и сокращения Упругий элемент - гибкая деталь, основным рабочим свойством которой является способность существенно деформироваться под нагрузкой. Пружина - упругий элемент, предназначенный для накапливания и поглощения механической энергии.

Тарельчатая пружина - вогнутое упругое коническое кольцо, испытывающее деформацию прогиба под действием осевых нагрузок.

Релаксация - процесс изменения напряжений в теле во времени при постоянной деформации.

Ползучесть - процесс изменения деформаций тела во времени при постоянном напряжении.

Заневоливание - выдержка тарельчатой пружины при постоянной силе в течение длительного времени.

Гибка - образование или изменение углов между частями заготовки или придание ей криволинейной формы.

Акустическая эмиссия - излучение материалом механических волн, вызванное локальной внутренней динамической перестройкой его структуры. Акустико-эмиссионный метод - метод контроля состояния материала и определения местоположения дефектов, основанный на регистрации и анализе параметров сигналов акустической эмиссии.

Суммарная акустическая эмиссия - число зарегистрированных превышений сигналами акустической эмиссии установленного уровня дискриминации (ограничения) за исследуемый интервал времени.

Дискретная акустическая эмиссия - последовательность зарегистрированных импульсов акустической эмиссии, для которой интервал времени между импульсами больше или равен времени их затухания.

Непрерывная акустическая эмиссия - последовательность зарегистрированных импульсов акустической эмиссии, для которой интервал времени между импульсами меньше времени их затухания.

Е - модуль упругости материала (модуль Юнга) ;

¡л - модуль продольной упругости (коэффициент Пуассона) ;

р - плотность материала;

Г - температура в градусах по Цельсию;

сгя - временное сопротивление разрыву материалов;

сг0 2 - условный предел текучести материала;

С7, - интенсивность напряжений;

3 - относительное удлинение образца при растяжении;

у/ - относительное утонение образца при растяжении;

£>, - наружный диаметр тарельчатой пружины;

й2 - внутренний диаметр тарельчатой пружины;

толщина стенки тарельчатой пружины; г' - толщина тарельчатой пружины в опорной плоскости; /0 - высота тарельчатой пружины; Ьок - высота пакета тарельчатых пружин; я - радиус скругления кромок тарельчатой пружины; -максимальная деформация тарельчатой пружины;

максимальная деформация пакета тарельчатых пружин; Р - сила поджатия пружины при предварительной деформации; Рг - максимальная сила сжатия тарельчатой пружины при максимальной деформации;

Рк- максимальная сила сжатия пакета тарельчатых пружин при максимальной деформации пакета;

п - количество пружин в пакете при последовательной сборке; »! - количество пружин в пакете при параллельной сборке; К - коэффициент, учитывающий сухое трение при сборке пружин в пакете; N - суммарная акустическая эмиссия;

- число импульсов дискретной акустической эмиссии;

Е - активность акустической эмиссии; •

N - скорость счета акустической эмиссии; и - энергия акустической эмиссии; ис - энергия источника акустической эмиссии; 7=7? - коэффициент Фелисити; с - скорость звука; Т ? / - время;

С - количество циклов в интервале нагрузок 10-16 тонн. АЭ - акустическая эмиссия. ТП - тарельчатая пружина.

Введение

В машиностроении широко используются упругие элементы, работающие при статической, динамической и циклической нагрузке изготовленные с использованием процессов обработки металлов давлением. Процессы обработки давлением применяются либо на этапе заготовительного производства: прокатка, ковка, либо на этапе окончательного изготовления методами холодной и горячей штамповки[1-8]. Большую группу упругих элементов составляют пружины различной конструкции (рис. 1,2), которые применяют в качестве амортизаторов, буферных устройств, аккумуляторов энергии, элементов конструкций, обеспечивающих растяжение или сжатие других деталей [9-18] и т. д.

в)

а- пружины в штампе, б -упругая муфта, в- пакеты ТП Рисунок 1 -Пружины в изделиях

Наиболее широкое распространение в механизмах находят пружины растяжения, сжатия, и кручения с различным профилем сечения проволоки

(Рис.2). Применяются также фасонные (Рис.2 г), многожильные (Рис.2 д) и составные пружины (Рис.2 г). Рессоры обладают кроме амортизирующих свойств высокой способностью гасить колебания за счёт трения между пластинами.

а - винтовая растяжения, б- винтовая сжатия, в - винтовая кручения, г- фасонная, д -многожильная, е - составная, ж - тарельчатая, з- кольцевая, и - спиральная, к- стержневая,

л- листовые рессоры Рисунок 2 - Конструкции пружин

К пружинам предъявляется требование по обеспечению заданных эксплуатационных свойств в установленных пределах в течение определенного времени. Основными эксплуатационными свойствами пружин являются прочность[21-32], релаксационная стойкость и высокие упругие характеристики. Пружины должны воспринимать значительные силовые статические, циклические и динамические нагрузки без изменения упругих свойств и без пластической деформации. Не допускается наличия дефектов в материале пружин, так как это может привести к их разрушению в процессе эксплуатации. В

связи с высокими требованиями по долговечности, стабильности свойств и размеров, сохранению динамических характеристик и релаксационной стойкости в настоящее время особое внимание уделяют развитию и совершенствованию методик контроля пружин. Одним из основных показателей надежности и долговечности пружин является релаксационная стойкость[21-29].

Релаксационная стойкость - это неизменность нагрузки сжатия пружин в установленных пределах в течение заданного времени. Существующая методика оценки релаксационной стойкости тарельчатых пружин, заключается в построении релаксационной кривой по результатам измерений силы сжатия при предварительной деформации пружины (для тарельчатой пружины предварительная деформация составляет 20 % от максимальной), до и после циклических нагрузок. Количество циклов в интервале требуемых нагрузок назначается в соответствии с технической документацией на изделие или ГОСТ 3057. По результатам испытаний и изменению силы сжатия части пружин делается вывод о релаксационных свойствах всей партии. Недостатки существующей методики:

- оценка релаксационной стойкости выборочной партии пружин;

- испытанные изделия нельзя эксплуатировать в дальнейшем;

- значительная трудоемкость и энергозатраты.

При производстве пружин в настоящее время практически не применяют неразрушающие методы оценки важных показателей их надежности и долговечности, неизменности основных характеристик, а также релаксационной стойкости на длительный период эксплуатации до 25 - 30 лет. Поэтому целью работы является создание научно обоснованной методики контроля качества и прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин с использованием метода акустической эмиссии.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДА ЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Назначение и особенности конструкции тарельчатых пружин

ТП применяют в качестве упругих элементов в различных механизмах и узлах штампов, станков, автомобилей, подъемно-транспортном оборудовании, подвесках котлов на электростанциях, и т.д., где они исполняют роль амортизаторов, буферных устройств, аккумуляторов энергии. В отечественной и зарубежной промышленности выпускается широкая номенклатура ТП[13]. В зависимости от условий эксплуатации ТП изготавливают из различных материалов. ГОСТ 3057 «Пружины тарельчатые. Общие технические условия» содержит технические условия для пружин, изготовленных из рессорно-пружинной стали, и, работающих в интервале температур от <120°С.

В зависимости от вида нагрузки ТП подразделяют на два класса: 1 -пружины, испытывающие циклические нагрузки, 2 - пружины, испытывающие в процессе эксплуатации статические и циклические нагрузки до установленного ГОСТ числа циклов. ТП различают по таким признакам, как конструкция и габаритные размеры, точность (интервал отклонения сил и деформаций), температура эксплуатации, материал (Рис. 1.1). По конструктивному исполнению пружины подразделяют на типы, по точности изготовления - на группы. При изготовлении пружин штамповкой без механической обработки допускается утяжка металла в виде радиусной кромки Я (рис.1.2).Твердость стальных пружин должна соответствовать 46...52 ЬЖСэ по ГОСТ 8.064 или 420-512 НВ по ГОСТ 9012[13]. В соответствии с ГОСТ 3057 основным материалом для ТП служит сталь марки 60С2А[13], по согласованию с потребителем допускается изготовление пружин из сталей марок 60С2, 51ХВА, 60С2ХА, 60С2Н2А, 65С2ВА, 70С2ХА[9-19].

Торельчшш пруршна

Вид бослринтемой нагрузки

Цикпичискоя

Сттичестяи циклическая

Мштрт

Рессорно-пружинная

ашт

Бронзодт аітЙм

Шттбш сплоди

Точность изготЛления

_ Групті

ОятФтсштятт ¡щтаймчфтхе* 5%

Конструкция ¡форт и размеры!

Типі

Грунт 2

Шжята аташшт ттЗш'те*** Ш

Группа 3

йжщтт сю сгатт жнтиОт чзздап? * 78%

\ ВДрхнхтЛоВ

Тип 2

МдатшЛиі тЗцжФ^іфв Ощшшоастб

ГипЗ

......Г ПберштАое твцгШафШ

Типі ПвЫрасстЛ ві (Щютхкхг%&

і

Рисунок 1.1 —Классификация ТП

ГОСТ 14959 содержит рекомендации по использованию в производстве углеродистых и легированных сталей для изготовления упругих элементов. Физико-механические характеристики и химический состав углеродистых и легированных сталей, используемых при производстве упругих элементов (пружин), представлены в таблицах 1.1 и 1.2. Многократные знакопеременные нагрузки в процессе эксплуатации пружин предъявляют «высокие» требования к материалам для их изготовления.

Требуемые эксплуатационные свойства ТП достигаются режимами термической и термомеханической обработки. Особенностью пружинных материалов является повышенная упругость (<у0 2 = о,8 • <?в ). Обеспечение

требуемых механических характеристик достигается, наряду с закалкой и отпуском, химическим составом и легирующими элементами сталей. Так, например, содержание углерода у пружинных сталей повышено по сравнению с обычными углеродистыми сталями, но не превышают содержания в инструментальных (от 0,5% до 0,8% С).

а) б)

£>, - наружный диаметр пружины, 02 - внутренний диаметр пружины, I - толщина стенки пружины, (' - толщина пружины с опорной плоскостью, л'3 -максимальная деформация, /0 - высота пружины, а - угол между поверхностью «А»

и осью симметрии детали, (5 -угол между поверхностью «Б» и осью симметрии детали.

а - эскиз ТП, б - фотоснимок ТП Рисунок 1.2 - Конструктивные параметры тарельчатых пружин

Таблица 1.1 — Физико-механические характеристики сталей, используемых в производстве упругих элементов (ГОСТ 14959- 79)__

Марка стали Температура закалки, °С Температура отпуска, °С Предел текучести стт, МПа Временное сопротивление ств, МПа Относительное удлинение §5, % Относительное сужение ф, %

65 830 470 785 980 10 35

70 830 470 835 1030 9 30

75 820 470 885 1080 9 30

80 820 470 930 1080 8 30

60С2А 870 420 1375 1570 6 20

60С2ХА 870 470 1325 1470 6 25

65С2ВА 850 420 1665 1860 5 20

60С2Н2А 870 470 1325 1470 8 30

Марганец также используется для «связывания» находящейся в стали серы и устранения явления красноломкости. Содержание химических элементов обычно находится в пределах 0,30 — 0,70 % Мп, 0,17-0,37 % и порядка 0,03 % А1. В таких пределах они называются технологическими примесями и не являются легирующими элементами. Кремний, марганец и никель повышают твердость феррита (в состоянии после нормализации), а также увеличивают прокаливаемость материала, что ведет к повышению предела упругости.

Вольфрам и хром слабо влияют на твердость и прокаливаемость пружинных сталей.

Таблица 1.2- Массовая доля химических элементов в сталях, используемых в производстве упругих элементов (ГОСТ 14959-79)

Марка стали Углерод Кремний Марганец Хром Вольфрам Никель

Углеродистая 65 0,62-0,70 0,17-0,37 0,50-0,80 < 0,25 - -

70 0,67-0,75 0,17-0,37 0,50-0,80 < 0,25 - -

75 0,72-0,80 0,17-0,37 0,50-0,80 < 0,25 - -

80 0,77-0,85 0,17-0,37 0,50-0,80 < 0,25 - -

Легированная 60С2А 0,58-0,63 1,6-2,0 0,60-0,90 < 0,25 - -

60С2ХА 0,56-0,64 1,4-1,8 0,40-0,70 < 0,25 - -

65С2ВА 0,61-0,69 1,5-2,0 0,70-1,00 < 0,25 0,8-1,2 -

60С2Н2А 0,56-0,64 1,4-1,8 0,40-0,70 < 0,25 - 1,4-1,7

Рессорно-пружинная сталь не всегда удовлетворяет требованию заказчика по ограничению массы изделия и не обеспечивает требуемые эксплуатационные свойства ТП при работе в агрессивной среде, при длительном сроке эксплуатации, а также в условиях фрикционного (трение) и кавитационного (изменение давления в жидкости) воздействия. В связи с этим перспективным является использование для изготовления пружин титановых сплавов марок ВТ23,ВТ16,ТС6 [24,25,33-36]. Преимущество титановых сплавов в высокой коррозионной стойкости и низкой плотности (р = 4,5 г/смЗ), поэтому при замене стальных деталей титановыми можно получить снижение массы ТП и изделия в целом, обеспечить термическую стабильность и высокое сопротивление усталости[24,2535,36].

Диаграммы состояния железо-углерод и титан-алюминий представлены на рис. 1.3. Титан - серебристо-белый металл с малым удельным весом. Температура, плавления титана зависит от степени его чистоты и составляет 1668°С-1720°С. Сплавы на основе титана, имеют ряд особенностей: высокая прочность при различных температурах, коррозионная стойкость, низкая плотность. Титан имеет две полиморфные модификации: 1 - до 882°С существует а -титан с гексагональной плотноупакованной решеткой; 2 - от

882,5°С до температуры плавления существует р- титан, имеющий высокотемпературную модифик