научная статья по теме ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ»

УДК 669.1(075.8)

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ АКУСТИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

© Ремшев Евгений Юрьевич, канд. техн. наук, e-mail: Remshev@mail.ru; Данилин Геннадий Александрович, д-р техн. наук, e-mail: saprE4@yandex.ru;

Воробьева Галина Анатольевна, канд. техн. наук, e-mail: elvina8@yandex.ru;

Силаев Михаил Юрьевич, e-mail: Silaev1960@mail.ru Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Россия, г. Санкт-Петербург

Статья поступила 18.02.2014 г.

На машиностроительных предприятиях большое внимание уделяют оценке качества материала и прогнозированию эксплуатационных характеристик готовых изделий. В настоящее время, как правило, осуществляется выборочный контроль качества материала достаточно трудоемким методом визуального осмотра, не всегда гарантирующим надежный результат. Возможность прогнозирования качества готового изделия во времени (эксплуатационные свойства) также важна. Применяемые в настоящее время способы прогнозирования эксплуатационных характеристик машиностроительных изделий в большинстве своем разрушающие, основаны на результатах оценки выборочной партии изделий и связаны со значительными трудовыми и энергетическими затратами.

На стадии входного контроля предлагается внедрить методику, основанную на регистрации сигналов акустической эмиссии, которая позволит без больших затрат времени дать оценку качества поступившего исходного материала, его соответствия требованиям, указанным в сертификате, подтверждающую отсутствие недопустимых дефектов.

Ключевые слова: аэротермоакустическая обработка; акустическая эмиссия; рессорно-пружинная сталь; входной контроль; технологический процесс.

В современных условиях развития космической и военно-технической отраслей в Российской Федерации актуально создание новых видов техники, совершенствование существующих узлов и деталей. Повышение их эффективности и стабильности тактико-технических характеристик предопределяет создание новых алгоритмов, программных комплексов, механических и электромеханических систем, а также систем управления при изготовлении узлов и деталей. Практически каждый элемент космической, механической, электронной систем снабжен упругим элементом для аккумулирования энергии, гашения колебаний, передачи нагрузки сжатия или растяжения другим элементам узлов и деталей машин, амортизации при транспортировке и др. Повышенные требования по точности работы упругих элементов в новых изделиях усиливают требования к технологии изготовления и методикам контроля эксплуатационных свойств деталей.

Обеспечение эксплуатационной надежности упругих элементов из рессорно-пружинных сталей возможно: при наличии на предприятии-изготовителе упругих элементов должного оперативного

входного контроля материала на соответствие сертификату без применения широкого спектра специализированного лабораторного оборудования; при разработке неразрушаю-щих способов прогнозирования основных эксплуатационных свойств пружин на длительный период эксплуатации (25-30 лет) с возможностью контроля каждой пружины изготовленной партии, контроля режимов термической и термомеханической обработки без применения технологии изготовления образцов-свидетелей для достоверного качественного определения микроструктуры каждого изделия, а также при разработке способов комбинированного операционного воздействия на исходный материал или готовую пружину с целью изменения микроструктуры (аэротермоакустическая обработка).

Входной контроль материала необходим для выявления недопустимых неоднородно-стей, пустот и трещин на поверхности и внутри проката в соответствии с сертификатом химического состава, механических свойств и микроструктуры. Определение параметров качества исходного материала осуществляется на предприятии-изготовителе проката по существующим методикам (испытание на растяжение, изготовление и исследование микрошлифов, химический анализ). Обнаружение трещин осуществляется методом ультразвуковой дефектоскопии, но ввиду особенностей УЗ-ме-тода невозможно контролировать качество тонких лент и проволоки размерами меньше 3-4 мм. В связи с этим актуальны решение задачи комплексного входного контроля материа-

ла и разработка неразрушающего способа оценки качества тонких листов, лент и проволоки.

В настоящее время разработана и защищена патентом методика прогнозирования релаксационной стойкости тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ23 методом акустической эмиссии [1], разработана методика оценки качества спиральных пружин из сплава ВТ23, продолжаются исследования по разработке методик для пружин других типов конструкций из различных материалов (рессорно-пружинная сталь 65Г, 60С2А, 65С2ВА и др.). Интерес для производства представляет установление закономерностей между параметрами акустической эмиссии и микроструктурой исходного материала и готовых изделий (пружин из рессорно-пружинных сталей 65Г, 60С2А и 65С2ВА).

Исследование повышения качества исходного материала для производства упругих элементов методом аэротермоакустической обработки (АТАО). Задача фазового изменения микроструктуры исходного материала и готовых пружин наиболее актуальна, но в литературе практически отсутствуют результаты исследований различных способов воздействия на этот материал (магнитный, УЗ и др.) для получения заданных физико-механических характеристик. В БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова проф. В.Н.Усковым и проф. Г.А.Воробьевой проводятся исследования применения комбинированного способа АТАО на деформированные сплавы [2, 3]. Специальное технологическое оборудование для АТАО включает газоструйный генератор звука (ГГЗ), в резонаторе которого происходит охлаждение деталей (рис. 1). Пружину подвергают нагреву и выдержке при температуре отпуска, а последующее охлаждение до температуры -10 °С проводят при одновременном воздействии потока газа и акустического поля звукового диапазона частот с уровнем звукового давления в пределах 140-160 дБ.

При стандартной термической обработке (СТО - закалка от 830 °С, охлаждение в масло, отпуск при 470 °С, 60 мин, охлаждение на воздухе) стали 65Г, используемой для изготовления пружин, рессор и других изделий, не обеспечивался требуемый уровень механических свойств, к тому же зачастую наблюдался их значительный

Рис. 1. Схема газоструйного генератора звука (ГГЗ):

1 - заготовка; 2 - резонатор; 3 - клин; 4 - ресивер; 5 - штуцер; 6 - сопловый блок

разброс. С целью устранения разброса свойств и повышения их значений изучали возможность использования в качестве дополнительной обработки двух режимов АТАО, отличающихся температурой предварительного нагрева: для АТАО1 - 350 °С и для АТАО2 - 280 °С. Время отпуска для всех образцов 60 мин.

Из приведенных результатов (табл. 1) видно, что АТАО, используемая в качестве дополнительной обработки после СТО, обеспечивает повышение а02 без снижения пластичности, что определяет возможность надежной работы упругих элементов и деталей машин. Для выяснения характера влияния АТАО на механизм формирования структуры исследовали микроструктуру стали после СТО и АТАО в процессе охлаждения при отпуске после закалки (рис. 2). Применение АТАО при отпуске обеспечивает получение более дисперсной структуры и равномерное распределение фаз, что и определяет повышение прочности при сохранении пластичности и вязкости.

Исследование готовых изделий (тарельчатых пружин из стали 60С2А - образцы ТП-1, ТП-2, ТП-3) методом акустической эмиссии. Пружины термически обрабатывали по режиму: закалка (нагрев до 860 °С, охлаждение в масло) + отпуск при 420 °С, 60 мин. В процессе изготовле-

Таблица 1. Механические свойства стали 65Г после стандартной термической обработки и дополнительной АТАО

Режимы обработки после закалки от 830 °С Твердость, ИЯС ст, МПа СТ^ МПа 8, % %

отпуск, °С дополнительная обработка

340-360* - 44-49 1490 1220 5 10

470-510* - 31-35 981 785 8 30

- / АТАО1 44 / 50 1365 / 1660 1280 / 1590 7 / 8 30 / 30

470 - / АТАО1 45 / 51 1410 / 1660 1320 / 1590 7 / 8 30 / 30

- / АТАО2 29 / 38 910 / 1160 790 / 1030 7 / 8 30 / 30

Термообработка в производственных условиях.

6

3

1

-. - ■. Г*

ЙИИЙ8

щшжШШШ

......."' №

V'

Таблица 3. Результаты циклических испытаний и величина релаксации

Образец Р , кН начал Р , кН конеч Релаксация Я, %

ТП № 1 47,43 45,08 4,95

ТП № 3 46,67 47,06 0,84

ТП № 8 45,18 44,57 1,35

Рис. 2. Микроструктура стали после стандартной термической обработки (СТО) и аэротермоакустической обработки (АТАО):

а - г - закалка, отпуск при 510 °С, 1,5 ч (а, б - х600; в, г -х1000); д - АТАО в процессе отпуска при 470 °С, 1 ч после закалки, х600

Таблица 2. Регистрация сигналов акустической эмиссии (АЭ)

Образец Сила сжатия Б, кН Число импульсов АЭ Ж. при .-том обжатии Общее число импульсов АЭ Жобщ,2

Ж2

ТП № 1 10 347 183 227 17

ТП № 3 10 11 034 2541 955 1

ТП № 8 10 2274 971 438 3

ния пружины подвергали трехкратному обжатию и заневоливанию с регистрацией сигналов акустической эмиссии (табл. 2) [4, 5].

После кратковременного обжатия и занево-ливания пружин с регистрацией сигналов АЭ проведены их циклические испытания в интервале рабочих нагрузок с последующей оценкой релаксации (табл. 3) и исследована микроструктура (рис. 3).

Микроструктура исследованных образцов тарельчатых пружин № 1, 3 и 8 представляет собой троостит отпуска (см. рис. 3), что для стали 60С2А соответствует состоянию после закалки и отпуска. На поверхности всех образцов имеется неоднородное по глубине обезуглероживание, причем местами до чистого феррита. Глубина обезуглероживания достигает 0,05 мм - до чисто-

го феррита и до 0,1 мм - частичное обезуглероживание. В микроструктуре образца № 1 прослеживается явная неоднородность структуры по отношению к остальным исследованным образцам, вероятно, связанная с концентрационной неоднородностью распределения легирующего элемента. Фазовый состав образцов № 3 и № 8 больше соответствует классической микроструктуре троостита отпуска, что косвенно подтверждается меньшим уровнем сигналов АЭ при заневоливании и меньшей релаксацией при циклических нагрузках.

Выводы. По р

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком