УДК 620.179.16
СТАНДАРТНЫЕ ОБРАЗЦЫ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРУТКОВ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ
Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Т.Н. Лебедева
Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор СОП, предназначенных для поверки и настройки аппаратуры, реализующей технологию акустической дефектоскопии протяженных прутков малых диаметров из инструментальной стали Р6М5.
Для достижения единства и требуемой точности измерений средства неразрушающего контроля (НК) требуют соответствующего метрологического обеспечения. Метрологическое обеспечение осуществляется путем первичной и периодической поверки средств НК с использованием стандартных образцов (СО). Они используются для хранения и воспроизведения значений различных физических величин, используемых для проверки или настройки параметров дефектоскопа и преобразователей. Традиционно в у. з. дефектоскопии изделий металлургии, деталей машиностроения и сварных соединений объемными и поверхностными волнами используется комплект стандартных образцов ГСО-1, ГСО-2, ГСО-3 по ГОСТ 14782—86, а также различные виды стандартных образцов предприятий (СОП) [1].
Разработка СОП — достаточно сложная задача, поскольку они должны воспроизводить акустические свойства материала, конфигурацию, форму и шероховатость поверхности контролируемых изделий. В СОП для у. з. дефектоскопии выполняют искусственные отражатели, расположенные на различных глубинах и имитирующие естественные дефекты изделий. Наибольшее распространение в у. з. контроле получили СОП с искусственными плоскодонными отражателями, перпендикулярными у. з. лучу, и цилиндрическими отверстиями, образующая которых направлена перпендикулярно у. з. лучу. Известно, что при контроле объемными волнами линейные размеры отражателя должны быть не менее Х/2 (к — длина волны), в противном случае эхоимпульсы малы или отсутствуют вследствие дифракции.
При контроле волнами Лэмба наблюдается иная картина — дифракция с исчезновением эхосигналов наступает при линейных размерах отражателя, меньших ~ А./5 [2].
Среди продукции предприятий черной металлургии и машиностроения большой объем занимает стальной прутковый прокат, нашедший широкое применение в качестве заготовок при производстве насосных штанг, пружин, изготовлении режущего и измерительного инструмента, подшипников качения, игл топливной аппаратуры и др. Последний является протяженным объектом, длина которого до операции резания может быть весьма значительной.
В Ижевском государственном техническом университете разработана новая технология акустической дефектоскопии металлических протяженных объектов [3]. Метод основан на использовании нулевой симметричной моды волны Похгаммера 50 в области малых значений произве-дения¡(1 (/— рабочая частота; (1 — диаметр прутка), характеризуемой минимальной дисперсией скорости моды.
Поскольку технология внедряется на нескольких предприятиях различных отраслей, целью данной работы является разработка СОП, предназначенных для поверки и настройки аппаратуры, реализующей данную технологию, в частности для прутков малых диаметров из инструментальной стали Р6М5.
26
Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Т.Н. Лебедева
В качестве отражателя в разрабатываемом СОП используется сегментный паз протяженностью /, глубиной к и площадью сегмента 5Д (рис. 1). Отражение от такого дефекта описывается формулой Рэлея для коэффициента отражения плоских волн от плоского слоя [4], поскольку используемая в новой технологии стержневая волна 50 является плоской, то есть смещения и напряжения вдоль оси прутка однородны по всему сечению, перпендикулярному оси прутка. При замене в формуле Рэлея акустических импедансов сред рС на механические импедансы волновода рС5, формула для коэффициента отражения Я принимает следующий вид [5]:
Я =
(512 -522)8Ш(со //С,„)
4512522 + (5,2-522) 5т2(со//С,о)
(1)
где 5, — площадь поперечного сечения прутка диаметром £>; 52 = -5Д — площадь сечения искусственного дефекта; со —- циклическая частота волны; / — протяженность дефекта; С5 — скорость стержневой мо-
ды (СЛ.0 = 5210 м/с).
тН
Л—Л
о
-4*1 !
Рис. 1. СОП с искусственным дефектом — сегментным пазом.
На рис. 2 представлены построенные в соответствии с формулой (1) теоретические зависимости амплитуды эхоимпульса от искусственного дефекта (коэффициента отражения) для прутков диаметрами Б = 4—10 мм
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Глубина сегментного паза А, мм
Рис. 2. Зависимость коэффициента отражения И от глубины сегментного паза И для различных диаметров образцов £> = 4,08 мм (кривая I), О = 5,5 мм (кривая 2), О = 7,87 мм (кривая 3), О = 10,2 мм (кривая 4) при протяженности паза / = 20 мм и рабочей частоте/=40 кГц; средний уровень шума 0Ш = 0,05 % (прямая 5).
при протяженности паза I = 20 мм. Наблюдается прямо пропорциональная зависимость коэффициента отражения от глубины пропила /г (пло-
1
Стандартные образцы для акустической дефектоскопии..
27
щади 5Д), при этом значение коэффициента отражения R равно 0,5 % при отношении глубины пропила к диаметру прутка h/D, равному = 0,025 (2,5 %). При этом площадь сегмента относится к площади поперечного сечения прутка как 5д/5 = 0,7 %.
Значение площади пропила 5Д и соответствующее ему значение коэффициента отражения R является основой для предположения о годности или браке объекта контроля в соответствии с уровнем браковки. Уровень браковки может быть рассчитан, например, исходя из предельного отклонения диаметра тела прутка от номинального значения в соответствии с ГОСТ 14955—77.
Согласно ГОСТ 14955—77 прутки из сталей со специальной отделкой поверхности по точности изготовления делятся на квалитеты /г5—h 12 (для диаметров от 4 мм и выше). В табл. 1 приведены результаты расчетов коэффициентов отражения от искусственного дефекта площадью 5Д, эквивалентной отклонению по площади прутка в соответствии с его диаметром и квалитетом.
Таблица 1
Коэффициенты отражения К от искусственного дефекта площадью 5Д в зависимости от диаметра прутка Б и его квалитета
Диаметр D, мм (Площадь S, мм2) Квалитет Отклонение по диаметру, мм Отклонение по площади 5„, мм2 (в % от 5) Коэффициент отражения R, % Глубина сегментного паза h площадью 5Я, мм
А5 0,005 0,031 (0,25) 0,21 0,045
А6 0,008 0,05 (0,40) 0,33 0,064
4 hl 0,012 0,075 (0,60) 0,49 0,087
(12,6) А8 0,018 0,11 (0,90) 0,74 0,12
h9 0,03 0,19 (1,5) 1,2 0,17
//10 0,048 0,3 (2,4) 1,98 0,24
-All 0,075 0,47 (3,7) 3,1 0,32
А12 0,12 0,74 (5,9) 5,0 0,43
hl 0,015 0,19 (0,37) 0,31 0,12
8 A8 0,022 0,28 (0,55) 0,45 0,16
(50,2) h9 0,036 0,45 (0,90) 0,74 0,24
hlO 0,058 0,73 (1,4) 1,2 0,34
AU 0,09 1Д (2,2) 1,9 0,46
A12 0,15 1,9 (3,7) 3,1 0,63
A8 0,027 0,51 (0,45) 0,33 0,21
12 A9 0,043 0,81 (0,72) 0,59 0,30
(50,2) A10 0,07 1,31 (1,2) 0,96 0,44
All 0,11 2,06 (1,8) 1,5 0,60
A12 0.18 3,37 (3,0) 2,5 0,83
/78 0,033 1,04 (0,33) 0,27 0,27
20 Ii9 0,052 1,6 (0,52) 0,43 0,39
(50,2) A10 0,084 2,6 (0,84) 0,69 0,57
All 0,13 4,1 (1,3) 1,1 0,79
A12 0,21 6,6 (2,1) 1,7 1,1
Из табл. 1, в частности, следует, что в зависимости от квалитета прутка, уровень браковки может изменяться от Я = 0,3 % для прутка диаметром В = 8 мм, изготовленного по квалитету Ю до /? = 3,1 % для того же прутка — по квалитету к 12.
С целью привязки браковочного уровня контроля к предельным отклонениям по диаметру прутка площадь поперечного сечения искусственного отражателя СОП следует выбирать эквивалентной отклонению по площа-
28
Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Т.Н. Лебедева
ди прутка в соответствии с его диаметром и квалитетом. Так, из табл. 1 следует, что при контроле прутка £> = 8 мм, выполненного по квалитету Ю на СОП должен быть выполнен сегментный паз глубиной к - 0,12 мм и протяженностью / = 20 мм, а при квалитете /г12 - /г = 0,63 мм.
При уровне браковки К - 0,5 %, используемом в настоящее время при контроле прутков-заготовок насосных штанг [3], согласно табл. 1, обнаружению подлежат дефекты в прутке диаметром О = 4 мм, площадью 5Д = 0,075 мм2 (квалитет И1) или в прутке диаметром й = 12 мм, площадью 5Д = 0,81 мм2 (квалитет /г9).
Следует отметить, что нормы оценки допустимости несплошностей могут уточняться в процессе накопления статистической информации по типам и степени опасности дефектов, выявляемых при контроле.
Для экспериментального подтверждения результатов расчета были изготовлены стандартные образцы прутков (СОП) из быстрорежущей стали марки Р6М5 диаметрами О = 4—11 мм. Длина контролируемых прутков составляет не менее 1000 мм (неконтролируемая или "мертвая" зона составляет не более 200 мм). На прутках выполнены искусственные дефекты — сегментные пазы протяженностью / = 20 мм и глубиной к, указанной в табл. 2.
Таблица 2
Теоретические и экспериментальные значения коэффициента отражения /? для сегментного паза протяженностью I = 20,0 мм
Диаметр прутка О, мм Глубина пропила А, мм (% к О) Площадь дефекта 5„, мм2 (% к 5) Теор. коэффициент отражения, Ят№р, % Эксп. коэффициент отражения /?,„„, %
4,08 0,10(2,5) 0,091 (0,7) 0,58 0,49
5,5 0,13 (2,5) 0,17 (0,7) 0,58 0,64
7,87 0,19 (2,5) 0,34 (0,7) 0,58 0,54
10,2 0,25 (2,5) 0,57 (0,7) 0,58 0,64
Экспериментальные исследования проводились акустическим эхоме-тодом с использованием продольной стержневой моды 50 в области минимальной дисперсии скорости в диапазоне используемых частот. Принцип работы экспериментальной установки, структурная схема которой представлена на рис. 3, состоит в следующем. Генератор вырабатывает
Рис. 3. Блок-схема экспериментальной установки:
/ — контролируемый пруток; 2 — электроакустический преобразователь; 3 — генератор зондирующих импульсов; 4 — электронный осциллограф.
электрический импульс, подаваемый на излучатель блока электроакустического преобразователя, что приводит к возникновению акустического импульса, распространяющегося в прутке со скоростью С50 продольной стержневой моды (С, = 520 м/с). Акустический импульс, отра-
Стандартные образцы для акустической дефектоскопии.
29
женный от дефекта прутка, а также от его торца, принимается на том же торце приемником электроакустического преобразователя и в в
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.