Измерение остаточных напряжений после вибрационной обработки

Введение

В процессе изготовления машиностроительных конструкций в них возникают  остаточные напряжения, которые снижают  срок эксплуатации конструкции и  могут

привести к преждевременному выходу из строя. Операция снижения остаточных напряжений является одной из наиболее трудновыполнимых и требует больших материальных затрат. В инженерной практике применяют многочисленные способы уменьшения напряжений, непрерывно совершенствуют и разрабатывают новые методы. Один из таких методов – вибрационный метод снятия остаточных напряжений и деформаций, основанный на обработке изделий в резонансном режиме, переменными напряжениями, достаточными для упругопластических деформаций металла. В отличие от других методов, высокая эффективность и экономичность вибрационного старения обеспечивается независимо от марки конструкционного материала. По производительности и простоте процесса вибрационное нагружение в большинстве случаев имеет преимущества перед другими методами и соответствует основным требованиям, предъявляемым к применяющимся в практике средствам снижения напряжений. К сожалению, применение этого метода сильно ограничивается недостаточной изученностью процессов, происходящих в материале в процессе виброобработки. Остаются неопределенными оптимальные условия закрепления, точка приложения и величина возмущающей силы, время обработки изделий. Сегодня эти вопросы решаются на основании экспериментальных исследований, что зависит от личного опыта экспериментатора, при ошибках которого обработка оказывается недостаточно эффективной и часто приводит к негативному результату (образование трещин, разрушения конструкций). Поэтому разработка надежных расчетных методов для выбора рациональных параметров вибрационных изделий является актуальной и практически важной научно-технической проблемой, решение которой позволит повысить технико-экономические показатели процесса вибрационного старения, создать эффективные технологии и оборудование для вибрационной обработки.

1. Физическая сущность возникновения внутренних остаточных напряжений в детали и конструкции.

Металлическая деталь характеризуется  напряженным состоянием,  обусловленным  неоднородностью пластических,  линейных или объемных деформаций.

Возникновение и перераспределение  остаточных напряжений всегда связано  с деформацией детали или конструкции. Возникающая деформация может быть временной или необратимой, вызываемой соответственно временными или внутренними  напряжениями. Внутренние напряжения делятся на напряжения I рода  (уравновешивающиеся в пределах областей, размеры которых  одного порядка с размерами тела, вызываемые неоднородностью силового,  температурного или материального поля внутри тела);  напряжения II  рода или кристаллитные  (уравновешивающиеся в объемах одного порядка с размерами зерен)  и напряжения III  рода (уравновешивающиеся в объемах одного порядка с элементарной кристаллической ячейкой).

При изготовлении металлических  деталей под влиянием различных  технологических операций,  вызывающих изменения в металле,  возникают  внутренние напряжения.  В некоторых  случаях внутренние напряжения создаются  преднамеренно для улучшения  качественных характеристик изделия  (поверхностный наклеп, закалка,  химико-термическая обработка),  а при литье, штамповке,  сварке, механической обработке возникающие  внутренние напряжения, наоборот, снижают  стабильность изделия, вследствие чего снижается качество продукции. Возникновение  остаточных напряжений связано с  различными процессами, происходящими  в металле. В течение одной  технологической операции могут  действовать один или несколько  факторов различной природы

Механическая обработка (точение, фрезерование, шлифование и  т.д.), как правило, вызывает появление  в тонком  (десятые доли миллиметра) поверхностном слое значительных остаточных напряжений. Источником появления остаточных напряжений при механической обработке является одновременное действие следующих факторов:

а) Неравномерная пластическая деформация поверхностного слоя. В  зоне перед инструментом материал сжимается  передней поверхностью инструмента, а  в другой зоне при трении задней поверхности инструмента об обработанную поверхностный слой растягивается. Границей раздела этих зон является режущая кромка инструмента.

б) Локализованный нагрев тонких поверхностных слоев вследствие работы деформации и трения приводит к большим температурным напряжениям, превосходящим предел текучести  материала.  После остывания детали в поверхностном ее слое появляются значительные растягивающие остаточные напряжения.

в) Вторичные фазовые превращения  в поверхностных слоях приводят к образованию вторичных структур с разными удельными объемами. Влияние указанных факторов, действующих  в противоположных направлениях, приводит к тому, что остаточные напряжения при механической обработке  существенно зависят от технологических  режимов  (геометрия и состояние  режущего инструмента,  охлаждающая  среда,  вид и режим обработки). Кроме того, остаточные напряжения в этом случае зависят от материала  изделия.

Величина остаточных напряжений при механической обработке резанием металлов средней прочности достигает 1000-1300  МПа при глубине распространения 50-200 мкм. При шлифовании решающее влияние  на образование остаточных напряжений оказывает тепловой фактор. Величина и знак остаточных напряжений при  шлифовании зависят от скорости вращения круга и детали,  скорости продольной подачи,  глубины шлифования, а  также материала детали, материала  и зернистости круга и охлаждающей  жидкости. Величина остаточных напряжений после шлифования достигает  400-1000 МПа и глубина их распространения 20-50 мкм.

В инженерной практике применяют  многочисленные способы уменьшения напряжений, непрерывно совершенствуются и разрабатываются новые методы.

2. Методы измерения остаточных напряжений в конструкции и детали.

Основными методами определения остаточных напряжений являются механические и рентгеновские. Весьма перспективными для промышленного  применения являются электрофизические  методы, при которых остаточные напряжения определяются по изменению электромагнитных свойств поверхностного слоя. 
 
Механические методы определения остаточных напряжений получили наибольшее распространение не только из-за своей простоты, но и вследствие того, что в них используются такие же представления о напряжениях и деформациях механики твердого тела, как и при расчетах деталей на прочность, жесткость и устойчивость. 
 
Механические методы основаны на предположении, что при разрезке или удалении части детали с остаточными напряжениями у оставшейся части детали на вновь образовавшихся поверхностях имеют место эквивалентные напряжения, обратные по знаку удаленным. Эти обратные напряжения вызывают деформацию детали. Измерив возникшие деформации, можно вычислить остаточные напряжения. 
 
В частности, механический метод определения остаточных напряжений I рода в поверхностном слое сплошного цилиндрического стержня основан на измерении деформации, возникающей при постепенном стравливании металла по его полуцилиндрической поверхности (метод Н. Н. Давиденкова). Перед травлением образцы обезжиривают ацетоном и покрывают химически стойким лаком таким образом, чтобы осталась непокрытой цилиндрическая поверхность, с которой стравливается поверхностный слой. 
 
Одностороннее травление стержня нарушает равновесное состояние металла и вызывает его деформацию. При этом допускается, что осевые остаточные напряжения постоянны по длине стержня и симметричны относительно его оси. Травление, производится на специальном приборе. Образец помещается в ванну с электролитом. К образцу-аноду и катоду (цинковая пластина) подводится постоянный ток. При прохождении постоянного тока от анода через электролит к катоду происходит электролитическое травление поверхностного слоя образца. В качестве регистрирующего прибора используются индикаторы часового типа. В процессе травления через определенные промежутки времени производится запись показаний индикатора — прогиб образца f. Прогиб считается положительным, если он направлен в сторону снятого слоя, и отрицательным, если он направлен в обратную сторону. 
 
После окончания травления с образца снимается лак, поверхность протирается ацетоном. Образец взвешивается, и определяется величина снятого слоя по формуле: 
 
 
 
где R — радиус образца до травления; m₂ — масса образца до травления; m₁ — масса образца после травления. Зная величину снятого слоя и время травления, можно определить скорость травления. 
По известным значениям скорости травления и деформации образца подсчитываются остаточные напряжения в поверхностном слое цилиндрического стержня по формуле Биргера А. И.: 
 
 
 
где Е — модуль упругости; d — диаметр стержня; l — длина стержня; f — прогиб стержня при стравливании слоя величиной а; а — величина стравливаемого слоя. 
 
Микронапряжения (напряжения второго рода) исследуются рентгеновским методом. Рентгеновский метод определения остаточных напряжений позволяет непосредственно измерять деформации кристаллической решетки при воздействии напряжений. Основное преимущество рентгеновского метода состоит в том, что остаточные напряжения определяются без разрушения детали. Метод может быть использован не только для исследования, но и для контроля технологического процесса. Рентгеновский метод не лишен недостатков: напряжения определяются только в поверхностном слое, точность определения сравнительно невысока. Однако возможность определения остаточных напряжений без разрушения детали делает рентгеновский метод чрезвычайно перспективным. Этот метод основан на определении расстояния между кристаллографическими плоскостями с помощью измерения угла отражения луча. При таком рассеянии и происходит интерференция лучей, в результате которой только в определенных направлениях интенсивность лучей увеличивается, тогда как в других направлениях ослабляется. 
 
Одна из схем определения остаточных напряжений: монохроматический рентгеновский луч направляют узким пучком на исследуемую поверхность металла, отраженные лучи фиксируются на рентгеновской пленке в виде кольцевого затемненного следа. Этот метод не является единственным. 
 
Существует схема измерения угла отражения с помощью счетчика излучения. Рентгеновский луч отражается от поверхности металла, камера счетчика совершает периодическое колебательное движение, фиксируя интенсивность излучения для данного угла. Эта схема получает в последнее время все большее практическое применение. Используется прибор ионизационный дифрактометр УРС-50 ИМ.

3. Вибрационная обработка. Влияние виброобработки на остаточные напряжения в детали.

Вибрационный метод снятия остаточных напряжений и деформаций (вибрационное старение) основан на обработке изделий в резонансном режиме, переменными напряжениями, достаточными для протекания упругопластических деформаций металла.

Механизм вибрационного  старения в локальных зонах объясняется следующим образом. Остаточные напряжения образуются в кристаллических телах как результат пластической деформации кристаллов. Для стабилизации напряженного состояния детали сообщается некоторый энергетический импульс, например энергия колебаний при виброобработке. Возникающие при этом дополнительные напряжения суммируются с начальными остаточными, в результате чего в поликристаллическом материале происходят сдвиги кристаллической решетки, которые сопровождаются перераспределением напряжений, а молекулы приходят в равновесное положение. Напряжения в пределах зерен и по их границам уменьшаются

В отличие от других методов  высокая эффективность и экономичность  вибрационной обработки обеспечивается независимо от марки конструкционного материала. Опыты по внедрению вибрационной обработки с целью снятия остаточных напряжений на ряде предприятий свидетельствует  о снижении расходов энергоресурсов более чем в 500 раз и сокращения технологического цикла операции снижения остаточных напряжений в 50-60 раз. При этом параметры прочности, твердости и долговечности не снижаются. Кроме того, вибрационное старение применимо к конструкциям любых габаритных размеров и массы, а предлагаемое оборудование, необходимое для его осуществления, является весьма надежным и малогабаритным.

Преимущества  перед термической обработкой:

- затраты электроэнергии  на осуществление техпроцесса  ниже более чем в 10 раз; 

- экономия времени на  проведение обработки больше  чем в 20 раз;

- возможность снятия остаточных  напряжений в конструкциях, размеры  которых превышают размеры термической  печи;

- возможность обработки  конструкций изготовленных из  разнородных материалов, имеющих  разные физические свойства;

- компактность размеров  и мобильность самой установки.

В практике встречается несколько  технологических схем выполнения процесса виброобработки: обработка всухую или  с циркуляцией ТЖ, обработка свободно загруженных деталей сравнительно небольших размеров с периодической  или непрерывной загрузкой и  разгрузкой их: обработка тяжелых  и крупногабаритных деталей, закрепленных в специальных приспособлениях, обработка длинномерных деталей  типа труб, прутков, профилей и проволоки  путем медленного «проталкивания»  и «протягивания» их через окна, выполненные в стенках рабочей  камеры. Технологические возможности  вибрационной обработки достаточно широки и определяются особенностями  взаимодействия рабочей среды с  поверхностью обрабатываемых деталей, режимами обработки, характеристикой рабочей среды.

Сочетание таких элементов  процесса, как последовательное нанесение  множества микроударов, интенсивное  перемешивание рабочей среды  и обрабатываемых деталей при  различной их взаимной ориентации, сопровождаемые в зависимости от характеристики и состава рабочей  среды и режимов вибрирования съемом металла, его окислов и  поверхностным пластическим деформированием, создает условия для выполнения очистных, доделочных, шлифовально-отделочных операций: очистка литых заготовок, удаление облоя на заготовках из металлов, пластмасс и резины, очистка деталей  и заготовок от окалины и коррозии, шлифование и полирование поверхности, удаление заусенцев, скругление и полирование острых кромок, поверхностный наклеп, мойка и сушка деталей, очистка деталей от нагрева, накипи и плотно прилегающего грунта при ремонте и восстановлении различного рода двигателей и устройств.

Конструктивное исполнение оборудования для вибрационной обработки  и достаточно продолжительное протекание процесса позволяют размещать и  применять различные составы  твердых, жидких и смешанных составов рабочих сред. Это создает условия  как для протекания процессов  механической обработки в виде микрорезания и пластического деформирования, так и для физико-механических процессов (химических реакций, диффузии, адгезии, абсорбции), их совмещения путем  введения в состав рабочей среды  соответствующих порошкообразных  материалов, растворов, суспензий, электролитов.

Для осуществления виброабразивной  обработки применяются вибрационные станки различных типов (с объемом  рабочих камер от 0,5- 2 до 28000 дм³). В качестве рабочих сред используется гранулированный абразив соответствующей формы и размеров. Вибрационная обработка — широкоуниверсальный метод и может использоваться для обработки как отдельных (крупногабаритных) деталей, так и для партий деталей. В последнем случае детали могут быть как однотипные, так и различной номенклатуры. Вследствие этого виброабразивная обработка может использоваться как в условиях массового и серийного производства, так и единичного (для обработки многономенклатурных партий деталей). Наиболее эффективно применение виброабразивной обработки в условиях массового и серийного производства.

Вибрационные станки проходного типа встречаются в поточных и  автоматических линиях и применяются  на очистных операциях: очистка поршневых  пальцев двигателей после термической  обработки: очистка заготовок, полученных методом точного литья по выплавляемым моделям, от остатков формовочных материалов и окалины и др., на доделочных операциях — удаление облоя на отливках из алюминиевых сплавов, на деталях из термореактивных пластмасс, удаление заусенцев и скругление острых кромок на штампованных и точеных сепараторах подшипников качения; на операциях шлифования и отделки рабочих поверхностей лопаток турбин, медицинского инструмента и др. Среди разновидностей виброабразивной обработки интерес представляет шпиндельная виброотделка.

4. Влияние  виброобработки на остаточные  напряжения на примере сварных  конструкций.

Производственный опыт показал, что у сварных балок, рам, станин и других корпусных конструкций, изготовленных из простых малоуглеродистых сталей и имеющих непосредственно  после сварки достаточно высокую  точность размеров, после дальнейшей механической обработки или вылеживания  в течение двух-трех недель изменялся  предел допусков, и они требовали  дополнительной обработки. Основной причиной таких изменений являлось наличие  остаточных напряжений, неизбежно сопутствующих  процессу сварки.

Изменения геометрических размеров интенсифицируются под воздействием монтажных, транспортных и эксплуатационных нагрузок, а также с повышением температуры. С целью увеличения стабильности геометрических размеров сварных конструкций их зачастую подвергают общей термической обработке (отпуску), требующей больших энергетических затрат.

В последние десятилетия  получил распространение малоэнергоемкий  способ стабилизации геометрических размеров металлоконструкций под названием "вибрационная обработка".

Сущность способа заключается  в создании металлоконструкции после  сварки или в процессе переменных напряжений определенной величины с  помощью специальных вибровозбудителей (вибраторов). Переменные напряжения суммируют со сварочными, и при достижении предела текучести происходит пластическая деформация, способствующая снижению и перераспределению напряжений первого рода. Одновременно протекают процессы на микроуровне, связанные с генерированием, перемещением и закреплением дислокаций, что в свою очередь приводит к снижению и перераспределению напряжений второго рода и повышению сопротивляемости материала самопроизвольному деформированию.

Вибрационной обработке  подвергают сварные конструкции  не только из углеродистых сталей, но и  изготовленные из алюминиевых и  титановых сплавов.

На рисунке слева показана схема виброобработки сварных конструкций. Сварная конструкция 1 установлена на виброизолирующих опорах 2, к ней прикреплен струбцинами или болтами вибровозбудитель 3 с регулируемой частотой колебаний. На пульте управления виброустановки 4 расположены приборы, регистрирующие частоту и амплитуду колебаний с помощью датчика 5, прикрепленного к сварной конструкций. При плавном изменении частоты колебаний от минимальной до максимальной регистрируют резонансные частоты системы "сварная конструкция--вибровозбудитель". Затем производят виброобработку на выбранных резонансных частотах.

Основными параметрами вибрационной обработки являются амплитуда и  время (длительность) вибронагружения. Чем выше амплитуда переменных напряжений, тем интенсивнее происходит релаксация остаточных напряжений. Необходимо отметить, что слишком высокие амплитуды  переменных напряжений и большая продолжительность виброобработки могут стать причиной усталостных повреждений сварных конструкций.

При правильно выбранных  режимах относительное снижение остаточных напряжений при виброобработке на первой резонансной частоте составляет 40-45%, на второй - дополнительно 10-12%, на третьей, четвертой и пятой - 5-8%.

Для виброобработки металлоконструкций наибольшее применение получили механические инерционные дебалансные вибровозбудители.

Основные технические  характеристики некоторых виброустановок с дебалансными вибровозбудителями, разработанных ИЭС им. Е. О. Патона, ОАО "УкрИСП", Краматорским индустриальным институтом, фирмой "Мартин Инжиниринг" и другими предприятиями, приведены в таблице.

Дебалансные вибровозбудители развивают усилия до 7·10⁴ Н в частотном диапазоне до 200 Гц.

При вибрационном нагружении используют различные методы оперативного контроля эффективности обработки. Их можно разделить на три: неразрушающий  контроль величины остаточных напряжений, определение величины изменения  энергии, потребляемой электродвигателем  возбудителя колебаний, запись амплитудно-частотных  характеристик (АЧХ) до и после вибрационной обработки металлоконструкций.

Недостатком первого метода контроля является то, что по величине остаточных напряжений, тем более определяемых в отдельных зонах, еще нельзя судить о степени стабилизации геометрических размеров. Этот метод контроля используют, как правило, в сочетании с другими методами оценки эффективности обработки.

Контроль эффективности  вибрационной обработки по мощности, потребляемой электродвигателем вибровозбудителя, основан на предположении о том, что энергия колебаний изменяется пропорционально мощности электродвигателя. Снижение и стабилизация силы тока свидетельствует о стабилизации геометрических размеров.

К недостаткам вышеупомянутого  метода контроля следует отнести  его чувствительность к качеству закрепления вибровозбудителя, трению в подшипниках и получение  косвенных характеристик стабилизации геометрических размеров обрабатываемого  изделия.

При записи амплитудно-частотных  характеристик отслеживают положение  вершины резонансного пика, либо определяют изменение логарифмического декремента затухания колебаний. Современные  методы контроля эффективности виброобработки, построенные на использовании записи АЧХ, развиваются по пути совершенствования  обработки и накопления полученной информации, использования электронно-вычислительных машин и других устройств.

Хотя контроль эффективности  обработки путем записи АЧХ, в  особенности в сочетании с  автоматическим поддержанием резонанса, и дает более четкую документальную картину результатов вибронагружения, он не имеет существенных преимуществ  перед энергетическим методом, рассмотренным  выше.

В настоящее время накоплен большой опыт использования вибрационной обработки сварных рам, станин, оснований, поперечин, металло- и деревообрабатывающих станков и машин. Весьма эффективным  оказалось использование стабилизирующей виброобработки при изготовлении крупногабаритных деталей для тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения.

Многолетний опыт использования  систем вибрационной обработки подтверждает высокую экономическую эффективность  этой технологии. По данным автора внедрение  виброобработки при изготовлении около 1 тыс. т сварных конструкций позволило сэкономить на одном станкостроительном заводе около 1 млн. кВт·ч электроэнергии и в десятки раз сократить цикл стабилизирующей обработки.

Составляющими полученного  экономического эффекта является также  снижение по сравнению с термической  обработкой в 10-12 раз капитальных затрат, транспортных расходов и расходов на очистку сварных конструкций перед грунтовкой.

Малая энергоемкость систем виброобработки, относительно низкая стоимость технологического оборудования и простота его обслуживания позволяют  эффективно применять вибростабилизацию  не только на крупных предприятиях, но и в условиях мелких и средних  производств.

По мнению экспертов, дальнейшее развитие технологии виброобработки будет связано с использованием вибрации в сочетании с локальным нагревом отдельных зон сварных конструкций различными источниками, одновременного вибронагружения на нескольких частотах, групповой обработки нескольких сварных деталей одной виброустановкой.

Следует также ожидать  дальнейшего повышения надежности систем виброобработки сварных конструкций, создания мобильной оснастки и принципиально  новых средств оперативного контроля.

5. Заключение

При вибрационной обработке  за короткие промежутки времени создается множество циклов нагружения на заданных и контролируемых мощностях и частотах,  что обеспечивает завершение стабилизации в течение непродолжительного времени.

Вибростабилизация является высокопроизводительным методом снижения остаточных напряжений, который пригоден для литых, кованых, сварных и горячекатаных черных и цветных металлов.  При этом параметры прочности, твердости и долговечности не снижаются. Кроме того,  он применим к конструкциям любых габаритных размеров и массы,  а оборудование,  необходимое для его осуществления,  является простым и малогабаритным.  Это позволяет использовать его в непрерывном технологическом процессе и в промежуточных – между отдельными операциями механической обработки.

Вибростабилизирующая обработка  особенно эффективна, когда термические и другие способы снятия напряжений неприемлемы, например при наличии приваренных направляющих, закаленных индукционным способом после сварки, а так же в конструкциях, сваренных из разных металлов.

Список  используемой литературы

1. http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-181-3/66.htm
2. Биргер И.А. Остаточные напряжения - М.: Машгиз, 1963.
3. http://specural.com/articles/category/15/message/888/
4. http://www.is.svitonline.com/welder/prod/addwork/000506.html
5. http://www.xrayoptic.ru/rikor_4/doc_rus/RIKOR_RUS_Roll.pdf