Измерение остаточных напряжений после вибрационной обработки

 

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.

Таблица. Основные технические характеристики виброустановки или виброкомплекса

Виброустановка  или виброкомплекс Технические характеристики Максимальное вибрационное усилие, КН Диапазон рабочих  частот, Гц Мощность электродвигателя, кВт Количество вибраторов, шт У912 6 20–100 1,5 1 489РМ 17,6 20–200 0,55; 1,1 2 ВКСР-200 16,6 30–200 2,2 1 Альфа 3 30 8–100 0,9 1 BK-89ЛЭС 30 10–140 0,9 1 BK-90 70 10-140 1,5 1 DV-3-6-1E1 15 8–90 0,8 1 DV-12-4E1 23 8–70 2,3 1 MV1 16 10–100 0,65 1 MV2 8 10–170 0,5 1

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