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.