Диагностика температурных процессов при виброобработке маложестких деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диагностика температурных процессов при виброобработкЕ маложестких деталей

Д.В. Гранченко

Тольяттинский государственный университет

445667, Тольятти, ул. Белорусская, 14

Аннотация

Приведены результаты экспериментов по снятию остаточных напряжений. Рассмотрен вопрос возникновения температуры в процессе виброобработки. Предложена установка для виброобработки с бесконтактным методом контроля процесса снятия остаточных напряжений.

Ключевые слова: виброобработка, остаточные напряжения, маложесткие детали, теплодиагностика.

Практически все технологические процессы машиностроения приводят к возникновению остаточных напряжений.

В большинстве случаев остаточные напряжения играют отрицательную роль. При воздействии внешних нагрузок в процессе дальнейшей механической обработки или эксплуатации остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, короблению, скручиванию и т.д. Помимо этого может произойти разрушение. Остаточные напряжения снижают прочность изделий при переменных и циклических нагрузках, влияют на износ при трении скольжения или качения.

Неблагоприятным проявлением остаточных напряжений в прокатных заготовках является их коробление в процессе прокатки и остывания. Проблема получения прямолинейных валов неразрывно связана со снижением и стабилизацией уровня остаточных напряжений.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что проблема снижения уровня остаточных напряжений является важной.

Одним из способов снижения остаточных напряжений является виброобработка (ВО). По сравнению с наиболее распространенной термообработкой ВО имеет ряд преимуществ:

1) уменьшение трудоемкости;

2) энергосбережение;

3) экологичность.

Кроме этого, при ВО происходит устранение структурно-нестабильного состояния металлов.

В процессе ВО протекают микропластические деформации и другие процессы, приводящие к снижению остаточных напряжений и, в свою очередь, стабилизации геометрической формы и размеров детали. Наиболее интенсивно пластическая деформация в металлах и сплавах протекает в месте концентрации напряжений первого рода. Эффект достигается за счет сложения остаточных напряжений и напряжений от циклической нагрузки при превышении их суммы предела прочности. Деталь вибрируют на одной из резонансных частот, после чего измеряют остаточные напряжения тензометрическими, магнитоиндукционными или другими косвенными методами.

Наиболее распространенными являются методы, связанные с определением частоты колебания детали и вибратора. В работе [1] процесс ВО заканчивается по достижении постоянного значения логарифмического декремента. А по его величине и степени изменения судят о происхождении процесса снижения напряжения. Так как энергия, рассеиваемая по образцу, является функцией остаточных напряжений и деформации, а коэффициент поглощения связан с логарифмическим декрементом свободных затухающих колебаний соотношением 2, то справедливо выражение

= F() = f(,E), (1)

т.е. логарифмический декремент дает информацию о наличии и величине остаточных напряжений.

Другой метод основан на регистрации амплитуды колебания изделия и частоты колебания вибратора [2]. Предлагаемое устройство автоматически обеспечивает поиск резонансной частоты по минимуму фазового сдвига рассогласования входных сигналов датчика амплитуды и датчика частоты и поддерживает колебания изделия на резонансной частоте.

Принципиальное отличие в критерии обработки представлено в [3]. В качестве критерия окончания ВО предлагается использовать силу тока, потребляемого электроприводом вибратора. Внутреннее напряжение вызывает затруднение короблений, и связанные с этим затраты энергии компенсируются энергией, сообщаемой детали при вибрации; по расходу энергии, потребляемой двигателем в начале и в конце процесса ВО, можно судить об изменении напряженного состояния. Работа вибратора продолжается до тех пор, пока ток электродвигателя на данной моде не упадет минимум на 10%.

На предприятии ОАО «Азотреммаш» г. Тольятти [4] были проведены исследования по снижению остаточных напряжений путем применения ВО.

Виброобработке подвергался маложесткий вал, изготовленный из стали 12Ч18Н10Т аустенитного класса: длина вала 5600 мм, диаметр 38 мм. Изгибно-крутильные колебания создавались двигателем мощностью 2,2 кВт, частота колебаний изменялась в пределах 50-100 Гц.

Заготовка устанавливается на подвесные опоры с регулируемой жесткостью, где фиксируется упруго от поворота и поперечных смещений.

Основной эффект вибрационной обработки достигается за счет резонансных частот. Обработка на высших гармониках более эффективна, так как коэффициент поглощения увеличивается с ростом гармоники собственной частоты, с которой резонирует возмущающая нагрузка.

Хотя резонансная амплитуда имеет меньшую величину на более высоких гармониках, проработка заготовки вала происходит более равномерно по длине.

Вносимая энергия определяется параметрами привода вибратора. Через известную мощность электромеханического привода и КПД мультипликатора определяется величина энергии колебаний, вносимой в заготовку. По значениям температуры в сечениях вала определяется энергия теплообразования вследствие механизмов внутреннего трения и теплообразования от процессов пластического деформирования.

В ходе виброобработки при воздействии на вал возмущающего гармонического усилия в течение 1 минуты произошел локальный разогрев заготовки в местах пучности смещений от комнатной температуры (около 20 С) до 86 С (максимальная температура).

На рис. 1 приведена схема обрабатываемого вала с точками замера температуры. Температура измерялась в местах пучности.

Рис. 1. Расположение точек замера температуры

В табл. 1 приведены результаты измерения температур.

Таблица 1. Результаты замеров температур в зонах пучности после 1 минуты обработки

Из результатов эксперимента видно, что температура в местах пучности поднялась до 82 C, 84 C и 86 C. На концах вала температура практически не изменилась. После 10 мин виброобработки температура вала по его длине постепенно выровнялась благодаря теплопроводности (табл. 2).

Таблица 2. Результаты замеров температур в зонах пучности после 10 минуты обработки

В результате был выявлен новый признак, косвенно характеризующий остаточные напряжения, - температура. На основе полученных данных была поставлена цель исследовать тепловые процессы при ВО.

Контроль положения зон разогрева позволяет определять места наиболее интенсивной релаксации напряжений и управлять их смещением за счет использования дополнительных масс. Изменением технологических параметров вибрационной обработки (частоты воздействия, жесткости и инерционности заготовки) можно управлять степенью проработки каждого участка по длине, контролируя положение и перемещения зон первоначального разогрева, т.е. зон пучностей.

Возникновение температуры сопровождается возникновением теплового потока.

Теплота, выделяющаяся в результате диссипации механической работы пластической деформации, зависящая от исходного теплового состояния и величины инвариантов тензора деформаций в любой точке, может быть определена как

, (2)

где - коэффициент выхода тепла при пластической деформации (0,84-0,94);

- механический эквивалент теплоты;

W - работа пластической деформации, которая зависит от скорости деформации сдвига Г и интенсивности касательных напряжений Т в данной точке объекта деформации:

. (3)

Возникающее тепло определяет изменение температуры в деформируемой зоне

k d = c dT, (4)

где k -- часть сохраняемого тепла, c -- коэффициент объемного расширения. Или

dT / d = k / c, (5)

т.е. скорость изменения температуры по деформации пропорциональна напряжению.

В теории сопротивления материалов [5] имеются следующие соображения. В металлах наблюдается термоупругое влияние, которое зависит от ориентировки кристаллов, и поэтому изменение температуры, вызываемое деформацией поликристаллических образцов, колеблется от зерна к зерну. Данное явление есть следствие неполной упругости металлов. Также отмечается, что при растяжении образца за пределом текучести работа превращается в большей степени в теплоту, образец становиться горячим.

В теории металловедения описывается следующий эффект термоупругости [6]. Деформация, возникающая в результате быстрого приложения напряжения к какому-либо элементу, сопровождается обычно изменением температуры. При гомогенном распределении напряжений в образце изменение температуры в каждой точке оказывается одинаковым, но если напряжение, как это часто бывает, не гомогенно, в материале возникнут температурные градиенты. В результате образуется тепловой поток, повысится энтропия и произойдет рассеяние энергии, являющееся причиной внутреннего трения. Если период изменения приложенного напряжения сравним со временем, необходимым, чтобы через пластину установился тепловой поток, произойдет необратимое превращение механической энергии в теплоту; величина термоупругого коэффициента поглощения равна

(6)

где - отношение Пуассона для данного материала; C_p, C_V - теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме; -- циклическая частота колебаний; = ( / а)²D, где D - коэффициент тепловой диффузии материала, а - толщина пластины. Аналогичное выражение Зинер приводит для термоупругого затухания балки круглого сечения, в которой возникают поперечные колебания. В поликристаллическом материале температурный эффект также имеет место. Соседние зерна ориентированы неодинаково, вследствие чего приложенное напряжение в разных зернах вызывает различные изменения температуры. В результате через границы зерен устанавливаются тепловые потоки, являющиеся причиной внутреннего трения, величина которого является функцией размера зерна.

В результате проведенных исследований был предложен новый метод контроля ВО. Отличительной особенностью от имеющихся является то, что в качестве способа контроля используется бесконтактная тепловизионная диагностика. Схема установки, реализующей новый метод, приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема САУ виброобработки с применением тепловизионной камеры

На схеме представлены опоры 1, выполненные с возможностью перемещения вдоль стойки с использованием приводов, подключённых к схеме их управления, включающей датчики 2 для регистрации амплитуды колебаний различных частот обрабатываемой детали, их коммутатор 3, усилитель 4, первый нуль-орган 5, подключенный к задатчику 6, управляющий блок 7, усилители 8 сигнала и блок 9 управления опорами.

Вибровозбудитель 10, устанавливаемый на детали 11, выполнен с возможностью перемещения относительно него за счёт захвата и подключен к схеме управления его приводом, включающей бесконтактный датчик 12 температуры, например, тепловизор, преобразователь 13, дифференциальный усилитель 14, силовой блок 15 привода.

Выводы:

- установлена зависимость изменения температуры от пластических деформаций;

- показано, что температура и тепловой поток являются эффективными критериями контроля виброобработки;

- разработана установка виброобработки маложестких деталей с использованием метода тепловизионной диагностики.

температура деталь металл деформация

Библиографический список

1. А.с. 621749A1 СССР М.Кл.² C 21 D 1/30. Способ контроля виброобработкой конструкций / В.П. Гиниотис, Ю.Ю. Гецявичюс, В.И. Крищюнас, И.Ю. Адамонис (СССР). - № 2416588/22-02, заявл. 15.10.76, опубл. 30.08.76. Бюл. № 32. - 2 с.

2. А.с. 673997A1 СССР М.Кл.² С 05 D 19/02. Устройство для снижения остаточных напряжений сварочных конструкций / А.А. Казамиров и др. (СССР). - № 2459191/18-24, заявл. 05.03.77, опубл. 15.07.79. Бюл. № 26. - 5 с.

3. Драчев О.И. Технология изготовления маложестких осесимметричных деталей. - С.-Петербург: Политехника, 2005. - 289 с.: ил.

4. Бойченко О.В., Расторгуев Д.А. Виброобработка с наложением комплексных колебаний в техпроцессе изготовления маложесткого вала // Труды Всероссийской конф. «Прогрессивные техпроцессы в машиностроении». - Тольятти, 2002. - Вестник № 1 АМИ. - С. 85.

5. Ниблетт Д., Уилкс Дж. Внутреннее трение в металлах, связанное с дислокациями // Успехи физических наук. Т. LXXX. - Вып. 1, май 1963. - 125-187 с.

6. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. - М.: Металлургия, 1974. - 230 с.

7. Тимошенко С.П. Сопротивление металлов. Т.2. ОТИЗ 1946. - 456 с.

Размещено на Allbest.ru