Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение
Работа выполнялась в соответствии с государственным контрактом 5514р/7878 ФСР МП НТС, а также грантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным и прикладным исследованиям (2006;2009 J г. г.). Аппаратный комплекс неразрушающего контроля остаточных напряжений, выполненный в рамках данной работы, удостоен серебряной медали 50-го Международного Салона изобретений «Брюссель-Эврика… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Анализ состояния проблемы. Цель и задачи исследования
- 1. 1. Современное представление о напряжённо-деформированном состоянии изделий
- 1. 1. 1. Остаточные напряжения и их классификация
- 1. 1. 2. Возникновение остаточных напряжений при различных видах обработки
- 1. 1. 3. Способы обработки поверхностей деталей
- 1. 2. Методы исследования напряженно-деформированного состояния деталей и их ограничения
- 1. 3. Сравнительные метрологические характеристики существующих методов определения остаточных напряжений
- 1. 1. Современное представление о напряжённо-деформированном состоянии изделий
- Глава 2. Разработка резистивного электроконтактного метода неразрушающего определения остаточных напряжений
- 2. 1. Теоретическое описание метода
- 2. 2. Особенности конструкции первичных преобразователей
- Выводы по главе 2
- Глава 3. Разработка и метрологическая оценка средств измерения напряжённого состояния в поверхностном слое металла
- 3. 1. Принцип работы измерительного комплекса СИТОН
- 3. 2. Методика определения напряжений
- 3. 3. Метрологические свойства разрабатываемого метода и устройства
- 3. 4. Программный комплекс определения остаточных напряжений
- Выводы по главе 3
- Глава 4. Апробация и реализация резистивного электроконтактного метода неразрушающего контроля остаточных напряжений
- 4. 1. Напряженно-деформированное состояние изделий из ферромагнитных сплавов
- 4. 2. Напряженно-деформированное состояние изделий из никелевых сплавов
- 4. 3. Напряженно-деформированное состояние изделий из титановых сплавов
- 4. 4. Напряженно-деформированное состояние изделий из алюминиевых сплавов
- Выводы по главе 4
Разработка и исследование метода неразрушающего контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Во многих промышленных отраслях важную роль имеет качество изготовление деталей: геометрическая точность, шероховатость, наличие дефектов и микротрещин, напряжённо-деформированное состояние. Высокие требования предъявляются к ответственным деталям машиностроения, приборостроения, авиационной, атомной, энергомашиностроительной, автомобильной отраслей для повышения безопасности, увеличения срока эксплуатации. При этом важно контролировать требуемые параметры на каждом этапе технологического процесса изготовления деталей [1, 40−43].
В настоящее время существует большое количество различных физических методов и средств контроля для обеспечения качества деталей. Все более важным аспектом является контроль механических характеристик материалов во всем объёме деталей, а также в поверхностном слое после различных технологических воздействий, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и внутренних рабочих напряжений. Поэтому на первый план выходят методы технической диагностики, с помощью которых изучаются и устанавливаются признаки или причины дефектов деталей, применяя разрушающий или неразрушающий контроль, основанные на положениях металловедения, физики твердого тела, метрологии и пр. Здесь, прежде всего, важно отметить методы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) [39, 44, 45].
Задачами измерений механических напряжений, в частности остаточных, в работающих деталях и конструкциях с целью оценки их состояния в настоящее время занимаются многие компании по всему миру. Однако до сих пор эффективность различных методов и средств контроля напряжений зачастую остается невысокой при их использовании непосредственно на оборудовании.
Актуальность. Обеспечение требуемых качественных показателей изделий является актуальной задачей. При этом остаточные напряжения (ОН) в поверхностных слоях относятся к числу факторов, существенно влияющих на многие характеристики качества изделий. Качественное и количественное влияние их на целый ряд функциональных свойств изделий ещё недостаточно изучено. Одной из причин этого является отсутствие серийно выпускаемых простых, надёжных и приемлемых по стоимости средств измерения и контроля остаточных напряжений [46].
Большой опыт эксплуатации изделий в различных областях техники и многочисленные эксперименты показывают, что остаточные напряжения влияют на износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, долговечность изделий и другие свойства. Они оказывают влияние на точность изготовления маложестких изделий [13, 47].
В современной промышленности определение остаточных напряжений осуществляется методами разрушающего и неразрушающего контроля. При этом эксплуатационные свойства изделия определяются как величиной остаточных напряжений на поверхности, так и характером их распределения по глубине поверхностного слоя. Недостатки разрушающих методов общеизвестны и не требуют комментариев. Существующие неразрушающие методы имеют ряд ограничений, не позволяющих применять их при определении остаточных напряжений в изделиях из алюминиевых, никелевых и других сплавов. Требуется создание новых методов и средств неразрушающего контроля, что является актуальной проблемой для современного приборостроения и машиностроения.
Работа выполнялась в соответствии с государственным контрактом 5514р/7878 ФСР МП НТС, а также грантами Министерства образования и науки РФ по фундаментальным и прикладным исследованиям (2006;2009 J г. г.). Аппаратный комплекс неразрушающего контроля остаточных напряжений, выполненный в рамках данной работы, удостоен серебряной медали 50-го Международного Салона изобретений «Брюссель-Эврика» за 2006 год.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
— предложен новый экспериментально-расчетный метод определения остаточных напряжений в изделиях из металлов и сплавов, основанный на измерении эффективного удельного сопротивления (ЭУС) электроконтактным методом;
— разработаны, исследованы и изготовлены конструкции датчиков для определения ЭУС, защищенные патентами РФ;
— разработана методика определения остаточных напряжений в лабораторных и цеховых условиях;
— выполнен комплекс исследований по метрологическому обеспечению работы измерительной системы.
Цель работы. Создание соответствующего по основным показателям неразрушающего метода контроля остаточных напряжений в металлах и сплавах и его метрологическое обеспечение.
Задачи работы:
— анализ существующих методов и средств измерений и контроля остаточных напряжений (ОН);
— теоретическое обоснование метода;
— разработка методик по определению ОН, подготовке поверхности при использовании аппаратуры;
— изготовление аппаратуры и практические результаты работы с измерительным комплексом.
Объекты исследования. Детали, корпусы и конструкции из токопроводящих металлов и сплавов. Основные представители сгруппированы в 3 группы: 1) ферромагнитные материалы (стали) — 2) неферромагнитные материалы с высокой проводимостью (алюминиевые сплавы) — 3) неферромагнитные материалы с низкой проводимостью (никелевые и титановые сплавы) [48, 49].
Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:
— реализованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде измерительного комплекса СИТОН-ТЕСТ, которые показали в реальных условиях приемлемую точность, производительность и себестоимость изготовления;
— результаты исследований используются в учебном процессе в образовательных программах бакалавров, специалистов, магистров и в исследованиях аспирантов.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием общепринятых положений физики твердого тела, метрологии, современной вычислительной техникиудовлетворительным совпадением результатов теоретических расчетов и результатов экспериментовположительным эффектом внедрения разработанной методики, измерительного комплекса и его использования в производственных условиях [50−53].
Реализация в промышленности. Метод неразрушающего контроля определения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий при различных видах изготовления и условий эксплуатации в действующем производстве. Выполненные работы приняты к внедрению на предприятиях машиностроения России (ОАО «НПО «Сатурн», ОАО «Техприбор», НПП «Сигма-Тест», ОАО «Пермские моторные заводы», и.
ДР-).
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались в течение 2006;2009г.г. на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах в г. г. Иваново, Рыбинск, Москва, а также в учебных заведениях: ПИМаш (ЛМЗ-ВТУЗ), СПбГУ ИТМО, ИвГУ. Апробация проведена на ОАО «ПМЗ», ФГУП «ЦНИИ им. А.Н.Крылова», ОАО «НИАТ», ОАО «Техприбор», ПИМаш, ГАЗПРОМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 работы в реферируемых журналах и 2 патента. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 154 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунка, 11 таблиц, список литературы, включающий 85 наименований, 2 приложения.
Общие выводы по диссертации.
1. Проведен анализ методов исследования напряжённо-деформированного состояния по определению механических напряжений, который показал необходимость развития неразрушающего резистивного электроконтактного метода применительно к любым металлам и сплавам, включая алюминиевые, титановые и никелевые сплавы.
2. Проведены теоретические обоснования взаимосвязи электрических и механических свойств изделий из металлов и сплавов, с применением явления скин-эффекта. Показана возможность построения корреляционной зависимости этих свойств для нахождения остаточных напряжений.
3. Сформулировано определение эффективного удельного сопротивления (ЭУС) в качестве информативного сигнала, идентифицирующего изменения протекания тока в материале изделий.
4. Разработаны методики определения и калибровки механический напряжений, в том числе остаточных напряжений, реализованные на основе ЭУС, которые апробированы в лабораторных и цеховых условиях и могут быть реализованы в условиях действующего производства.
5. Выполнены обоснование, разработка, изготовление и метрологическая проработка аппаратуры СИТОН-ТЕСТ, которые позволили осуществить комплекс исследований напряженного состояния поверхностного слоя деталей реальных изделий.
6. Разработан программный комплекс, который реализует в полном объеме методики измерений и калибровки при неразрушшощем контроле остаточных напряжений резистивным электроконтактным методом.
7. Разработана методика определения механический напряжений, в том числе остаточных напряжений, реализованная на основе ЭУС.
8. Проведены обоснование, разработка и изготовление аппаратуры СИТОН-ТЕСТ и программное обеспечение его функционирования, которые позволили осуществить комплекс исследований напряженного состояния поверхностного слоя деталей реальных изделий.
9. Проведены метрологические исследования по настройке аппаратуры для экспериментальных исследований с привязкой к стандартным средствам измерения.
10. Сопоставительные расчетные и экспериментальные исследования механических напряжений, выполненные с использованием аппаратуры неразрушающего контроля СИТОН-ТЕСТ, показали расхождение не более 15%, что является приемлемым для практического применения. Измерения на реальных изделиях из стали, алюминиевых, никелевых сплавов подтвердили такой вывод.
Список литературы
- Рыжов Э.В., Суслов А. Г. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
- Биргер И.А. Остаточные напряжения. — М: Машгиз. 1963, 233 с.
- Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах / Чернышев Г. Н., Попов A. JL, Козинцев В. М., Пономарев И. И. М., 1996.
- Технология приборостроения. Учебное пособие / Валетов В. А., Кузьмин Ю. П., Орлова А. А., Третьяков С. Д.,, СПб: СПбГУ ИТМО, 2008 -336 с.
- Дубоделова О.С., Ивченко Т. Г. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое детали при совместной обработке точением и обкатыванием. / Дубоделова О. С., Ивченко Т.Г.// Донецк: ДонНТУ, 2005, № 6. С. 132−135.
- Маталин А.А. Технология машиностроения. Учебник. М.: Изд. Лань, 2008. 512 с.
- Исследования и изобретательство в машиностроении: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / М. Ф. Пашкевич, А. А. Жолобов, Ж. А. Мрочек, JI. M Кожуро, В.М.Пашкевич- Под общ. Ред. М. Ф. Пашкевича. Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2005. — 287 с.
- Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. — 320с.
- Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М., Металлургия, 1989, 254 с.
- Сучков Г. М. Высокочувствительный электромагнитно — акустический преобразователь // Контроль. Диагностика. № 10. 2001. с. 3032.
- Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р Формирование технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях торсионных валов при обкатывании Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. / Блурцян Р. Ш., Блурцян И.Р // М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517с
- Овсеенко А.Н., Серебряков В. И., Гаек М. М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. М.: Янус-К, 2003, 296 с.
- Валетов В.А., Мурашко В. А. Основы технологии приборостроения / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006 — 180с.
- Васильков С.Д., Александров А. С., Афанасьев И. В. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава после механической обработки // Инструмент и технологии, № 3031,2009. С. 83−85.
- Технологические остаточные напряжения / Подзей А. В., Сулима A.M., Есвтигнеев М. И. и др. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.
- Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
- Меркулова Н.С., Иванова Т. О., Гринченко М. И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация // Упрочняющие технологии и покрытия, № 3, 2006. С.46−48.
- Технологические остаточные напряжения / Подзей А. В., Сулима A.M., Есвтигнеев М. И. и др. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.
- Жуковский В.К., Гохман А. Р. Связь коэффициента линейного температурного расширения с остаточными напряжениями // ЖТФ, т.79, Вып.4, 2009. С.90−96.
- Чернышев Г. Н., Попов A.JL, Козинцев В. М., Пономарев И. И. Остаточные напряжения в деформируемых твердых телах. М.: Наука, 1996. 356 с.
- Sommer С., Christ H.J., Mugraby Н. // Alfa Met. 1991. Vol. 39. N 6. P. 1177−1187.
- Одинцов И.Н., Щепинов В. П., Щиканов А. Ю. // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 11. С. 106−110.
- ГОСТ Р 52 891−2007 Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии. Общие требования. М.: Росстандарт, 2009. 12 с.
- Трофимов В.В., Башкарев, А .Я., Краус И. Рентгеновская тензометрия это так просто // В мире неразрушающего контроля, № 1(27), 2005. С.28−32.
- Боуэн Д. К., Таннер Б. К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография. М.- Наука, 2002. 274 с.
- Лиопо В.А., Война В. В. Рентгеновская дифрактометрия. Гродно: ГрГУ, 2003. 171 с.
- Хейкер Д.М., Зевин JI.C. Рентгеновская дифрактометрия М.: Мир, 1985. 380 с.
- Решенкин А. С. Магнитошумовой метод контроля состояния силовых конструкций // Автомобильная промышленность", № 8, 2005. С. 31−32.
- Шур В.Я., Кожевников B. JL, Пелегов Д. В., Николаева Е. В., Шишкин Е. И. Скачки Баркгаузена при движении одиночной сегнетоэлектрической доменной стенки // ФТТ, т.43, вып.6, 2001. С. 10 891 092.
- Эндоскопический контроль в промышленности. Электронный ресурс.: OmniScan MX ЕСА. М., [200-]. — Режим доступа http://www.mmmsystem.ru/pages/emiclm.htiTi.
- Чернышев Г. Н. Полезные и опасные остаточные напряжения / Г. Н. Чернышев, A.JI. Попов, В. М. Козинцев // Природа. 2002. № 10.
- Вишняков Я. Д., Пискарев В. Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М., Металлургия, 1989, 254 с
- Сучков Г. М. Высокочувствительный электромагнитно-акустический преобразователь // Контроль. Диагностика. № 10. 2001. с. 30 -32
- Блурцян Р.Ш., Блурцян И.Р Формирование технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях торсионных валов при обкатывании Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. / Блурцян Р. Ш., Блурцян И.Р // М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517с
- Эндоскопический контроль в промышленности. Электронный ресурс.: OmniScan MX ЕСА. М., [200-]. — Режим доступа http://www.mmmsystem.ru/pages/emiclm.htm
- Бураков А.И., Гутнер А. Б., Васильков Д. В., Васильков С. Д., Иванов С. Ю. Неразрушающий способ определения механических напряжений в поверхностном слое изделий из металлов и сплавов. Патент на изобретение № 2 327 124. ФИПС, 2006.
- Рожков В.Н. Контроль качества при производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 2007. 416 с.
- Палатник Е.Г., Равицкая Т. М., Островская Е. Л. Структура и динамическая долговечность сталей в условиях тяжелого нагружения. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. 160 с.
- Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах / Под ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968. Т.1, 831 е.- Т.2, 463 е.- Т. З, 567 с.
- Суслов А.Г. Технология машиностроения. М.: Машиностроение, 2004. 400 с.
- Ковалев А. В. Клюев В.В. Соснин Ф. Р. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник (под ред. Клюева В.В.) Изд. 3-е, перераб., доп. Изд. Машиностроение, 2005, 656с.
- Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник. / Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1976, т. 2.- 326 с.
- Поздеев А. А., Няшин Ю. И., Трусов П. В. Остаточные напряжения: теория и приложения. М.: Наука, 1982.112 с.
- Васильков Д.В., Вейд В. Л., Шевченко B.C. Динамика технологической системы механической обработки. СПб.: Изд-во «Инструмент», 1997.- 230 с.
- Васильков С.Д. Исследования по определению остаточных напряжений через удельное электросопротивление. Сб.научн.тр.
- Васильков С.Д., Александров А. С., Афанасьев И. В. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава после механической обработки // Инструмент и технологии, № 3031, 2009.
- Улыбин А.В., Васильков С. Д. Использование резистивного электроконтактного метода для контроля напряжённо-деформированного состояния элементов стальных конструкций. Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2009. — N6(91). — С.155−160.
- Безъязычный В.Ф. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 2004.
- Иванов С.Ю. Обеспечение геометрической точности маложестких деталей машин управлением технологическими параметрами обработки. / Автореф. канд. диссерт. Л.: СЗПИ, 1989. — 18 с.
- Металлы и сплавы. Справочник. В. К. Афонин, Б. С. Ермаков, Е. Л. Лебедев, Е. И. Пряхин, Н. С. Самойлов, Ю. П. Солнцев, В. Г. Шипша. Под ред. Ю. П. Солнцева. Изд. «Мир и семья», 2003 г. 1066с.
- Литвинов Ю.А., Боровик В. О. Характеристики и эксплуатационные свойства авиационных турбореактивных двигателей. Машиностроение. М. 1979 г. 288 с.
- Житомирский Г. И. Конструирование самолетов. Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. 406 с.
- Конструкционные материалы для летательных аппаратов: Учеб. пособие / П. Ф. Вербенец, В. В. Гайдачук, Я. С. Карпов, В. В. Кириченко. -Харьков- Харьк. авиац. ин-т, 1964. 109 с.
- Томашов Н.Д., Чернова Г. П. Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы. М.: Металлургия, 1986, 359с.
- Абраимов Н. В. Елисеев Ю.С., Крымов В. В. Авиационное материаловедение и технология обработки металлов. М.: Высшая школа, 1988. 444 с.
- Никитина Н.Е., Камышев А. В., Смирнов В. А., Борщевский А. В., Шарыгин Ю. М. «Определение осевых и окружных напряжений в стенке закрытой трубы ультразвуковым методом на основе явления акустоупругости». Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 49−54.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов, М., 1974,400с.
- Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. Аристова Н. А., Колобнев И. Ф. М., «Металлургия», 1977. 144 с.
- Кудрявцев И. В., Поверхностный наклеп для повышения прочности и долговечности деталей машин, 2 изд., М., 1969.
- Денисов А.В., Крымов В. М., Пунин Ю. О. Исследование оптических аномалий и остаточных напряжений в базисно ограниченных ленточных кристаллах сапфира, выращенных методом Степанова // ФТТ, т.49, вып. З, 2007. С.454−459.
- Tokuoka Т., Saito М. Elastic wave propagations and acoustical birefringence in stressed crystals // J. Acoust. Soc. Amer. 1969. — Vol. 45. — P. 1241−1246.
- Воробьев E.A. Конструирование устройств СВЧ. П.: Судостроение, 1985.
- Воробьев Е.А. Радиоволновой контроль судовых радиотехнических конструкций и материалов. JL: Судостроение, 1986.
- Воробьев Е.А. Исходные точностные критерии, необходимые для конструирования измерительной аппаратуры СВЧ-диапазона / Материалы НТК «Радиоизмерения-75», t.IV. Каунас Вильнюс, 1975.
- Власов В.Т., Дубов А. А. Физическая теория процесса «деформация разрушение». Часть I. Физические критерии предельных состояний металла. М.: ЗАО «Тиссо», 2007. 517с.
- Берестецкий В.Б., Лившиц Е. М., Питаевский Л. П. Квантовая электродинамика. // Теоретическая физика в 10 томах, т.4. М., «Наука». 1989. С. 421.
- И.Е.Тамм. Основы теории электричества. М., 1976. 616с.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: учебное пособие. В 10 т. Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1992. — 664с.
- Семенов А. С., Электроразведка методом естественного электрического поля, 3 изд., Л., 1980.
- Кочаров Э.А., Тараканов Ю. В. Способ электрического неразрушающего контроля токопроводящих материалов и устройств его реализации. Патент на изобретение № 2 256 906. ФИПС, 2002.