CC BY
30
УДК 660.245'293'295.018.027
Оценка параметров качества винтовой пружины сжатия из стали 65С2ВА акустическими методами
Д. А. Беспалов, М. Ю. Силаев, В. В. Ворошилин, Е. Ю. Ремшев
Прогнозировать изменения эксплуатационных характеристик напряженных деталей (пружин, резьбовых соединений и т. д.) в процессе длительного хранения сложно, поскольку требуются длительные прямые наблюдения. Разработчикам изделий целесообразно уже на стадии НИОКР организовывать научно-практическое решение этой проблемы, закладывать в технические требования все особенности эксплуатации детали при длительном хранении. Подобные исследования являются приоритетными, и наряду с классическими испытаниями по исследованию несущей способности (ползучести, релаксации) пружин методами длительной статической, циклической и динамической нагрузки в настоящее время активно разрабатываются методики оценки основных эксплуатационных свойств упругих элементов методами неразрушающего контроля, в том числе акустической эмиссии.
Ключевые слова: пружины, сталь 65С2ВА, акустическая эмиссия (АЭ), релаксация.
В настоящее время винтовые пружины сжатия из рессорно-пружинной стали используются в различных отраслях промышленности. Винтовые пружины сжатия работают при статических и циклических нагрузках, а также при низких и высоких температурах. Изготовление пружин сжатия из рессорно-пружинной стали обусловлено ее высокими упругими и вязкими свойствами, а также рабочим интервалом температур от -60 до +120 °С. Рессорно-пружинная сталь поставляется в бухтах и в виде прутков. Поступивший материал подвергается входному контролю материала (отрезают образец от бухты), который заключается в визуальном осмотре с применением лупы пятикратного увеличения, а также в навивке образца для выявления раскрытия трещин на поверхности проволоки (рис. 1).
Сверяют данные сертификата, а именно химический состав и механические свойства. В табл. 1 представлены результаты оценки механических свойств стали 65С2ВА при закалке в соляной ванне и обычной печи.
При визуальном осмотре на проволоке наблюдаются дефекты (рис. 2), которые не до-
пустимы для изготовления ответственных пружин. При обнаружении дефекта материал бракуют и не используют в технологическом процессе.
Все дефекты на проволоке, как правило, являются концентраторами напряжений, которые приводят к возникновению
Рис. 1. Схема навивки пружин для определения дефектов проволоки после навивки
Таблица 1
Механические свойства стали 65С2ВА в зависимости от режима термообработки
Режим ТО °0,2, кг/мм2 кг/мм2 5, % °0,05, кг/мм2
Закалка 860 °С, масло, отпуск 400 °С 1860 2060 8 1670
Закалка 860 °С, масло, отпуск 450 °С 1670 1670 10 1550
Закалка в соленой ванне 860 °С, отпуск 420 °С 1600 1668 3,45 1507
МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 2. Микроструктура и дефекты проволоки рес-сорно-пружинной стали 60С2А: а — поверхностные дефекты проволоки 60С2А, х5; б — микроструктура тарельчатых пружин из стали 60С2А после закалки (860 °С) и отпуска (420 °С)
микро- и макротрещин и могут привести к разрушению пружины. Так как нет методики, позволяющей оценить качество всей бухты на наличие дефектов, то разработка и совершенствование входного контроля на производстве актуальны, а применение современных методов неразрушающего контроля может повысить качество изготавливаемой продукции. Одним из эффективных методов неразрушающего контроля является акустическая эмиссия (АЭ). На базе кафедры Е4 БГТУ «Военмех» разработана методика прогнозирования оценки эксплуатационных свойств тарельчатых пружин из титанового сплава ВТ-23 методом АЭ [1]. Данная методика была внедрена на производстве в технологический процесс и показала свою эффективность.
Повысить эффективность входного контроля и оценить качество конечного изделия невозможно без установления закономерностей между параметрами микро- и макроструктуры, дефектности в виде трещин, оптимальными механическими свойствами с параметрами качества конечного изделия. Классифицируя дефекты пружины по степени их опасности для изделия и эксплуатационных свойств, необходимо установить закономерности между параметрами регистрирующего оборудования (например, ультразвука, прибора АЭ) и дефектами изделия. Изготовление пружин состоит из трех операций: 1) навивки пружин,
обрезки концов, шлифовки опорных витков; 2) термической обработки пружин (закалки, отпуска, старения); 3) заневоливания. Заневоливание — это сжатие пружин до максимальной нагрузки (соприкосновение витков) с последующей выдержкой в течение 12, 24 или 48 ч. Заневоливание связывают со стабилизацией геометрических параметров и деформационно-силовой характеристики пружин, а точнее — со стабилизацией напряжений формирующихся в процессе изготовления пружин. В различных источниках процессы, происходящие в материале пружины при за-неволивании, описывают по-разному, некоторые авторы связывают эти явления с микроструктурным перераспределением на уровне межзеренного взаимодействия, некоторые объясняют это внутризеренным взаимодействием различных фаз в материале пружин. Так или иначе это связано с формированием напряжений первого или второго рода и, как следствие, с изменением деформационно-силовых характеристик готовых пружин.
В рамках проведения экспериментального исследования оценки эксплуатационных свойств винтовой пружины неразрушающим методом АЭ изготовлены три группы пружин по одному технологическому процессу. Пружины 2-й группы подвергнуты статическому сжатию до рабочей нагрузки и выдержаны в течение 60 суток. Пружины 3-й группы сжаты до максимальной нагрузки и выдержаны в течение 300 суток. Статическое испытание предназначено для определения влияния длительного сжатия пружин на эксплуатационные свойства. Результаты испытания статического сжатия представлены в виде графической зависимости (рис. 3). На графике представлены пружины, имеющие максимальные значения релаксации.
7 6
^ 4
> О
К 3 2 1
50 100 150 200 250
Выдержка в сжатом состоянии, сутки
300
Рис. 3. Релаксационная стойкость пружин 2-й и 3-й групп в течение 60 и 300 суток: —■--пружина 2-4; —г--пружина 3-5
0
Из графика видно, что сжатие пружин 4 группы 2 в течение 60 суток не превысило значения релаксации 1 %, но видно, что рост релаксации только начинается, что отображает пружина 5 группы 3, выдержка которой привела к максимальному значению релаксации 6,2 % при выдержке в течение 180 суток. А дальнейшая выдержка в сжатом состоянии приводит к стабилизации (снижению) значения релаксации, и в последней контрольной точке значение релаксации не превысило 2 %.
Следующий этап экспериментального исследования — троекратное обжатие пружин до деформации S = 133 мм с регистрацией сигналов АЭ. Троекратное обжатие представляет собой три цикла (сжатие до деформации S = 133 мм, разгрузка до 0), непрерывных во времени. Схема проведения испытания приведена на рис. 4.
Обжатие пружин производили на испытательной машине Shimadzu с максимальным усилием 10 кН. Пружины обжимали на оправке. Датчик АЭ устанавливали на опорный виток пружины, место контакта смазывали. Для фиксации датчика применяли оправку, а для плотного прилегания использовали упругий элемент. Сигналы АЭ записывали прибором АЭ. На испытательной машине Shimadzu были построены графики сила — ход и сила — время. Для измерения силовой характеристики пружин во время 3-кратного обжатия выбрана точка, равная деформации 128 мм. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.
Так как процесс обжатия был непрерывен во времени, то ввели новую величину — суммарное количество сигналов АЭ за три цикла обжатия (Na-3)). Замечено, что при каждом цикле обжатия изменяется деформационно-силовая характеристика пружины, т. е. присутствует релаксация (рис. 5).
Таблица 2
Результаты зарегистрированных сигналов в процессе троекратного обжатия и суммарное количество сигналов АЭ
Группа № пружины N£(4-6)
1 1 2,0 • 106
3 1,1 . 106
2 1 3,0 . 104
2 2,4 . 104
3 1 6,0 . 104
3 5,6 . 104
Р, Н 11 00010 0009 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Время, с
Рис. 5. График, построенный испытательной машиной Shimadzu, сила — время
Как видно из табл. 1, пружины второй и третьей групп имеют меньшее количество сигналов, чем пружины первой группы. Можно сказать, что длительное сжатие пружин до максимальной деформации привело к большему числу зарегистрированных сигналов, чем пружин, выдержанных в течение 2 месяцев, сжатых до рабочей деформации.
Следующим этапом исследования было за-неволивание пружин в течение 48 ч с регистрацией сигналов АЭ. Сжатие пружин осуществлялось на оправке с использованием испытательной машины ГМС-50. Схема испытания представлена на рис. 6.
•Л','.','. '-'.-T V . '.■ \
Рис. 4. Схема 3-кратного обжатия пружины до деформации в = 133 мм с регистрацией сигналов АЭ: 1 — пружина; 2 — пуансон; 3 — датчик АЭ; 4 — прижим (резиновый); 5 — обойма; 6 — усилитель сигналов; 7 — устройство АЭ; 8 — провода
И
izszP
Рис. 6. Схема сжатия пружины до максимальной деформации с регистрацией сигналов АЭ:
1 — пружина; 2 — пуансон; 3 — датчик АЭ; 4 — прижим (резиновый); 5 — обойма; 6 — звукосниматель; 7 — устройство АЭ; 8 — провода
5
2
1
МЕТ^ЛЛООБРАБОТКЛ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Пружину устанавливали на траверсу испытательной машины, датчик АЭ устанавливали на опорный виток пружины, для крепления датчика использовали оправку, а для лучшего контакта датчика с поверхностью опорного витка использовали смазку, прижим датчика осуществляли упругим элементом. Пружину сжимали до максимальной деформации (до соприкосновения витков) и выдерживали в течение 48 ч, сигналы регистрировались прибором АЭ. Результаты зарегистрированных сигналов в процессе испытания представлены в табл. 3.
Для того чтобы определить влияние занево-ливания на пружины и параметры АЭ, после заневоливания провели повторное троекратное обжатие пружин, результаты представлены в табл. 4.
Из табл. 4 видно, что заневоливание влияет по-разному на каждую пружину. Например, пружина 1 группы 3 до заневоливания имела 6,0 . 104 зарегистрированных сигналов, а после заневоливания — уже 3 . 104 зарегистрированных сигналов, т. е. в два раза меньше, а при за-неволивании зарегистрировано всего лишь 79 сигналов. Для сравнения эксплуатационных свойств пружин до и после заневоливания построена гистограмма (рис. 7). Для сравнения взяты результаты максимального значения релаксации, полученные при троекратном обжатии пружин до заневоливания и после.
Таблица 3
Количество сигналов, зарегистрированных в процессе выдержки пружины в сжатом состоянии
Группа № пружины N 1узанев
1 1 1775
3 538
2 1 454
2 3264
3 1 1993
3 79
Таблица 4 Результаты зарегистрированных сигналов в процессе троекратного обжатия (суммарное количество сигналов АЭ)
Группа № пружины N 1(4-6)
1 1 1,5 . 106
3 2,7 . 106
2 1 11.105
2 0,3 . 105
3 1 3,0 . 104
3 2,0 . 104
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
21
22
31
33 11 13
Рис. 7. Максимальная релаксация при троекратном обжатии до и после заневоливания: Щ — до заневоливания; Ц
после заневоливания
Из гистограммы хорошо видно, как занево-ливание влияет на эксплуатационные свойства, у всех пружин наблюдается уменьшение релаксации. А у пружины третьей группы наблюдается увеличение значения релаксации, также зарегистрированные сигналы при заневолива-ние у этой пружины наименьшие. Таким образом, можно предположить, что меньшее количество зарегистрированных сигналов говорит о росте релаксации. В связи с этим предположением требуется исследовать процессы появления сигналов АЭ при заневоливании в мар-тенситных рессорно-пружинных сталях, определить необходимое время выдержки пружин в сжатом состоянии (заневоливание) для стабилизации внутренних напряжений, приводящих к стабильным эксплуатационным свойствам пружин, исследовать процесс сжатия пружин при повышенных температурах и определить время выдержки пружин при повышенных температурах.
Литература
1. Кукуня Ю. С., Ремшев Е. Ю. Разработка методик оценки и прогнозирования качества машиностроительных изделий методом акустической эмиссии // Сб. тр. «2-й Всероссийский конгресс молодых ученых». СПб.: ИТМО, 2013. С. 229-230.
2. Упругие элементы из композиционных материалов / Е. Ю. Ремшев [и др.] // Тр. 5 Общерос. молодежной науч.-техн. конф. «Молодежь. Техника. Космос». СПб.: БГТУ, 2013. С. 146-147.
3. Влияние аэротермоакустической обработки на свойства деформированных титановых сплавов/ Г. А. Данилин [и др.] // Металлообработка. 2013. № 1. С. 50-59.
