Введение к работе
Актуальность темы. Состояние поверхностного слоя является одним из важнейших показателей качества деталей машин и элементов конструкций. Работоспособность поверхностного слоя оценивается не только параметрами шероховатости поверхности, физико-механическими характеристиками, но и остаточными напряжениями.
Напряженное состояние поверхностного слоя деталей машин формируется как на этапах технологического процесса изготовления, так и во время экс-плуатации технических изделий. Для обеспечения высокой надежности машин и механизмов большое значение имеет периодический контроль их состояния при изготовлении, эксплуатации и ремонте. Именно такой контроль позволяет выявить напряженно-деформированное состояние (НДС) изделия и оценить его прочность, долговечность и надежность.
Современные неразрушающие методы определения НДС металлических изделий основаны на использовании косвенных закономерностей между деформированным (напряженным) состоянием металла и какой-либо физической характеристикой. Это приводит к значительным погрешностям результатов измерений, поэтому методы, основанные на физических эффектах, в настоящее время могут показать в основном только качественную картину напряженного состояния упрочненного или нагруженного изделия.
При современном уровне развития вычислительной и цифровой техники весьма перспективным, на наш взгляд, является метод определения деформаций и напряжений в поверхностном слое обработанных и (или) нагруженных изделий с использованием компьютерной микроскопии.
Идея использования микрофотоизображений для оценки деформированного состояния поверхностного слоя деталей машин, предложенная Смирно-вым-Аляевым в середине прошлого века, не нашла должного применения ввиду отсутствия необходимой вычислительной техники и видеоаппаратуры.
В данной работе рассматривается не только развитие метода, позволяющего определять как деформированное, так и напряженное состояние упрочненных изделий, но и разработка аппаратного комплекса для его практической реализации. В этой связи создание математической базы и разработка алгоритма для определения НДС поверхностно-упрочненного слоя позволит воздействовать на его качество и служить источником формирования нормативной базы для диагностики работоспособности деталей машин и элементов конструкций.
Цель и задачи исследования. Целью исследования данной работы является создание автоматизированной системы расчета деформироваїшого и напряженного состояния поверхностного слоя упрочненных изделий и деталей машин с использованием компьютерной микроскопии.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ формирования напряжений поверхностно-упрочненного слоя при изготовлении и эксплуатации изделий машиностроения;
разработать структурную схему системы анализа металлографического изображения деформированного слоя;
разработать методику определения напряженного состояния поверхностного слоя изделия по металлографическому изображению;
разработать алгоритм программы расчета напряжений и деформаций на основе компьютерной микроскопии;
создать компьютерную программу для расчета НДС поверхностно-упрочненного слоя с использованием методов неразрушающего контроля, численных методов, методов цифровой обработки графических изображений;
выполнить тестирование компьютерной программы по результатам экспериментального определения характеристик прочности и пластичности материалов;
определить деформированное и напряженное состояние цилиндрических образцов, упрочненных поверхностным пластическим деформированием;
определить остаточные напряжения в упрочненных образцах и сравнить их с результатами расчетов на основе компьютерной микроскопии;
применить созданную методику расчета напряженного состояния изделий на предприятиях машиностроительного профиля.
Методы и средства исследования. Для решения задач, поставленных в работе, были использованы методы обработки цифровых изображений, нераз-рушающие методы коїгтроля напряжений, численные методы определения НДС, а также натурные эксперименты по определению напряженного состояния в поверхностном слое стальных изделий.
Объект исследования. Объектом исследования является поверхностный слой деталей машин типа валов, осей, втулок.
Предмет исследования. Предметом исследования являются деформированное и напряженное состояние поверхностного слоя упрочненных изделий на основе компьютерной микроскопии.
Научная новизна исследования:
Разработана методика определения напряженного состояния поверхностного слоя упрочненных изделий по искажению микроструктурного изображения.
Создана структурная схема системы анализа металлографического изображения с использованием новейших цифровых технологий.
Разработана схема фильтрации металлографического изображения, обеспечивающая превращение исходного изображения в совокупность граничных линий для дальнейшего применения системы компьютерной диагностики.
Создан программный комплекс «Металлография», позволяющий определять напряженное и деформированное состояние на локальных участках поверхности без разрушения изделий.
Практическая ценность работы заключается в определении неразру-шающим методом напряженного и деформированного состояния поверхностного слоя нагруженных изделий, а также остаточных напряжений на поверхности упрочненных деталей.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 6-ой Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентноспособность» 22-23 мая 2008 г. (г. Брянск); на 7-ой Международной молодежной научно-технической
конференции «Будущее технической науки» 16 мая 2008 г. (г. Нижний Новгород), на 4-oii региональной научно-технической конференции «Технологическая механика материалов» 18-20 апреля 2007 г. (г. Иркутск); на 5-ой региональной научно-технической конференции «Технологическая механика материалов» 24-25 апреля 2008 г. (г. Иркутск); на 6-ой региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки конструкционных материалов» в апреле 2009 г. (г. Иркутск).
Полностью работа доложена на научном семинаре факультета технологии и компьютеризации машиностроения НИ ИрГТУ.
Автор защищает:
структурную схему системы анализа компьютерной микроскопии;
методику и математический аппарат определения НДС металла по микроструктурному изображению;
алгоритм автоматизированного расчета НДС деталей машин по металлографическому изображению;
компьютерную программу определения НДС поверхностного слоя по микроструктурному изображению зерен;
результаты экспериментальных исследований и компьютерной диагностики по определению напряжений и деформаций в стальных образцах, упрочненных поверхностным пластическим деформированием с использованием локальных и охватывающих процессов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников из 125 наименований, трех приложений. Работа изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 31 таблицу.
