Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы и перспективы применения метода магнитных шумов для контроля напряжений в изделиях из высокопрочных конструкционных сталей 10
1.1. Анализ причин разрушения валов машин и пути повышения ресурсов их работы 10
1.2. Эффект Баркгаузена и комплекс технологических проблем повышения эксплуатационных свойств валов машин 16
1.3. Анализ физических особенностей контроля с использованием магнитных шумов 22
1.4. Анализ информативных параметров и проблемы практической реализации метода магнитных шумов 27
Выводы 1 38
2. Анализ магнитных шумов в зависимости от уровня механических напряжений в высокопрочных сталях , 39
2.1. Статистическая модель формирования энергетических характеристик магнитных шумов 39
2.2. Статистическая модель формирования эмиссионных характеристик магнитных шумов 52
2.3. Прибор «АФС» для контроля методом магнитных шумов 58
2.4. Исследование взаимосвязи параметров магнитных шумов с уровнем микро- и макронапряжений 64
2.4.1. Эксперимент и оборудование 64
2.4.2. Исследование зависимости параметров магнитных шумов от уровня микронапряжений 66
2.4.3. Исследование зависимости параметров магнитных шумов от уровня макронапряжений 70
2.4.4. Исследование зависимости параметров магнитных шумов от остаточных деформаций 77
Выводы 2 90
3. Контроль технологических остаточныхнапряжений в торсионных валах 91
3.1.Оценка остаточных напряжений при поверхностном пластическом деформировании валов 91
3.2. Контроль режимов и параметров упрочнения стали при поверхностном пластическом деформировании 99
3.3. Разработка методики контроля технологических напряжений и качества упрочнения торбионных валов 115
Выводы 3 126
4. Совершенствование средств контроля напряжений в торсионных валах, использующих магнитные шумы 127
4.1. Первичные преобразователи и методика градуировки магнитошумового прибора для контроля механических напряжений 127
4.2. Компьютеризированная система магнитошумового контроля механических напряжений
4.2.1. Описание блока измерения и связи с ЭВМ 141
4.2.2. Описание алгоритма работы блока измерения и связи с компьютером 143
4.2.3. Методический пример адаптивной системы управления алмазным выглаживанием торсионных валов с использованием магнитных шумов ' 147
Выводы 4 150
Общие выводы по работе 151
Литература 153
Приложения 164
- Анализ физических особенностей контроля с использованием магнитных шумов
- Исследование взаимосвязи параметров магнитных шумов с уровнем микро- и макронапряжений
- Контроль режимов и параметров упрочнения стали при поверхностном пластическом деформировании
- Компьютеризированная система магнитошумового контроля механических напряжений
Анализ физических особенностей контроля с использованием магнитных шумов
При перемагничивании ферромагнитных материалов возникают скачки Баркгаузена (СБ), которые регистрируются индуктивным преобразователем в виде ЭДС СБ. Физической причиной ЭДС СБ являются необратимые скачки намагниченности, в основном 180 доменных границ (магнитный эффект Баркгаузена) [11, 22].
Характер смещения доменной границы в реальном ферромагнетике определяется энергетической функцией у(х), предположительный вид которой приведен на рис. 1.2 (в данном случае рассматривается одномерная модель смещения 180 доменных границ).
В отсутствии магнитного поля доменная граница устанавливается в таком положении, в котором dx , т.е. в положении энергетического минимума хо. При изменении внешнего магнитного поля Н на доменную стенку оказывает давление: Р = 21.-И, (1Л) где Is - намагниченность насыщения. Возникающее при этом смещение доменной границы (положение Xi) происходит до тех пор, пока это воздействие не уравновесится каким-либо давлением. Роль такого давления играет градиент плотности поверхностной dyjx) энергии доменной границы dx Если поле Н продолжает увеличиваться, то происходит необратимое перемещение (скачок) границы в положение х2, затем dyjx) в x3 (рис. 1.2(6)) и, если участков с большим градиентом нет, домена граница проскочит до физической границы ферромагнетика [55, 56 ,64]. Магнитный ЭБ возникает, когда внешнее магнитное поле превысит значение поля старта Н0 необратимого смещения 180 доменной границы в направлении х: Н0 (dy) dx где черта означает среднее значение градиента поверхностной плотности по граничной поверхности. Последняя формула объясняет многообразие форм эффекта Баркгаузена. Действительно, в случае неизменной площади границы, величина Н0 определяется градиентом внутренних напряжений и примет вид: Ро - коэффициент, зависящий от отношения толщины границы 5 к средней длине "волны" внутренних напряжений; - константа магнитострикции. Из (1.3) следует, что любое воздействие внешнего фактора на ферромагнетик, приводящее к изменению А0", приводит к изменению Но и является причиной появления скачков Баркгаузена.
Методика исследования магнитного ЭБ известна [11, 99] и поясняется, например, на рис. 2.9. Исследуемый образец или участок образца перемагничивается линейно изменяющимся циклическим магнитным полем H(t), возникающие при этом в измерительной катушке импульсы ЭДС e(t), обусловлены скачками Баркгаузена и периодически повторяющиеся на каждом цикле перемагничивания, регистрируются и анализируются средствами импульсной техники. Регистрируемый таким образом поток импульсов ЭДС характеризует ЭБ следующим образом:
1. Форма импульса ЭДС СБ имеет вид экспоненциально затухающего сигнала [11, 99].
2. Объем, в котором происходит изменение намагниченности при одном скачке, имеет порядок 10 4 мм3, амплитуда импульса ЭДС в измерительной катушке 10"4 -г-10"3 В, длительность 10 6 -г- 10"3с{39, 41]. ,
3. Распределение СБ по величине магнитного момента, амплитуде и длительности импульсов ЭДС СБ во многом идентичны и характеризуются наличием наиболее вероятного значения [11, 99].
4. Спектральная плотность ЭДС имеет две характерные частоты і (Ю3 Гц), и CU2 (5 105 Гц), выше и ниже которых наблюдается спад кривой спектральной плотности. С увеличением скорости перемагничивания частота ! повышается, а частота 2 практически не меняется. Характерно, что спектральная плотность достигает максимума при полях порядка коэрцитивной силы и определяется формой одиночного импульса от СБ [5, 11, 99].
Исследование взаимосвязи параметров магнитных шумов с уровнем микро- и макронапряжений
При экспериментальном исследований были использованы образы сталей углеродистые легированные (35ХЗНМ, 30ХГСН2А, 45X1).
Различный уровень микронапряжений и, соответственно, прочностных свойств задавался посредством изменения температуры отпуска или старения образцов. Температуры отпуска и количество групп образцов сталей выбирались таким образом, чтобы степень изменения механических свойств между группами образцов составляла 5 + 15%, а весь диапазон изменения охватывал наиболее часто встречающиеся в машиностроении режимы термообработки деталей из этих сталей.
После термообработки на трех образцах - свидетелях из каждой группы определялись механические свойства (ао.2 И твердость в единицах НВ или HRC, относительное сужение vj/, ударная вязкость KCV для мартенситностареющих сталей), исследовалась их структура.
При определении механических свойств использовались разрывные образцы по ГОСТ 1497-73, ударные по ГОСТ 9454-78 и стандартные методики испытаний. Микроструктура образцов определялась посредством металлографического анализа с применением микроскопа Neophot при увеличении Х500.
Режимы термообработки, механические характеристики, усредненные по результатам испытаний трех образцов - свидетелей, а также результаты исследований структуры образцов каждой группы сведены в таблице 2.1. Для исследований параметров МШ использовались плоские разрывные образцы с отверстиями под шпильки, сечением рабочей части 2 х 16 мм.
Рабочие части образцов шлифовались до шероховатости поверхности - =2,5 мкм. Шлифование проводилось с обильным охлаждением для предотвращения разогрева. Нагружение образцов осуществлялось с помощью разрывной машины Р10, позволяющей создавать усилия до 105 Н и регистрировать диаграмму нагружения. Для исследования параметров МШ использовался прибор АФС-3 (см. п. 2.3). Результаты раздела 2.1, 2.2 экспериментально подтверждались изучением характера взаимосвязи параметров ОМШ с микронапряжениями в сталях. Уровень микронапряжений изменялся режимом термообработки сталей табл. 2.1.
Сравнительная оценка уровней микронапряжений может быть проведена путем измерения твердости образцов, поскольку характер изменения твердости и микронапряжений в зависимости от температуры отпуска углеродистых и легированных сталей практически идентичен. На рис.2.13 приведены зависимости твердости и показателя уровня микронапряжений - ширины рентгеновской линии 211 (a-Fe), полученный с помощью дифрактометра "Дрон - 2,0" в FeKa излучении, - от температуры отпуска образцов из ст. 35ХЗНМ и 30ХГСН2А. Кроме того, при анализе дифрактограмм различных образцов не было зафиксировано существенного смещения рентгеновских линий, что свидетельствует об отсутствии в них макронапряжений.
Параметры МШ регистрировались с использованием прибора «АФС-3» с накладным преобразователем П - образного типа с режимами работы: частота тока перемагничивания 10 Гц, его амплитуда 0,6 А, интервал осреднения 0,025 Тп.
На рис.2.14 приведены огибающие распределения МШ e(t) для образцов из стали 30ХГСН2А с различной термообработкой (табл. 2.1 группы 2.0, 2.1, 2.2 и 2.3). Из рис.2.13 и 2.14 видно, что с повышением температуры отпуска и снижением микронапряжений в тали максимум ОМШ Emax увеличивается, а его положение на периоде перемагничивания t,/Tn смещается в область меньших полей старта СБ. Такая закономерность изменений параметров МШ имеет общий характер, наблюдалась для всех групп сталей таб. 2.1 и соответствует теоретическим положениям п. 2.1 и рис. 2.2. Уменьшение микронапряжений с повышением температуры отпуска связано со структурными изменениями в сталях (в основном распадом мартенсита), что улучшает их магнитные свойства: уменьшает магнитную жесткость (коэрцитивную силу, смещает ОМШ e(t) в область меньших полей старта СБ, увеличивает Emax).
Предварительные исследования показали, что регистрация параметров ОМШ: максимального значения Emax и его положения tj/Tn связано со значительным разбросом результатов измерений из-за случайного характера МШ. Поэтому для практических целей измерялось средневыпрямленное значение МШ Е, характер, изменений которого идентичен Emax. Однако, воспроизводимость результатов измерений параметра Е в среднем в 2,5 раза выше воспроизводимости параметра Emax и разброс не превышает 2%. Соответственно, разрешающая способность прибора АФС при контроле напряжений по параметру Е составляет -0,5 кг/мм при доверительной вероятности 0,95 и несколько ниже, чем для параметра Emax - 1,2 кг/мм .
Контроль режимов и параметров упрочнения стали при поверхностном пластическом деформировании
Исследования п. 2.4.4. показали, что естественная избирательная чувствительность МШ к изменению физико-механических свойств в поверхностных слоях, делает этот метод перспективным при контроле ППД. Неоднозначность изменений МШ при ППД приводит к необходимости использовать при контроле текущих энергетических и эмиссионных характеристик МШ с применением метода амплитудной селекции.
Режимы упрочнения различных способов ППД в зависимости от требуемых эксплуатационных свойств изделий можно варьировать в широких пределах. Установление связи параметров МШ с технологическими факторами упрочнения позволило бы по результатам неразрушающего контроля проводить корректировку режимов упрочнения и тем самым активно воздействовать на процесс изготовления изделий.
При упрочнении дробью целесообразным является контроль давления воздуха упрочняющем устройстве Р, диаметра дроби D, п- количество дроби, и времени ППД т. Данные факторы определяют величину контактного давления и число повторных деформаций.
Для прогноза, эпюры остаточных напряжений в рассматриваемом диапазоне изменяющихся факторов ППД проводился регрессионный эксперимент. Рассматривался процесс двухэтапной обработки образцов дробью с помощью пневмодинамического устройства [62, 63].
Остаточные напряжения измерялись методом непрерывного травления с помощью установки ПИОН-2 [62]. Обработка результатов экспериментов позволила получить следующую зависимость распределения остаточных напряжений от технологических факторов обработки поверхности дробью [10, 66, 94]:
Разработанная модель достаточно информативна и адекватна экспериментальным данным при 95% уровне доверительной вероятности.
Теоретическая и экспериментальная оценка остаточных напряжений при ППД. Сопоставление эпюр полученных экспериментальным и теоретическим методами говорит о их высокой степени сходимости (рис. 3.4). Ошибка оценки остаточных напряжений в поверхностном слое на расстоянии 80... 100 мкм от поверхности составляет не более 20%. Анализ влияния технологических факторов на формирование эпюры распределения остаточных напряжений позволил выявить закономерности ее изменения. г
При двухэтапном нагружение поверхности деталей дробью характеризующееся на первом этапе "жестким" воздействием (Р=0,3 МПа; D=4 мм), а затем на втором этапе уменьшением энергетического воздействия (Р=0,2 МПа; D=2 мм), позволяет перераспределить эпюру остаточных напряжений таким образом, что максимальные остаточные сжимающие напряжения смещаются к поверхности, что способствует повышению усталостной прочности деталей.
Зависимость остаточных напряжений в тонком подповерхностном слое (h=0) от технологических факторов представлена на рис. 3.5 - 3.7. Характер зависимости остаточных напряжений в подповерхностном слое деталей от диаметра дроби на первом этапе обработки определяется давлением воздуха в пневмосистеме. При давлении воздуха на первом этапе 0,2 МПа и изменении диаметра от 2 до 4 мм остаточные напряжения уменьшаются от 1,1 до 1,0 ГПа, но при давлении 0,4 МПа остаточные напряжения увеличиваются от 1,1 до 1,16 ГПа. Характер зависимости остаточных напряжений от диаметра на втором этапе также определяется давлением воздуха. При давлении воздуха на втором этапе 0,2 МПа и изменении диаметра от 2 до 4 мм остаточные напряжения имеют тенденцию к снижению от 1,1 до 0,74 ГПа. Увеличение давления до 0,4 МПа приводит к уменьшению остаточных напряжений от 1,3 до 1,03 ГПа. Зависимость остаточных напряжений в подповерхностном слое деталей от изменений давлений воздуха на первом и втором этапах представлена на рис. 3.6. При изменении давления воздуха на первом этапе от 0,2 до 0,4 МПа и давления на втором этапе 0,2 МПа остаточные напряжения увеличиваются от 0,83 до 0,97 МПа. При давлении воздуха на втором этапе 0,4 МПа остаточные напряжения уменьшаются от 1,26 до 1,23 ГПа. При диаметре дроби на первом этапе 2 мм остаточные напряжения 1,3 ГПа смещены на глубину 10 мкм от поверхности. При диаметре дроби 4 мм - остаточные напряжения 1,3 ГПа смещены на глубину 30 мкм. На втором этапе остаточные напряжения при диаметре дроби 4 мм смещены на глубину 40 мкм.
Применение методы МШ для контроля остаточных напряжений позволяет создать инструмент для отладки технологии производства изделий из высокопрочных сталей с применением ППД.
Компьютеризированная система магнитошумового контроля механических напряжений
Недостатком прибора АФС по п.2.3 является ручной способ регистрации огибающих МШ. Для автоматизации этого процесса разработан микропроцессорный вариант обработки этих сигналов, позволяющий реализовать режимы регистрации экстремальных и текущих параметров (см.пп.2.1, 2.2, 3.2) и производить статистическую обработку сигналов МШ [101, 105, 106, 107].
На рис. 4.11 представлена принципиальная схема блока измерения и связи с ЭВМ. В основе данной схемы лежит микросхема D1 (РІС 16С67) -" представляющая собой микроконтроллер (микро-ЭВМ), который включает в себя микропроцессор, память программ, память данных, таймер, последовательный порт с протоколом связи І2С, последовательный порт с протоколом связи SPI, а также цифровые порты для подключения внешних устройств. Для выработки тактовых импульсов, необходимых для работы микроконтроллера, применяется генератор собранный на микросхеме D3 (XTAL). Микросхема D2 (МСР 130) вырабатывает для микроконтроллера сигнал сброса при включении питания, а также при перебоях в питании. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) собран на микросхеме D4 (МСР 3201). Для согласования микроконтроллера с последовательным портом ЭВМ (RS-232C) используется микросхема D5 (МАХ 233).
Принцип работы: После включения питания микроконтроллер приступает к выполнению заложенной в него программы (приложение 1). Программа заложена в постоянной энергонезависимой памяти микроконтроллера. В процессе выполнения программы реализуются следующие действия: АЦП (D4) преобразует сигнал магнитного шума, который поступает в схему измерения с прибора АФС через разъем РЗ, в соответствующий цифровой код. Микроконтроллер (D1), связанный с АЦП при помощи последовательного порта с протоколом I2C, последовательно считывает каждый бит оцифрованного сигнала и заносит его (сигнал) в собственную память данных. Для синхронизации измерений с процессом перемагничивания в микроконтроллер, из прибора АФС-5, поступает строб-импульс через разъем iP2. По заложенной программе микроконтроллер рассчитывает параметры магнитного шума, а по ним, силу выглаживания, которая в виде цифрового кода, через разъем Р1, подается на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (на схеме не показан). ЦАП преобразует цифровой код в соответствующее напряжение, которое через усилитель мощности (на схеме не показан) питает катушку электромагнита (на схеме не показан). В свою очередь электромагнит изменяет усилие выглаживания детали и как следствие уровень остаточных напряжений в поверхностном слое.
Связь с ЭВМ осуществляется по стандартному последовательному протоколу SPI. Для согласования уровней напряжений микроконтроллера и порта ЭВМ (RS-232C) используется микросхема D5. Подключение блока измерения к ЭВМ осуществляется через разъем Р4.
Генератор (D3) вырабатывает тактовые импульсы с частотой 6,4 МГц.
Конденсаторы С1 - С5, установленные непосредственно рядом с микросхемами Dl - D5, необходимы для сглаживания пульсаций напряжений.
Питание блока измерения осуществляется от прибора АФС.
Для автоматизации процесса регистрации параметров МШ и увеличения быстродействия разработан блок измерения и связи с компьютером (БИСК) — модернизированный вариант - 2.
Основу БИСК составляет 10 битный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с последовательным интерфейсом типа TLC-1549. Так же в БИСК входит двухпериодный детектор и активный фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка.
Принцип работы БИСК: Сигнал МШ снимается с предварительного усилителя прибора АФС и поступает на двухпериодный детектор собранный на операционных усилителях. Выпрямленный сигнал МШ (МАШ) поступает на активный ФНЧ второго порядка с частотой среза 80 Гц. Далее сигнал с ФНЧ поступает на АЦП, который преобразует его (сигнал) в цифровую форму. Оцифрованный сигнал передается в компьютер через последовательный канал RS - 232С. Пример сигнала ОМШ приведен в приложении 2.
В начале программы (см. приложение 1) происходит инициализация АЦП. Затем вызывается процедура установки нуля. Опишем данную процедуру более подробно.
На выходе предварительного усилителя прибора АФС присутствует шум, который обусловлен как тепловыми шумами самого усилителя, так и !- индустриальными помехами. Для того чтобы отстроиться от данного шума, в программе предусмотрена процедура установки нуля, которая в течение некоторого времени (порядка нескольких секунд) производит поиск максимального значения шума. Полученное максимальное значение принимается за уровень шумов (Min), а удвоенное значение - за уровень сравнения (2 Min).
После установки нуля программа ожидает, когда измеряемый сигнал превысит уровень сравнения. Этот момент времени является точкой старта (Start). Точкой финиша (Finish) является момент, когда измеряемый сигнал снизится ниже уровня сравнения. На интервале от старта до финиша подсчитывается среднее значение сигнала (Еср), максимальное значение сигнала (Emax), а так же время появления максимальное значения (Ттах), отсчитываемое от точки старта. Так же вычисляются параметры Р = Emax Tmax и R = Emax / Tmax.
Для более точного измерения выше приведенных параметров все вычисления проводятся за 5 циклов, после чего находится их среднее значение.
После проведения измерений программа выводит измеренные параметры на дисплей компьютера, после чего весь цикл измерений начинается сначала (процедура установки нуля больше не выполняется).
Разработанная система БИСК позволила организовать связь прибора АФС с компьютером и значительно расширить его технические возможности:
1. Появилась- возможность автоматически регистрировать огибающие МШ с последующим их выводом на дисплей компьютера;
2. Получать параметры огибающих МШ в автоматическом режиме с последующей их записью на жесткий диск;
3. Проводить корреляцию полученных параметров с физико-механическими свойствами исследуемых сталей;
4. Работать- в режиме обучения, когда по выборке- образцов производится градуировка шкалы прибора, и контроля - с использованием этой градуировочной шкалы.
