Способ определения механических напряжений в деталях, изготовленных на металлорежущих станках


 


Владельцы патента RU 2498241:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано в машиностроении. Способ заключается в измерении магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, в заданных точках на поверхности изделия углов наклона площадок наибольших главных напряжений, в подготовке пластин-образцов из материала исследуемого изделия, контроле в них изменения углов наклона площадок наибольших главных напряжений в ходе нагружения. При этом в срединной части пластин-образцов наносят определенным образом риски, формирующие полосы заданной ширины и шероховатости поверхности. В пределах полос до и после нагружения пластин-образцов контролируют изменение углов наклона площадок наибольших главных напряжений к продольным осям пластин-образцов. По результатам контроля делается вывод о возможности применения магнитоупругого метода для определения напряжений в изделиях с различными шероховатостями поверхностей. Технический результат заключается в повышении точности измерений механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, прошедших обработку на металлорежущих станках. 1 ил., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения двухосных механических напряжений магнитоупругим методом и может быть использовано в машиностроении.

Известен способ предотвращения усталостного разрушения /1/, включающий нанесение координатной сетки на поверхность детали в местах концентрации напряжений, проведение измерений в узлах сетки магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений (они же углы наклона площадок наибольших главных напряжений), построение графика с участками, соответствующими различным периодам в процессе накопления усталости металла, отличающийся тем, что в ходе эксплуатации деталей машин и элементов конструкций, испытывающих циклические нагрузки, строят график изменения значений углов наклона касательных к траекториям (изостатам) наибольших главных напряжений, определяя три участка: первый - нестабильный - релаксации остаточных напряжений от воздействия циклических внешних эксплуатационных нагрузок; второй - стабильных напряжений после релаксации; третий - ступенчатого изменения значений измеряемых углов, соответствующий этапу зарождения и развития трещины, а после регистрации начала третьего участка эксплуатацию контролируемого изделия прекращают, предупреждая его последующее разрушение.

Однако этот способ не позволяет определять механические напряжения, ни остаточные, ни эксплуатационные, ни их суперпозицию.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому изобретению является способ определения механических напряжений /2/, заключающийся в измерении магнитоупругим датчиком в заданных точках координатной сетки на поверхности исследуемого изделия алгебраической разности главных напряжений, определении их направлений и вычислений значений компонент тензора напряжений с использованием граничных условий на свободном контуре. Этот способ предполагает, с целью повышения точности измерений, путем исключения погрешности магнитоупругого датчика, обусловленной влиянием свободного контура (края изделия), предварительно, на нагруженной пластине-образце определять с помощью магнитоупругого датчика ширину зон у свободного контура, в которых измеренные напряжения отличаются от заданных нагруженном пластины. Измерения на поверхности исследуемого изделия производят, начиная с точек, отстоящих от свободного контура на расстоянии, равном ширине указанной зоны.

Однако данный способ не обеспечивает точности измерений напряжений в деталях, обработанных на металлорежущих станках. В частности, при фрезеровании на обработанных поверхностях остаются упорядоченные (структурированные) риски, нарушающие магнитную анизотропию верхнего слоя металла, вызванную механическими напряжениями, лежащую в основе работы магнитоупругого преобразователя (магнитоупругого датчика).

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение точности измерений путем исключения из процесса измерений деталей, имеющих недопустимо высокие для магнитоупругого метода значения шероховатости поверхностей, полученных механической обработкой.

Поставленная задача решается за счет того, что в срединной части пластин-образцов наносят прямые риски от края до края под углом сорок пять градусов к продольным осям пластин-образцов, формируя полосы рисок шириной не менее трех величин базы измерений магнитоупругого датчика с различными значениями шероховатости поверхностей полосы для каждой пластины-образца, в контрольных точках в пределах полос до нагружения определяют углы наклона площадок наибольших главных остаточных напряжений к продольной оси пластины-образца, пластины-образцы поочередно устанавливают в разрывную машину, ступенчато нагружают до предела пропорциональности при растяжении данного материала, контролируют изменение углов наклона площадок наибольших главных напряжений к продольной оси пластины-образца в контрольных точках, по результатам контроля пластины-образцы относят к одной из двух частей: к первой - если значения измеряемых углов стали равны нулю градусов вследствие поворота направления наибольшего главного напряжения строго вдоль направления нагружения; ко второй - если этого при нагружении не произошло, производят измерения напряжений в реальных изделиях исключительно на поверхностях со значениями шероховатости не выше значений шероховатости полос, на пластинах-образцах, отнесенных к первой части.

Пример. Фигура поясняет заявляемый способ. Представлена пластина-образец 1 с нанесенной на ее срединную часть от края до края полосой 2 прямых рисок под углом сорок пять градусов к продольной оси пластины-образца 1. Ширина полосы 2 рисок составляет не менее трех величин базы измерений магнитоупругого датчика (не показан).

В поле полосы 2 отмечены три контрольные точки 3 под измерения в них магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, углов наклона площадок наибольших главных напряжений к продольной оси пластины-образца 1.

Способ осуществляли следующим образом. Из стали Ст3 изготовили шесть пластин-образцов 1 с габаритами 300×50×4 мм. В срединной части одной из сторон каждой пластины-образца 1 наносили от края до края полосу 2 прямых рисок шириной 35 мм. Эта ширина более чем в три раза превышает величину базы измерений магнитоупругого датчика равную 10 мм, используемого в данном случае магнитоупругого измерителя ИМН-4М разработки Воронежского государственного технического университета. Угол наклона рисок к продольной оси пластины-образца 1 составляет сорок пять градусов. На пластины-образцы 1 наносили обработкой на вертикально-фрезерном станке ФП17МН полосы 2 с шероховатостями Rz 320, Rz 160 и Rz 80. Плоскость, формируемую фрезерованием, выставляли по ходу фрезы при помощи технологического приспособления для контроля точности позиционирования детали. Фреза-специальная цилиндрическая, предназначенная для рифления плоских поверхностей. Полосы 2 с шероховатостью Rz 40 и Rz 20 наносили на две следующие пластины-образцы 1 вручную специально заточенным инструментом. Полосу 2 с шероховатостью Rz 2,5 получили на последней пластине-образце 1 обработкой с помощью плоско-шлифовального станка 3Г71.

Контроль шероховатости полос 2 осуществляли индикатором часового типа ИЧ-10 ГОСТ 577-68 со специальной иглой и профилометром М-296. Был задействован также набор образцов-эталонов шероховатости поверхностей DIN 4769, ISO 4288.

В поле каждой полосы 2 вдоль поперечных осевых линий пластин-образцов 1 нанесли по три контрольные точки 3 с шагом 10 мм так, чтобы средние (вторые) из них совпали с продольными осями пластин-образцов 1.

Пластины-образцы 1 поочередно устанавливали в разрывную (испытательную) машину Р-20 ГОСТ 7855-74. Уровень напряжений в пластинах-образцах 1 ступенчатым нагружением с шагом 5000 Н доводили до предела пропорциональности для стали Ст3 (примерно 200 МПа). В контрольных точках 3 каждой пластины-образца 1 магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, определяли углы наклона площадок наибольших главных напряжений к продольной оси пластины-образца 1 до нагружения и на всех ступенях нагружения.

Полученные данные о величинах углов наклона главных площадок в контрольных точках 3 шести пластин-образцов 1 с различной шероховатостью полос 2 до нагружения и после достижения предела пропорциональности при растяжении стали Ст3 приведены в таблице.

Данные свидетельствуют о том, что до нагружения пластин-образцов 1 визир угломерного устройства, совпадающий с собственной магнитной осью датчика, при контроле точек 3 в полосе 2 с шероховатостью Rz 320 дает углы отсчета примерно соответствующие углам наклона прямых рисок к продольной оси пластины-образца 1, так как магнитная ось датчика принудительно «уводится» от контроля углов наклона площадок наибольших главных напряжений. Причина «увода» вызвана преобладанием анизотропии в металле, наведенной глубокими однонаправленными прямыми рисками, над магнитной анизотропией, вызванной остаточными напряжениями в пластине-образце 1.

При достижении запланированного уровня нагружения растягивающие напряжения действуют строго вдоль продольной оси пластины-образца 1, однако, угломерное устройство, которым оснащен магнитоупругий датчик, показывает отклонение от продольной оси на двадцать градусов, вносимое полосой 2 прямых рисок.

Контроль в той же последовательности следующих четырех пластин-образцов 1 со значениями шероховатостей полос 2 рисок равными Rz 160, Rz 80, Rz 40 и Rz 20 показал, что погрешность определения углов наклона главных площадок сохраняется. Этот результат делает невозможным использование магнитоупругого метода для контроля напряжений в изделиях из стали Ст3 с шероховатостями поверхностей, полученных механической обработкой, от Rz 20 и выше.

В пластине-образце 1 с полосой 2 прямых рисок с шероховатостью Rz 2,5 на всех ступенях нагружения погрешности измерений, вызванных наличием полосы 2 рисок, не было.

Пластины-образцы 1 отнесли к одной из двух частей. К первой - пластину-образец 1 с полосой 2, имеющей шероховатость Rz 2,5. В ней площадки наибольших главных напряжений повернулись строго вдоль направления нагружения (угол равен нулю градусов). Ко второй части отнесли остальные пластины-образцы 1, где этого не произошло.

Контроль реальных изделий из стали Ст3 проводили исключительно на поверхностях с шероховатостью не выше Rz 2,5, значения компонентов тензора напряжений вычисляли по известной методике /3/.

Положительный эффект предложенного способа состоит в более точном выявлении уровня механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов, прошедших обработку на металлорежущих станках. Это позволяет принимать меры по минимизации деформаций коробления, изгиба, депланаций, поводок и пр., вызывающих биения, заклинивания, нестабильность геометрических форм деталей машин и механизмов.

Литература

1. Способ предотвращения усталостного разрушения на основе магнитоупругости. Патент РФ на изобретение №2007115280/28 от 23.04.2007, опублик. 27.04.2009, бюл. №12.

2. А.с. СССР SU 1583763.

3. Кошкин Ю.И. Новая методика определения остаточных сварочных напряжений магнитоупругим способом / Ю.И. Кошкин и др. // Прогрессивная технология в сварочном производстве: Сб. науч. тр. Воронежский политехнический ин-т. - Воронеж, 1985. - С.20-25.

Таблица
№ п/п Значения шероховатостей поверхностей полос рисок, нанесенных на пластины-образцы Номера контрольных точек Значения углов наклона площадок наибольших главных напряжений к продольной оси пластины-образца (градусов)
до нагружения пластин-образцов при нагружении пластин-образцов до предела пропорциональности при растяжении
1 Rz 320 I 46 20
II 39 20
III 44 20
2 Rz 160 I 57 10
II 52 15
III 48 15
3 Rz 80 I 68 10
II 59 10
III 51 5
4 Rz 40 I 68 10
II 69 10
III 66 5
5 Rz 20 I 75 10
II 66 15
III 68 10
6 Rz 2,5 I 84 0
II 92 0
III 92 0

Способ определения механических напряжений в деталях, изготовленных на металлорежущих станках, включающий измерение магнитоупругим датчиком, оснащенным угломерным устройством, в заданных точках на поверхности изделия углов наклона площадок наибольших главных напряжений, подготовку пластин-образцов из материала исследуемого изделия, контроль изменения углов наклона площадок наибольших главных напряжений в ходе нагружения пластин-образцов, отличающийся тем, что в срединной части пластин-образцов наносят прямые риски от края до края под углом 45° к продольным осям пластин-образцов, формируя полосы рисок шириной не менее трех величин базы измерений магнитоупругого датчика с различными значениями шероховатости поверхностей полосы для каждой пластины-образца, в контрольных точках в пределах полос до нагружения определяют углы наклона площадок наибольших главных остаточных напряжений к продольной оси пластины-образца, пластины-образцы поочередно устанавливают в разрывную машину, ступенчато нагружают до предела пропорциональности при растяжении данного материала, контролируют изменение углов наклона площадок наибольших главных напряжений к продольной оси пластины-образца в контрольных точках, по результатам контроля пластины-образцы относят к одной из двух частей: к первой, если значения измеряемых углов стали равны нулю градусов вследствие поворота направления наибольшего главного напряжения строго вдоль направления нагружения, ко второй, если этого при нагружении не произошло, производят измерения напряжений в реальных изделиях исключительно на поверхностях со значениями шероховатости не выше значений шероховатости полос на пластинах-образцах, отнесенных к первой части.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к областям измерительной техники и неразрушающего контроля и предназначено для определения компонентов тензора механических напряжений в изделиях из ферромагнитных материалов при двухмерном напряженно-деформированном состоянии.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для измерения давления щетки на коллектор электрических машин, и может быть использовано в ремонтном хозяйстве электротехнической, железнодорожной и других отраслях.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения деформации грунта, горных пород, зданий, сооружений и железобетонных конструкций. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации грунта, горных пород, зданий, сооружений и железобетонных конструкций.

Изобретение относится к области неразрушающего измерения двухосных механических напряжений магнитоупругим методом и может быть использовано в машиностроении. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для контроля состояния элементов инженерных конструкций из ферромагнитных материалов в условиях циклического нагружения, и может найти применение в машиностроении и на транспорте.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для измерения нажатий щетки на коллектор непосредственно на электрической машине в рабочем режиме.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в деталях конструкций из ферромагнитных материалов.

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в весо- и силоизмерительных системах для взвешивания автотранспорта и т.д. .

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения осевого усилия во вращающихся валах. .

Изобретение относится к верхнему строению пути, к рельсам, а именно к способам определения механических напряжений путем измерения изменений магнитных свойств металла. Техническим результатом является повышение точности и непрерывность измерения механических напряжений, снижение трудоемкости работ. Способ определения механических напряжений в рельсах заключается в том, что над неподготовленной поверхностью каждой рельсовой нити на расстоянии 2-5 мм от их поверхности параллельно друг другу устанавливают сканирующие устройства, с помощью которых измеряют остаточную намагниченность металла рельсов. Подключают сканирующие устройства к приемному устройству, установленному на передвигающемся по рельсам приспособлении. Переводят с помощью программного обеспечения получаемые при перемещении сканирующих устройств данные остаточной намагниченности в данные механических напряжений в рельсах. Фиксируют полученные результаты как в реальном времени, так и накапливают в блоке памяти. 4 ил.

Изобретение относится к области оценки технического состояния трубопроводов и может быть использовано для определения механических напряжений в стальных трубопроводах подземной прокладки. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения механических напряжений в стальных трубопроводах включает изготовление образца трубопровода, из материала, аналогичного материалу конструкции, пошаговое нагружение образца, измерение магнитных параметров металла на каждом шаге нагружения с определенным ориентированием датчика относительно образца, получение зависимости магнитных параметров от величины напряжений в образце, измерение магнитных параметров металла трубопровода, определение величины напряжения с помощью полученной зависимости, при этом в качестве магнитного параметра измеряют собственную напряженность магнитного поля металла труб, измерения выполняют при различных расстояниях от измерительного датчика до поверхности образца, строят графики зависимости магнитных параметров от величины напряжений в образце для каждого из расстояний, определяют расстояние от измерительного датчика до контролируемого трубопровода, определяют напряжения в трубопроводе по кривой зависимости, соответствующей измеренному расстоянию от датчика до трубопровода. Технический результат - расширение возможностей способа. 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик механических напряжений. Датчик включает прямоугольную пластину из полимерного материала, на верхней поверхности которой сделано углубление, в котором помещается детектор, при этом внутри прямоугольной пластины вдоль продольной оси располагается предварительно напряжённый аморфный ферромагнитный микропровод, изготовленный из обогащённых кобальтом сплавов, помещённый внутрь измерительной катушки в виде встречно соединённый соленоидов из медной проволоки. Микропровод соединён с первой парой контактных площадок, а указанная дифференциальная измерительная катушка - со второй парой контактных площадок. Контактные площадки в свою очередь соединены с детектором, включающим источник переменного тока, соединённый с источником магнитного поля, источник постоянного тока, соединённый с первой парой контактных площадок, и усилитель сигнала измерительной катушки, вход которого соединён со второй парой контактных площадок, а выход соединён с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к персональному компьютеру. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к системе и способу для определения механического напряжения компонента самолета, изготовленного из намагниченного материала. Техническим результатом изобретения является упрощение определения механического напряжения на различной глубине компонента. Система для определения значимой величины (σ) механического напряжения компонента, изготовленного из намагничиваемого материала, содержит: ступень генерирования магнитного поля с изменяющейся амплитуды и ступень захвата для приема сигнала шума Баркгаузена (MBN) при изменениях амплитуды (H) магнитного поля. Причем система содержит блок обработки данных для вычисления обратной величины (1/MBNmax) от максимального значения (MBNmax) сигнала (MBN) при изменениях амплитуды (H) магнитного поля. Блок обработки данных имеет ступень памяти, которая сохраняет данные о линейном соотношении между обратной величиной (1/MBNmax) от максимального значения и значимой величиной (σ) механического напряжения. 2 н. и 12 з.п.ф-лы, 9 ил., 3 табл.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля остаточных напряжений в сварных соединениях и изделиях из ферромагнитных и парамагнитных материалов. Способ позволяет повысить точность контроля действующих и остаточных напряжений в изделии, определить предельное состояние изделия перед его разрушением и ресурс его эксплуатации. Для достижения указанного технического результата в точках поверхности контролируемого изделия, отстоящих друг от друга на равные расстояния, измеряют величину по меньшей мере одной составляющей напряженности магнитного поля. Далее определяют значение градиента магнитного поля для каждой пары соседних точек контроля и по полученным значениям градиентов находят зону концентрации напряжений (ЗКН). Для ЗКН рассчитывают значение магнитного показателя mпр, характеризующего предельное напряженное состояние изделия перед разрушением, и значение магнитного показателя mф, характеризующего фактическое напряженное состояние изделия. Используя полученные значения mпр и mф, оценивают предельное время эксплуатации изделия: Тпр=(mпр/mф)·Тф, где Tф - фактическое время эксплуатации изделия. Остаточный ресурс Tост эксплуатации изделия определяют по формуле: Тост=Тпр-Тф. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.
Наверх