Способ контроля структурной неоднородности поверхностного слоя детали Советский патент 1992 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля качества материалов и изделий, основанным на регистрации и анализе сигналов акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано, в частности, в подшипниковой промышленности для контроля колец подшипников качения на предмет обнаружения шлифовочных прижо- гов.

Известны способы контроля структуры материала, основанные на воздействии индентором на поверхность исследуемого объекта и измерении параметра сигнала АЭ. Они позволяют получать лишь интегральную оценку твердости, хрупкости и структуры материала, а структурные неоднородности поверхностного слоя не регистрируются.

Известен способ контроля качества изделий, согласно которому вдавливают индентор в материал и измеряют амплитуду сигналов акустической эмиссии, по величине которой судят о контролируемом параметре.

Недостатками этого способа являются низкие производительность и достоверность контроля, поскольку он не позволяет достаточно быстро обследовать всю поверхность детали, воздействие индентором осуществляется лишь в отдельных точках поверхности, и локальные структурные неоднородности поверхностного слоя детали остаются невыявленными.

Цель изобретения - повышение производительности контроля цилиндрических деталей. Поставленная цель достигается

ч со о сл

XI

Јь

тем, что на поверхность детали воздействуют индентором и регистрируют амплитуду сигналов акустической эмиссии, по которым судят о контролируемом параметре, воздействие индентором на поверхность детали осуществляют при их относительном перемещении, а линейную скорость v перемещения, радиус RH кривизны индентора и шаг s перемещения в направлении, перпендикулярном направлению линейной скорости, устанавливают из соотношений:

RH 66,67 I02/Ra; v (В + 10)/ т; с 4 р1/з; 3 (Еи+Ед|/Еи-Ед .у3

S - п г --.зй

3 - 22Rn ±Ri 1 ±R2

згт Г V1

где lo - минимальный размер области структурной неоднородности поверхности, мм;

Ra - номинальная величина параметра шероховатости поверхности детали, мкм;

B 0,122VRM Ra ,мм;

т - время интегрирования сигнала акустической эмиссии, с;

Ей, Ед - модули упругости индентора и детали, МПа;

Ri, R2 - радиусы кривизны поверхности сканирования детали, м (знак + берется при сканировании внешней поверхности, знак - - при сканировании внутренней поверхности);

v - коэффициент кривизны, определяемый по таблицам в зависимости от RH, Ri и R2;

Р - нормальная нагрузка на индентор, исключающая повреждение поверхности в процессе контроля Н.

Способ осуществляется путем перемещения индентора по поверхности детали при условиях, исключающих ухудшение ее эксплуатационных свойств из-за царапания или наклепа, и регистрации амплитуды сигнала АЭ, генерируемой в зоне контакта индентор - поверхность детали. За счет различия в упругих свойствах структур основного материала детали и областей дефектной структуры при таком перемещении происходит изменение в процессах упругой реакции материала при переходе индентора от одной структуры к другой, генерирующих сигналы АЭ, что приводит к изменению регистрируемой амплитуды сигнала АЭ. Отличительным признаком изобретения является то, что воздействие индентора на поверхность детали осуществляется при их относительном перемещении и при этом параметрами процесса сканирования являются постоянные для данной детали: линейная скорость v относительного перемещения

индентора, шаг s смещения индентора по поверхности детали в направлении, перпендикулярном направлению линейной скорости, нормальная нагрузка Р на индентор,

радиус RH кривизны индентора в месте его контакта с поверхностью детали. В результате расчетов установлено, что для повышения производительности и обеспечения необходимой чувствительности к обнаружению структурных неоднородностей размер площадки контакта упругого внедрения сферического индентора в поверхностный слой детали (В) должен быть равен В 0,122VRaRM 3. lo где lo - минимальный

размер области структурной неоднородности поверхности, способный обнаруживаться аппаратурой АЭ-контроля с данной разрешающей способностью, отсюда радиус кривизны индентора устанавливается как

ближайший к оценке:

Ru. 66,67 I02/Ra

О)

где Ra - номинальная величина параметра шероховатости поверхности детали, мкм. Линейная скорость сканирования v определяется исходя из того, чтобы время АЭ-излу- чения от структурного дефекта с размером в направлении вектора V равным 0, было больше времени интегрирования Та аппаратуры АЭ-контроля. Время излучения А т определяется как время взаимодействия площадки контакта, образуемой при упру- гом вдваливании индентора в деталь, с областью дефекта размером 10 в направлении V. Поэтому

40

Та Дт (В + I0)/V

(2)

откуда максимально допустимая скорость сканирования vn равна

45

vn (В + 1о)/та

(3)

Нормальная нагрузка на индентор Р должна быть меньше критической нагрузки Рс, приводящей к наклепу и ухудшению эксплуатационных свойств поверхностного слоя

0 детали. Она устанавливается экспериментально как минимально допустимая нагрузка, при которой при сканировании поверхности детали с линейной скоростью V vn не происходит потеря контакта ин5 дентора с деталью из-за динамических возмущений, вызванных макро- и микрогеометрическими отклонениями детали. Шаг перемещения s индентора определяется как размер площадки контакта от упругого внедрения индентора в деталь перпендикулярно направлению вектора V с учетом обеспечения сканирования всей поверхности без пропусков и перекрытий следов сканирования от двух последовательных проходов. Он определяется с учетом значений RII, Р и радиусов кривизны поверхности детали:

3 (Еи + Ед)/Еи-Ед

{

2 2RM 1 ± Ri 1 ± R2

Н

(4)

где Ей, Ед - модули упругости индентора и детали, МПа;

Rii R2 - радиусы кривизны поверхности сканирования детали (знак + берется при сканировании внешней, а знак - - при сканировании внутренней поверхности детали), м;

V1 - коэффициент кривизны, определяемый по таблицам в зависимости от Яи, RI и

R2.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Проводился контроль наличия структурной неоднородности по наружной поверхности наружных колец подшипников типа 116Л . Ra 350 мкм (поперек рисок) диаметр сканируемой цилиндрической поверхности кольца D 125 мм., постоянное га 100 мкс. Исходя из этих данных определено условие 66,67 х . х 0,152/0,350 4,29 мм (было принято, что 0,15 мм, что соответствует минимальному размеру прижогов, обнаруживаемых при травлении). Индентором являлся стандартный выглаживатель из синтетического алмаза с радиусом RH . Размер В по расчету равен B 0,122VPi rPa 0,14 мм, поэтому vn (0,14+ 0,15)/100-10 6 2943,5 мм/с, частота вращения кольца (максимально допустимая) пи 60-Vn/ лО 60.2943,5 (3,14.125) 450 об/мин. Критическая нагрузка Рс ЗН установлена экспериментально. Процедура выбора фактических Р и v состояла в следующем. Кольцо устанавливалось в патроне токарно-винторезного станка 16К20, к нему подводился индентор, укрепленный в суппорте на упругом прижиме с жесткостью 6240 Н/м, до соприкосновения с кольцом. Контроль постоянства контакта проводился по методу электросопротивления. Скорость сканирования v варьировалась установкой числа оборотов шпинделя. Сначала была установлена величина п 400 об/мин, нагрузка на индентор повышалась от 0 до той, при которой достигается постоянство контакта, и эта величина сопоставлялась с Рс. Нагрузка задавалась поворотом винта поперечной подачи с учетом известной жесткости прижима. Если она оказалась выше Рс, значение v (число оборотов п) уменьшалось от данного до более низкого, и процедура подбора нагрузки повторяется в обратном направлении - от достигнутого до меньшего значения, при котором имеет место постоянство контакта. Было установлено, что для данного типа колец Р 1 Н, п 50 об/мин, и s 0,05 мм/об. Эта величина s принята в

качестве продольной подачи суппорта станка. При этих условиях на станке проводился АЭ-контроль колец подшипников указанного типа, на которых предполагалось наличие прижогов. Регистрация сигналов АЭ проводилась по следующей схеме. Кольцо вращалось в шпинделе, индентор, прижатый к нему прижимом, сканировал поверхность кольца, перемещаясь в направлении продольной подачи. Сигналы АЭ из зоны контакта индентора с кольцом преобразовались в электрические сигналы преобразователем, прикрепленным к индентору, усиливались в предварительном усилителе, поступали на блок полосовых фильтров, выделяющий спектральные компоненты в полосах частот шириной 10 кГц с центральными частотами 100, 200 и 300 кГц, выбранными с учетом АЧХ тракта регистрации. Сигналы по трем каналам записывались на четырехканальный

магнитограф и выводились на печать с помощью печатающего устройства. Для интер- претации полученных результатов при записи сигналов АЭ регистрировались периоды вращения кольца с помощью таходатчика, сигналы от которого записывались на четвертый канал магнитографа одновременно с сигналами АЭ. При этом фиксировалось положение кольца относительно магнита-возбудителя тахосигналов, находящегося на патроне, и сканирующего индентора. Это позволяло сопоставлять каждую акустограмму за период вращения с данными о структурном состоянии поверхностного слоя колец, полученными при

последующем травлении, и с данными о микро- и макрогеометрии детали, снятыми до сканирования,

Формула изобретения Способ контроля структурной неоднородности поверхностного слоя детали, заключающийся в том, что на поверхность детали воздействуют индентором и регистрируют амплитуду сигналов акустической эмиссии, по которой судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности контроля цилиндрических деталей, воздействие индентором на поверхность детали осуществляют при их относительном

перемещении, а линейную скорость v перемещения, радиус RH кривизны индентора и шаг s перемещения в направлении, перпендикуляром к направлению линейной скорости, устанавливают из соотношений:

Ни 66,67 v (В + 10)/ г;

-Р1/3 3 г

{2

(Еи + Ед)/Еи-Ед -з

.- 1

2Rn ±R1 ±R2

- 1

/V1

где lo - минимальный размер области структурной неоднородности поверхности, мм;

Ra - номинальная величина параметра шероховатости поверхности детали, мкм;

В 0,122 VTVRa , мм;

0

5

т - время интегрирования сигнала акустической эмиссии, с;

Еи, Ед - модули упругости индентора и детали, МПа;

Ri, R2 радиусы кривизны поверхности сканирования детали, м, (знак + берется при сканировании внешней поверхности, знак - - при сканировании внутренней поверхности);

v- - коэффициент кривизны, определяемый по таблицам в зависимости от Йи, RI и R2,

Р - нормальная нагрузка на индентор, исключающая повреждение поверхности в процессе контроля, Н.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля качества материалов и изделий, основанным на регистрации и анализе сигналов акустической эмиссии. Целью изобретения является повышение производительности контроля за счет выбора траектории сканирования. Способ заключается в сканировании индентором поверхности детали и регистрации амплитуды сигнала акустической эмиссии, генерируемой в зоне контакта индентор - поверхность детали. При этом радиус кривизны индентора, линейная скорость сканирования, шаг сканирования и нагрузка на индентор устанавливаются с учетом обеспечения наибольших производительности, чувствительности контроля и сохранения эксплуатационных свойств поверхностного слоя детали. сл С