Как контролировать релаксацию напряжения
 Скачать 22.22 Kb.
|
|
Как контролировать релаксацию напряжения? Подобно другим методам снятия механических напряжений, когда в теле присутствуют остаточные напряжения высокой величины (относительно предела текучести материала), ошибки в напряжении, измеренные с использованием метода контура, могут возникать из-за пластической деформации, связанной с удалением металла. При выполнении разрезания WEDM для измерения контура перераспределение упругих напряжений в корпусе происходит от поверхности разреза, где сняты напряжения. Это перераспределение и создание движущейся выемки на режущей кромке создают концентрацию напряжения вокруг режущей кромки, которая может быть достаточной для образования материала. Чтобы свести к минимуму этот эффект, практики метода контура рекомендовали надежно закрепить тестовый компонент, близко к нему и симметрично относительно обоих сторон разреза. В идеале, компонент должен быть жестко закреплен непосредственно рядом с каждой стороной линии разреза, чтобы предотвратить его раскрытие или закрытие. Однако на практике этого достичь невозможно, и необходимо прийти к компромиссу в зависимости от размера компонента и возможности введения отверстий для установленных болтов или других зажимных приспособлений. Такие конфигурации удерживающих устройств не должны, конечно, влиять на исходное поле остаточных напряжений. Недавние исследования показали, что начало и пространственная степень пластичности вдоль пути разреза зависят от величины поля напряжений вокруг разреза по мере его развития [ 19 , 20 ]. Это можно оценить с помощью линейной механики упругого разрушения. Если поле напряжений внутри тела известно, расчет коэффициента интенсивности напряжений в режиме I (SIF) [ 19 , 20 ] как функция длины среза обеспечивает удобную количественную меру восприимчивости контура среза к пластичности. Действительно, максимальное напряжение на кончике надреза EDM может быть напрямую связано с SIF и радиусом надреза, который, в свою очередь, связан с диаметром провода EDM. Размер пластической зоны может быть затем оценен с использованием приближения первого порядка [ 33 ] для заданной длины среза в измеряемом компоненте, и идеализированные условия ограничения. Кроме того, были разработаны корреляции, связывающие средний объем пластически деформированного материала во время резки контура и среднюю ошибку в профиле напряжения, измеренную методом контура. Общий вывод этого исследования состоит в том, что ошибки, связанные с пластичностью при измерении контуров, можно уменьшить, контролируя (уменьшая) величину SIF во время резки. Это можно сделать, выбрав подходящую стратегию резки и ограничения. Режим 1 открытия / закрытия режущих поверхностей может быть ограничен введением ограничителя зажима, который ближе к жесткому идеалу. Другой путь резания, такой как изменение направления резания или резание сверху вниз компонента или наоборот, может привести к тому, что профили SIF будут иметь более низкие пиковые величины. Был предложен новый подход [ 20 ], в котором SIF уменьшается путем проведения «встроенного разреза», то есть с помощью самоограничения конструкции. Это может быть легко проиллюстрировано путем сравнения уменьшенного SIF (и раскрытия трещины) для внедренной трещины в пластине с SIF для эквивалентной краевой трещины в свбодной пластине, как показано на фиг. 14 . Внедренная концепция конфигурации (самоограничения) резки была применена к измерению остаточных напряжений в контуре для образца с 3 проходами со щелевой сваркой [ 20 ] путем введения начального отверстия для режущей проволоки, см. Рис. 15 , В этом случае размер связки между стартовым отверстием и краем пластины и конфигурация встроенных болтов для увеличения ограничения открывания / закрывания в режиме 1 были оптимизированы путем проведения серии анализов напряжений 2D FE (конечного элемента). Встраиваемая концепция резки имеет дополнительное важное практическое преимущество, заключающееся в минимизации необходимости внешних ограничений и крепления. Упрощенная процедура оценки вероятной величины ошибок пластичности для выбранной стратегии резки контура и, следовательно, упрощения разработки плана резки, который может устранить или уменьшить ошибки пластичности, приведена на рисунке 16. , Требуемая входная информация - это геометрия образца для испытаний, предел текучести материала и расчетное распределение остаточных напряжений (профиль линии) вдоль плоскости разреза. Для определения распределения SIF для определенной стратегии резания можно использовать метод линейного упругого анализа 2D FE, аналитическое решение или метод весовых функций. На основании максимальной SIF, предсказанной на основе анализа FE (или аналитического решения), предела текучести материала и геометрии образца, критерий, разработанный в [ 35 ], может быть использован для оценки усредненной ошибки при измерениях напряжения методом контура из-за пластичности. Таким образом, два подхода [ 34 , 35 ] можно использовать для оценки того, когда контурный метод начинает выходить из строя, и уровней погрешности в измеренном напряжении, которые могут возникнуть из-за пластичности. Как измерить деформированную поверхность? Этот раздел направлен на количественную оценку проблемы измерения деформации поверхности, с которой сталкивается практикующий метод контуров, и разработку руководств по эффективной практике для измерения формы поверхности. С этой целью определяется минимальная шкала остаточной длины, которая может быть измерена методом контура, определяется зависимость между величиной смещения поверхности, пространственным частотным содержанием поля остаточных напряжений и величиной остаточных напряжений, и рассматриваются доступные методы и их возможности для измерения контуров поверхности. 5.1 Длина шкалы Минимальная шкала длин остаточных напряжений (то есть длина волны), которая может быть разрешена контурным методом, контролируется шероховатостью поверхностей разреза WEDM [ 23 ]. Это зависит от используемого диаметра проволоки и условий резания WEDM. Для поликристаллических материалов также важен размер зерен, поскольку необходимо отбирать достаточное количество зерен для измерения макроскопических остаточных напряжений (Тип I) в масштабах длины континуума. Например, недавние исследования аустенитной нержавеющей стали с размером зерна 100 мкм и использованием режущей проволоки диаметром 0,25 мм показывают, что минимальная теоретическая шкала длины остаточного напряжения, по которой контурный метод может определять остаточные напряжения, составляет порядка 0,5 –1,0 мм [ 23 ]. 5.2 Разрешение профиля остаточного напряжения Точность, с которой метод контура может измерять профиль остаточного напряжения, действующего перпендикулярно поверхности разреза, в основном связана с разрешающей способностью, с которой может быть охарактеризован контур нормального смещения поверхности. Благодаря аналитическому исследованию стало возможным вывести взаимосвязь между величиной смещения поверхности, пространственным частотным содержанием поля остаточных напряжений и величиной остаточных напряжений [ 23 ]. Значимость результата для инженерных компонентов в диапазоне шкал длины (т.е. характерных размеров) показана в таблице 1. , Это подразумевает, что измерение полезных подробных остаточных напряжений на самых высоких пространственных частотах (миллиметровая шкала длин) требует разрешения и точности данных о высоте до уровней, приближающихся к 30 нм. Однако требования к разрешению и точности снижаются по мере увеличения масштаба длины поля остаточных напряжений и размера компонента. 5.3 Измерение поверхности Учитывая чувствительность измерения остаточного напряжения к качеству поверхности, важно, чтобы компоненты были тщательно подготовлены до измерения деформации поверхности, например: Ферритовые компоненты должны быть удалены из ванны WEDM как можно скорее, чтобы минимизировать риск коррозии. Обрезанные поверхности компонентов следует очищать после WEDM, в идеале с помощью ультразвуковой ванны. Может потребоваться разработка специальных процедур для удаления «грубых» (тонких черных отложений) с поверхностей некоторых материалов после WEDM. Поверхности деформированных компонентов следует измерять в помещении с контролируемой температурой; она должна поддерживаться при той же температуре, что и ванна WEDM, если компонент имеет разнородные материалы с дифференциальными свойствами теплового расширения. Перед измерением компоненты должны храниться в метрологической комнате достаточно долго, чтобы они достигли температуры помещения по всему объему. Результаты остаточных напряжений метода контура настолько хороши, насколько можно измерить отклонение от плоскостности поверхности разреза. Профиль поверхности может быть измерен с использованием тактильных, оптических или электромагнитных методов. Наиболее распространенные методы измерения контуров поверхности рассмотрены в таблице 2, а возможности каждого метода, их преимущества и недостатки объяснены. Координатно-измерительные машины (CMM) с системами контактного зондирования чаще всего используются для измерения поверхности контура, поскольку они широко доступны во многих мастерских и могут измерять крупные инженерные компоненты с разрешением и точностью на микронном уровне. Следующее руководство предназначено для повышения точности и надежности измерений контура, выполненных с использованием системы контактного зондирования CMM [ 23 , 36 , 37 ]: Система стилуса должна быть настолько простой, насколько это возможно: один прямой стилус обычно дает лучшую производительность, чем стилус с изгибами и стыками. Стилус предпочтительнее быть коротким и жестким; чем больше изгибается стилус, тем ниже точность. Диаметр наконечника стилуса должен быть как можно большим для измерительной задачи. Увеличение диаметра наконечника уменьшает влияние качества поверхности на выполняемые измерения. В действительности, наконечник большого диаметра отбирает пики поверхности на большей площади и тем самым уменьшает случайные статистические отклонения из-за шероховатости поверхности. Выбор диаметра наконечника стилуса также зависит от масштаба длины остаточного напряжения, представляющего интерес. Из-за повторяющегося режима касания, используемого для измерения контура, стилус может страдать от проблем с залипанием и нуждается в регулярной замене. Для магнитных материалов может потребоваться специальная система стилуса. К категории электромагнитных относится атомно-силовой микроскоп (АFМ). АFМ не подходит для применения метода контура к инженерным образцам из-за очень ограниченного рабочего объема и низкой скорости. Это может быть применено к новым измерениям напряжений в микромасштабах. Оптическая категория включает лазерные датчики и интерферометрию. Интерферометрические методы включают методы, основанные на оптических плоскостях и муаровых границах между эталонным рисунком и проецируемым изображением на измеряемой поверхности. Они имеют тенденцию ограничиваться более мелкими образцами из-за размеров, по которым может поддерживаться оптическая плоскостность [ 38 ]. Преимущества лазерных датчиков - лучшее разрешение и точность, а также более быстрое получение данных по сравнению с СММ. Они могут собирать тысячи точек данных в секунду с высокой точностью. Высокая скорость лазерных датчиков является преимуществом для контуров поверхности крупных компонентов по сравнению со скоростью контактных зондов CMM. Что касается метода контуров, лазерные датчики могут обеспечивать измерения очень близко к краю образца, что имеет первостепенное значение, когда необходимо определить остаточные напряжения у поверхности. Однако обработка больших наборов данных, создаваемых этими системами, может быть проблематичной, обычно требуя у какого-то процесса сокращения данных. Другие источники неопределенности при измерении поверхностей перечислены в Таблице 3 вместе с указаниями о том, как их избежать или уменьшить. |