Разработка методов акустического контроля прутков из инструментальной стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Лебедева, Татьяна Николаевна

• Лебедева, Татьяна Николаевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедева, Татьяна Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СТАЛЬ.

МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ (обзор литературы).

1.1.Прутки из быстрорежущей инструментальной стали.

1.1.1 Технология производства.

1.1.2 Дефекты макроструктуры прутков.

1.2. Приборы и методы контроля прутков.

1.2.1 Визуальный контроль.

1.2.2 Магнитный контроль.

1.2.3 Ультразвуковой контроль.

1.2.4 Вихретоковый контроль.

1.3 Выявление дефектов с помощью волн в волноводах.

1.4 Новая технология акустического контроля протяженных объектов.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ПОХГАММЕРА И ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ДЕФЕКТАМИ.

2.1. Основные закономерности распространения стержневых и крутильных волн.\.

2.2. Экспериментальные исследования скорости и затухания волн Похгаммера.

2.3. Исследование взаимодействия волн Похгаммера с дефектами пруткового проката.

2.4. Эффективность использования стержневых и крутильных волн при контроле прутков.

2.5. Отражение стержневой волны от периодического изменения диаметра прутка по длине.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРУТКОВ ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ

СТАЛИ.

3.1. Эхо-импульсный метод контроля прутков и установка для его реализации.

3.2. Расчет и проектирование контрольных образцов.

3.3. Метод контроля с использованием многократных отражений.

3.4. Метод контроля протяженных дефектов прутков типа остатков усадочной раковины.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ.

4.1. Отбор партии для контроля.

4.2. Организация акустического контроля прутков.

4.3. Организация и результаты металлографических исследований.

4.4. Сопоставление результатов акустического контроля и • металлографических исследований.

4.5. Внедрение в производство.

Выводы к главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов акустического контроля прутков из инструментальной стали»

Среди продукции предприятий черной металлургии и машиностроения большой объем занимает стальной прутковый прокат, нашедший широкое применение в качестве заготовок при производстве режущего и измерительного инструмента. Такой инструмент как режущие полотна, резьбонарезной инструмент, сверла, зенкеры, дисковые фрезы, долота, метчики и др. производятся из прутков — заготовок быстрорежущей инструментальной стали Р6М5, занимающей доминирующее положение среди марок быстрорежущих сталей (более 70% от общего выпуска).

Важнейшим условием производства инструментов высокого качества является отсутствие в прутках - заготовках различных дефектов, возникающих при нарушении отдельных этапов технологического процесса производства прутков.

К таким дефектам относят:

1. Внутренние дефекты - пятнистая ликвация, центральная пористость, подкорковые пузыри, межкристаллические трещины, неметаллические включения, грубые раскатанные поры, остатки усадочной раковины, подусадочная рыхлота, свищи (газовые пузыри), расслоение, шлифовочные трещины, закаты и заковы, флокены и др.

2. Поверхностные дефекты - риски (от шлифования, полирования), отпечатки, заусенцы, коррозия, царапины, трещины напряжения и др.

В соответствии с ГОСТ 19265-73 [4] для прутков D<80 мм допускаются дефекты (риски, царапины, трещины) с глубиной зачистки, не превышающей Vi допуска на размер (в зависимости от квалитета).

Наличие внутренних дефектов в прутке - заготовке, расположенных преимущественно в осевой зоне и, являющихся протяженными вдоль всего прутка, из-за невозможной идентификации их при визуальном осмотре, может повлечь поломку инструмента как при его производстве, так и при его эксплуатации и как следствие, к излишним производственным затратам.

Прутки - заготовки, в которых выявлены подобные дефекты, должны быть отнесены к бракованным и подлежат изъятию из процесса производства инструмента.

При обнаружении локализованных в прутке дефектов и определении их координат, дефектные участки могут быть изъяты, а бездефектная часть заготовки использована для дальнейшего производства инструмента.

На многих предприятиях — изготовителях продукции черной металлургии для контроля пруткового проката и изделий из него используют вихретоковый, магнитный и ультразвуковой методы контроля. Все они имеют один общий недостаток - необходимость сканирования тела прутка, что требует соответствующего механизированного оборудования.

Кроме того, ультразвуковые методы с использованием высоких ультразвуковых частот требуют тщательной обработки поверхностей контролируемых объектов и применения контактной жидкости, что отрицательно сказывается на производительности установок. При малых диаметрах прутков использование ультразвуковых методов также неприемлемо из-за наличия мертвой зоны. Вихретоковый метод контроля, несмотря на преимущество бесконтактной работы, позволяет выявить лишь поверхностные и приповерхностные дефекты.

Как правило, на предприятиях - изготовителях инструмента отсутствует входной контроль на наличие внутренних и поверхностных нарушений' прутков-заготовок инструментальной стали (исключение составляет визуальный контроль на поверхностные дефекты), что зачастую приводит к браку производимой продукции.

В Ижевском государственном техническом университете под руководством профессора Буденкова Г.А. разработана новая прогрессивная технология акустической дефектоскопии протяженных объектов, основанная на использовании волн в стержнях (волн Похгаммера). Технология предполагает использование при контроле симметричной моды So волны

Похгаммера в области минимальной дисперсии скорости, либо нулевой крутильной моды То, дисперсия скорости которой вообще отсутствует.

Ввиду того, что некоторые виды режущего инструмента (пилы, долота, метчики) в процессе эксплуатации испытывают растягивающие и сжимающие нагрузки, а, например, сверла - действие момента вращения относительно оси симметрии, представляется целесообразным проводить контроль прутков-заготовок из инструментальной стали с использованием нулевой симметричной моды So волны Похгаммера или крутильной волны.

Прутки из инструментальной стали малых диаметров (от 1,8 до 30 мм) при длине 500 - 6000 мм рассматриваются как протяженные объекты, в которых могут распространяться волны Похгаммера.

Характерной особенностью используемых типов волн является чрезвычайно низкое затухание, позволяющее прозвучивать достаточно протяженные объекты, в идеале - длиной в несколько сотен метров. При незначительной дисперсии скорости (или ее отсутствии) практически не искажаются импульсы, распространяющиеся в объекте контроля. Распределение смещений вдоль оси в волне So является практически равномерным по всему сечению прутка, что позволяет обеспечить одинаковую чувствительность к дефектам в любой области сечения.

Разработка методов акустического контроля прутков из инструментальной стали, основанные на использовании стержневых волн, представляется перспективным направлением исследований, поскольку технология и аппаратура, реализующая ее, эффективно используется для входного контроля прутков-заготовок при производстве насосных штанг D= 17-25 мм.

При разработке технологи акустического контроля прутков из инструментальной стали необходимость дополнительных исследований диктуется существенными различиями в технологических процессах производства прутков-заготовок насосных штанг и прутков из инструментальной стали, различием их прочностных свойств и значительным отличием по диаметрам и квалитетам.

При существенной конкуренции на рынке инструмента, необходимым является повышение качества продукции, выпускаемой предприятием. Поэтому дефектоскопия прутков-заготовок из инструментальной стали на наличие поверхностных и внутренних дефектов является актуальной. Помимо входного контроля пруткового проката на наличие внутренних и поверхностных дефектов, необходим текущий контроль прутков, хранимых на складе, в связи с возможностью возникновения дефектов из-за нарушений условий хранения и транспортировки со склада в цех, где производится инструмент.

Внедрение новой технологии акустического контроля пруткового проката на предприятии повысит качество выпускаемой продукции, одновременно способствуя снижению затрат на ее производство.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка прогрессивной технологии акустического контроля прутков из инструментальной стали малого диаметра с использованием волн Похгаммера, обеспечивающей качество инструмента и уменьшение производственных затрат.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование целесообразности использования волн Похгаммера для неразрушающего контроля протяженных прутков малого диаметра;

2. Исследования процессов распространения волн Похгаммера и их взаимодействия с дефектами;

3. Разработка контрольных образцов и акустических методов контроля прутков (метод с использованием волн Похгаммера, PC датчика, эхо-сквозной метод, основанный на многократных отражениях);

4. Испытание разработанных методов и аппаратуры в производственных условиях и сопоставление результатов неразрушающего контроля с металлографическим, визуальным и измерительным контролем.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования процессов распространения симметричной моды So волны Похгаммера и крутильной волны и их взаимодействия с дефектами прутков.

2. Рекомендации по проектированию контрольных образцов для настройки параметров аппаратуры с учетом диаметра прутка и его квалитета.

3. Методы контроля пруткового проката инструментальной стали (эхо-импульсный метод, с использованием моды So и крутильных волн, эхо-сквозной метод, основанный на многократных отражениях).

4. Рекомендации по проектированию аппаратуры акустического контроля прутков из инструментальной стали малых диаметров.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 68 наименований и 6 приложений. Диссертация изложена на 151 листе, содержит 11 таблиц, 59 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Лебедева, Татьяна Николаевна

Выводы к главе 4

1. Дефектоскопия прутков-заготовок из инструментальной стали с использованием стержневой моды показала, что наибольший уровень отражения дают дефекты, имеющие резкие или периодические перепады сечения, а также дефекты типа трещин, раковин, ликваций, расслоений, газовых пузырей, наиболее опасные с точки зрения производства и долговечности инструмента.

2. Дефекты, выявленные акустической установкой и подтвержденные металлографическими' исследованиями, являются недопустимыми в прутковом прокате инструментальной стали.

3. Внедрение новой технологии и аппаратуры акустического контроля на участке входного контроля прутков - заготовок из инструментальной стали диаметрами D= 2 — 25 мм для производства режущего инструмента позволит:

- уменьшить брак прутков — заготовок, идущих в производство режущего инструмента, что приведет к сокращению дорогостоящих операций (ковка, отжиг, термообработка, шлифование и др.).

- выявить причины возникновения дефектов в прутках и корректировать технологический процесс их производства.

4. Контроль прутков на производстве может производиться одним специалистом по акустическому контролю при помощи переносного дефектоскопа ПАДП на различных участках инструментального предприятия и может использоваться:

• для приемочного контроля на предприятиях, выпускающих прутки;

• для входного контроля на предприятиях - потребителях прутков;

• для пооперационного контроля при производстве изделий из прутков.

Акустический дефектоскоп ПАДП реализует следующие функции:

• измерение длины прутка;

• обнаружение дефектов;

• измерение координат дефектов;

• измерение амплитуд сигналов от дефектов;

• измерение эквивалентной площади дефектов по их отражающей способности;

• обнаружение усадочной раковины раздельно - совмещенными датчиками (РС-ПЭП);

• накопление и сохранение результатов контроля в компьютерном банке данных и представления их в виде документа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе анализа дефектов макроструктуры пруткового проката быстрорежущей инструментальной стали, причин их возникновения, степени опасности и влияния на качество инструмента, обоснована необходимость организации входного контроля качества прутков - заготовок на инструментальных заводах (цехах) с целью исключения поломки инструмента, как при его производстве, так и при его эксплуатации. На базе изучения возможности выявления дефектов различными физическими методами сформулированы основные параметры аппаратуры, реализующей новую технологию акустического контроля протяженных объектов.

1. Установлено, что аппаратура, реализующая новую технологию акустического контроля протяженных объектов эхо-импульсным методом, может базироваться на использовании моды So волны Похгаммера и крутильных волн.

Использование моды So обеспечивает одинаковую чувствительность к поверхностным и внутренним дефектам, существенно превышая чувствительность других физических методов неразрушающего контроля (вихретоковый, магнитный).

Использование крутильных волн обеспечивает более высокую чувствительность (более чем в 2,35 раза) к поверхностным и подповерхностным дефектам, чем при использовании моды S0.

2. Установлена возможность аппаратуры, реализующей новую технологию акустического контроля, выявить локальные дефекты при наличии периодических изменений сечения стержня путем изменения основной частоты зондирующих импульсов, а также оценить величину периодических изменений диаметра (сечения) и принять решение брак/годен с учетом квалитета

3. Разработана методика изготовления контрольных образцов с искусственными дефектами (сегментными пазами) для настройки параметров аппаратуры, реализующая новую технологию акустической дефектоскопии прутков малых диаметров из инструментальной стали.

4. Разработан эхо-сквозной метод контроля, основанный на многократных отражениях, позволяющий существенно повысить чувствительность (более чем в 10 раз) по сравнению с эхо-импульсным методом.

5. Для выявления протяженных дефектов, имеющих одинаковое сечение по всей длине прутка (остатки усадочной раковины), которые не могут быть выявлены с помощью стержневых волн (So, То), предложен метод контроля с поверхности прутка PC преобразователем, работающем на частоте 5 МГц, как дополнение при входном контроле.

6. Результаты исследований реализованы в переносном акустическом дефектоскопе прутков — заготовок из быстрорежущей инструментальной стали ПАДП, разработанном на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ИжГТУ под руководством проф. Буденкова Г. А., проф. Недзвецкой О. В., при участии сотрудников физико-технического института Уро РАН. Переносной акустический дефектоскоп прутков на стадии внедрения на предприятие ДОАО «Ижевский инструментальный завод». 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедева, Татьяна Николаевна, 2004 год

1. Марочник сталей и сплавов. Под ред. А. С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003

2. Вязников Н. Ф., Попандопуло А. К. Современная быстрорежущая сталь и ее термическая обработка/ JL: 1963

3. Инструментальные стали/Справочник, М.: Металлургия, 1977

4. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали/ М.:

5. Издательство стандартов, 1986

6. Маршрутная карта технологического процесса ОАО «Ижсталь», 2001 Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении/ С.-П.: Радиоавионика,1995

7. Гелин В.Д. Металлические материалы. Минск: Вышейшая школа, 1987. -267 с.

8. Атлас дефектов стали/ Под редакцией М.Л. Бернштейна. М.: Металлургия, 1979. - 188 с.

9. ГОСТ 20847-75. Прутки, полосы и профили горячекатаные и кованые из сталей и сплавов. Дефекты поверхности/ М: Издательство стандартов, 1986

10. Дефекты стали/ Справочник. М.: Металлургия, 1984

11. ГОСТ 10243 75. Методы испытаний и оценки макроструктуры/ М.:

12. Издательство стандартов, 1986

13. Инструкция по визуальному и измерительному контролю РД 03 606 -03/ М: «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003, с.101

14. ГОСТ 21105 87. Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод/ М: Издательство стандартов, 1986

15. Козлов В. В. Поверка средств неразрушающего контроля/ М.: Издательство стандартов, 1989

16. Выборное Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия/ М.: Металлургия, 1985, 256 с.

17. Клюев В. В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Кн. 2 М.: Машиностроение. - 1986. - 487 с. Методы акустического контроля металлов/ Под ред. Н.П. Алешина. - М.: Машиностроение.- 1989. - 456 с.

18. Гельфанд И.М., Сычева А.В., Кулаченков Г.П. Автоматический контроль качества проволоки. М.: Металлургия, 1983 .-98 с.

19. Федосенко Ю.К. Новые разработки и перспективы развития автоматизированных средств поточного контроля труб и проката. Электормагнитная толщинометрия покрытий// Контроль. Диагностика.1999. №5. - С.32.

20. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Под ред. Клюева В. В./ М: Машиностроение, т.2, 1986

21. Ультразвук. Маленькая энциклопедия/ Под ред. И.П. Голяминой. М.: Сов энциклопедия, 1979. - 400 с.

22. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. - 168 е.,

23. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник/Пер. С нем. М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

24. С. Desimone, P. Katchadjian, М. Tacchia. "Ultrasonic inspection of parallel wires type ropes for suspension bridge"// По материалам 15 Международной конференции, Рим, 2000

25. L. Laguerre. "Generation and detection of elastic guided waves with magnetoelastic device for the Nondestructive Evaluation of steel cables and bars"// По материалам 15 Международной конференции, Рим, 2000.

26. Rose, J. L. "Обнаружение дефектов в тонких пластинах с помощью УЗ волн в волноводах"// По материалам 15 Международной конференции, Рим, 2000

27. Rose, J. L, Zhao, X. "Осмотр колена трубопровода с помощью волн в волноводах"// По материалам 15 Международной конференции, Рим,2000.

28. Jeong, H.D., Shin, Н. J, Rose, J. L. "Использование волн для контроля железнодорожных рельсов"// По материалам 15 Международной конференции, Рим, 2000

29. Alleyne, D. N., Pavlakovic, Lowe M.J.S, Cawley, P. " Быстрый метод исследования на длинных расстояниях труб химического оборудования"// По материалам 15 Международной конференции, Рим, 2000

30. Тарасов В. В., Буденков Г. А., Глухов Н. А., Букин А. А.Использование акустических волн для решения задач контроля и диагностики. Предпринт АН РФ, Институт прикладной механики УрО РАН. Ижевск, 2002. 40 с.

31. Буденков Г.А., Шаврин О.И., Кокорин Н.А., Недзвецкая О.В. Комплексная технология дефектоскопии и упрочнения насосных штанг// Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2002. №3. - С. 16-18.36