Research of the accumulation of damage in the parts of the press-forging equipment and tools by magnetic methods

Abstract

The article considers abilities of magnetic methods of non-destructive testing (in particular, measurement of coercive field) for determination of damaging and remaining life of dies material and equipment. This article describes the experimental determination of principles for the instrument used for hot (bulk) and cold (sheet and volumetric) forging.

Full Text

Микро- и макродефекты структуры, накапливаясь в металле в процессе циклического нагружения, являются отображением силового режима работы конструкции. В качестве основного контролируемого параметра нами была принята коэрцитивная сила Hс (А/м), так как она однозначно связана с остаточной пластической деформацией, т.е. с уровнем повреждаемости металла (имеется ввиду суммарная повреждаемость от действия всех разрушающих процессов и привнесённая в металл в процессе изготовления инструмента). По своему физическому смыслу коэрцитивная сила – это напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания предварительно намагниченного до насыщения ферромагнетика, и может быть представлена, как (1) где – остаточная индукция; – циклический коэффициент напряжения; - циклический коэффициент упрочнения; – модуль упругости. Остаточная деформация определяется аналогичными параметрами: (2) где - амплитуда нагружения. При наличии корреляционных зависимостей между и по величине коэрцитивной силы можно вести контроль накопления повреждений в металле - выражения (1) – (2), а также прогнозировать долговечность деталей оборудования инструмента. Нами был проведен ряд натурных экспериментов по замеру коэрцитивной силы в оборудовании, деталях штампов и образцах из штамповых сталей. При проведении экспериментов использовался аттестованный прибор – КИМ-2М. Эксперимент проводился в лабораторных условиях и на 3-х заводах, эксплуатирующих кузнечно-прессовое оборудование и соответствующий инструмент. 1. Измерение коэрцитивной силы в деталях оборудования. 1.1. Эксперимент проводился на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП) производства барнаульского механического завода - модель К0032, сила 1600 кН, число ходов ползуна в минуту -32, расстояние между столом и ползуном в крайнем нижнем положении ползуна 580 мм, ход ползуна – 160 мм, регулировка расстояния между столом и ползуном – 10 мм. Год выпуска – 1977 г. (рисунок 1). В исследовании принимал участие аспирант Ком А.Л. Рисунок 1. Пресс, на котором проводились экспериментальные исследования На рисунке 2 можно наблюдать неравномерность показателей коэрцитивной силы в направляющих. Возможно, это связано с тем, что работа на прессе осуществлялась с использованием штампа, направляющие колонки которого расположены диагонально, что стало причиной неравномерного распределения нагрузки по направляющим пресса и, как следствие, разной степени их износа. По результатам эксперимента видно, что коэрцитивная сила в различных направлениях приложения датчика неодинакова. Следовательно, можно выявить предположительные места появления и направление магистральных усталостных дефектов и принять превентивные меры по их устранению. 1.2. Исследование коэрцитивной силы в столе и подштамповой плите кривошипного листоштамповочного пресса показало (рисунок 3), что накопление повреждаемости в двух направлениях (перпендикулярно и параллельно фронту пресса) происходит также с различной скоростью. Исследовался пресс К21166 номинальной силой 40 кН, ход ползуна регулируемый 5-45 мм, число ходов ползуна в минуту -160, закрытая высота – 160 мм. 2. Измерение коэрцитивной силы в штампе для вырубки-пробивки из листового материала. Сложность определения повреждаемости штампового инструмента состоит в том, что его эксплуатация практически всегда сопровождается совместным действием нескольких разрушающих процессов [1-3] и др. Обычно принимается, что работоспособность инструмента регламентируется активностью того физического процесса, который в данных условиях контролирует процесс разрушения. Однако эти процессы взаимодействуют и на различных этапах эксплуатации штампа (от первой отштампованной детали до его выхода из строя) могут как ускорять, так и существенно замедлять действие друг друга. В этом кроется причина того, что до сих пор не удалось создать единую универсальную методику определения стойкости (долговечности) штампов [4-8]. Рисунок 2. Измерение коэрцитивной силы в направляющих КГШП а) б) Рисунок 3. Измерение коэрцитивной силы в столе листоштамповочного пресса (а) и в подштамповой плите (б) Исследовался штамп последовательного действия с большой наработкой на отказ. Штамп всегда позиционировался в штамповом пространстве следующим образом: общая ось рабочих отверстий параллельна фронту пресса. В ходе эксперимента на различных (характерных) участках деталей штампа были получены значение коэрцитивной силы, на основе которых была составлена сводная таблица. Направление общей оси датчиков коэрцитиметра выделено на каждом рисунке прямоугольником. Эксперимент на уровне магнитных характеристик подтвердил ранее высказанное нами предположение о существенном влиянии расположения инструмента в штамповой зоне открытого кривошипного пресса на его стойкость. 3. Измерение коэрцитивной силы в разрушенном штампе для горячей объемной штамповки. Исследование коэрцетивной силы штампа значение коэрцитивной силы 1596 А/м, в близи зоны разрушения 626 А/м. 4. Измерение коэрцитивной силы в образцах СТ-1 из стали Х12МФ ГОСТ 5950-2000. Коэрцитивная сила в образцах (до испытаний) – в обоих направлениях 4700-5700 А/м. В образцах после испытания на циклическую трещиностойкость – 6328/7000 А/м. Как видно из результатов всех предыдущих экспериментов, коэрцитивная сила в инструментальных сталях существенно (в разы) выше того же параметра для конструкционных сталей. Это было выявлено впервые, и пока (до проведения дополнительных исследований) мы можем только предположить, что это влияние особенностей микроструктуры. Коэрцитивная сила, соответствующая моменту предразрущения у инструментальных сталей в штампах для холодной штамповки (и листовой, и объемной), растет, для горячей – существенно снижается. Мы провели ряд экспериментов по измерению скорости накопления усталостной повреждаемости (по изменению коэрцитивной силы) в различных штампах для холодной листовой штамповки на 3-х заводах. Статистическая обработка всех полученных результатов эксперимента показала, что средняя скорость роста коэрцитивной силы (как показателя повреждаемости) рабочих деталях штампового инструмента составила 0,1 А\(м×цикл) и зависит от ряда параметров: материла рабочих деталей, конструкции инструмента, конструкции и степени износа оборудования. Данный подход позволяет прогнозировать стойкость (долговечность) штампового инструмента более точно, чем это делается в настоящее время.