pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2022-13-2-147-154pimi-773Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsСтруктуроскопия витков пружин после высокотемпературной механической обработки на основе измерения скорости рэлеевских волнStructuroscopy of Coils after High-Temperature Mechanical Treatment on the Basis of Measurements of Rayleigh Waves VelocityМуравьевВ. B.MuravʼevV. V.

ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069; ул. имени Татьяны Барамзиной, 34, г. Ижевск 426067

Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069; Tatiana Baramzinoy str., 34, Izhevsk 426067, Russia

 

ГущинаЛ. В.GushchinaL. V.

Адрес для переписки: Гущина Л.В. – Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069, Россия e-mail: pmkk@istu.ru

Address for correspondence: Gushchina L.V – Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Udmurt Republic, Russia -mail: pmkk@istu.ru

pmkk@istu.ruИжевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова; Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наукРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical University; Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИжевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian Federation202206072022132147154Copyright © Муравьев В.B., Гущина Л.В., 20222022Муравьев В.B., Гущина Л.В.Muravʼev V.V., Gushchina L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/773

Для изготовления рессорных пружин подвижного состава (вагонов, локомотивов, автомобилей) применяют прутки из пружинных сталей. При высокотемпературной механической обработке при навивке пружин и их закалке возникает различие в скоростях охлаждения внутренней и наружной сторон витков пружины, что приводит к различию в структурном состоянии и сказывается на долговечности пружин. Цель работы – исследование влияния структурных изменений в наружной и внутренней поверхности витков пружин рессорной стали после операций навивки и высокотемпературной механической обработки на измеряемые характеристики рэлеевских акустических волн.

Исследованы скорости распространения рэлеевских волн в рессорно-пружинной стали 60С2А после операций навивки и высокотемпературной механической обработки. Для исследований использованы теневой метод и метод автоциркуляции с пьезоэлектрическими преобразователями ЦТС-19 частотой 5 МГц с конструкцией специального блока. Преобразователи обеспечивают ввод и приём рэлеевской волны по внутренней и наружной образующей поверхности пружины. Показано, что метод сравнения результатов измерения скорости рэлеевских волн на фиксированной базе по образующей витка на внутренней и внешней поверхностях пружины чувствителен к нарушениям в структуре материала и появлениям дефектов. Найдена однозначная связь структурных состояний на внешней и внутренней стороне пружины со скоростью рэлеевской волны.

В результате проведённых измерений сделан вывод о значимой чувствительности рэлеевских волн к структурному состоянию исследуемой стали. Обнаружен рост скорости волны на внутренней поверхности витка в зоне контакта с оправкой относительно внешней стороны витка, сигнализирующий о неполной закалке стали в этой зоне в процессе высокотемпературной механической обработки. Относительная разница скоростей в разных образцах пружин составляет приблизительно до 1 % (≈ 30 м/c), что является значительной величиной для оценки качества высокотемпературной механической обработки.

For the manufacture of spring springs of rolling stock (wagons, locomotives, cars), bars made of spring steels are used. With high-temperature machining, when winding springs and quenching them, there is a difference in the cooling rates of the inner and outer sides of the spring coils, which leads to a difference in the structural state and affects the durability of the springs. The aim of the work is to study the effect of structural changes in the outer and inner surfaces of spring steel coils after winding and high–temperature machining operations on the measured characteristics of Rayleigh acoustic waves.

The propagation velocities of Rayleigh waves in spring-spring steel 60C2A after winding and hightemperature machining operations are investigated. The shadow method and the autocirculation method with piezoelectric converters CTS-19 with a frequency of 5 MHz with a special block design were used for research. The converters provide input and reception of the Rayleigh wave along the inner and outer forming surface of the spring. It is shown that the method of comparing the results of measuring the velocity of Rayleigh waves on a fi base by the coil generator on the inner and outer surfaces of the spring is sensitive to disturbances in the structure of the material and the appearance of defects. An unambiguous relationship of the structural states on the outer and inner sides of the spring with the velocity of the Rayleigh wave is found.

As a result of the measurements, a conclusion was made about the significant sensitivity of Rayleigh waves to the structural state of the steel under study. An increase in the wave velocity was detected on the inner surface of the coil in the contact zone with the mandrel relative to the outer side of the coil, signaling incomplete hardening of steel in this zone during high-temperature machining. The relative speed difference in different spring samples is approximately up to 1 % (≈ 30 m/s), which is a significant value for assessing the quality of high-temperature machining.

скорость рэлеевских волнтеневой метод и метод автоциркуляциирессорнопружинная стальRayleigh wave velocitythrough transmission method and auto-circulation methodspring steelИсследование выполнено за счёт гранта РФФИ Бел-а (проект № 20-58-0015) с использованием УНУ «Информационно-измерительный комплекс для исследования акустических свойств материалов и изделий».The research was carried out at the expense of the RFBR Bel-a grant (project no. 20-58-0015) using the UNU “Information measurement system for the research of acoustic properties of materials and productsReferencesОрлова А.М. Подходы к оценке напряженнодеформированного состояния пружин рессорного подвешивания грузовых вагонов / А.М. Орлова [и др.] // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2020. – Т. 17, № 2. – С. 221–232. DOI: 10.20295/1815-588X-2020-2-221-232Orlova A.M., Rudakova E.A., Shevchenko D.V., Gusev A.V., Shalpegin G.S. [Approaches to assessing the stress-strain state of freight car spring suspension coils]. Izvestiya peterburgskogo universiteta putej soobshcheniya, 2020, vol. 17, no. 2, pp. 221–232 (in Russian). DOI: 10.20295/1815-588X-2020-2-221-232Сунь Х. Анализ остаточных напряжений в винтовых цилиндрических пружинах при высокой температуре / Х. Сунь, В.Л. Данилов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2015. – № 6. – С. 384–396. DOI: 10.7463/0615.0778617Sunʼ H., Danilov V.L. [Analysis of residual stres-ses in helical cylindrical springs at high temperature]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of Bauman MSTU], 2015, no. 6, pp. 384–396 (in Russian). DOI: 10.7463/0615.0778617Del Llano-Vizcaya L., Rubio-Gonzales C., Mesmacqueb G., Banderas-Hernándeza A. Stress relief effect on fatigue and relaxation of compression springs // Materials and Design, 2007, vol. 28, no. 4, pp. 1130–1134. DOI: 10.1016/j.matdes.2006.01.033Del Llano-Vizcaya L., Rubio-Gonzales C., Mesmacqueb G., Banderas-Hernándeza A. Stress relief effect on fatigue and relaxation of compression springs. Materials and Design, 2007, vol. 28, no. 4, pp. 1130–1134. DOI: 10.1016/j.matdes.2006.01.033Ulrike Karr, Yusuke Sandaiji, Ryota Tanegashima, Shogo Murakami, Bernd Schönbauer, Michael Fitzka, Herwig Mayer. Inclusion initiated fracture in spring steel under axial and torsion very high cycle fatigue loading at different load ratios // International Journal of Fatigue, 2020, vol. 134, p. 105525. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105525Ulrike Karr, Yusuke Sandaiji, Ryota Tanegashima, Shogo Murakami, Bernd Schönbauer, Michael Fitzka, Herwig Mayer. Inclusion initiated fracture in spring steel under axial and torsion very high cycle fatigue loading at different load ratios. International Journal of Fatigue, 2020, vol. 134, p. 105525. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105525Лавриненко Ю.А. Исследование напряженнодеформированного состояния при навивке пружин под воздействием комбинированного нагружения / Ю.А. Лавриненко // Заготовительные производства в машиностроении. – 2017. – Т. 15. – № 9. – С. 399–404.Lavrinenko YU.A. [Study of strain-stress state during springs coiling by combination loading]. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii, 2017, vol. 15, no. 9, pp. 399–404 (in Russian).Околович Г.А. Термическая обработка пружин железнодорожного транспорта / Г.А. Околович, Д.В. Кураков, Т.Г. Шарикова, С.А. Чекалина // Ползуновский альманах. – 2015. – № 2. – С. 141–145.Okolovich G.A., Kurakov D.V., Sharikova T.G., Chekalina S.A. [Heat treatment of springs of railway transport]. Polzunovskij al'manah, 2015, no. 2, pp. 141– 145 (in Russian).Титов А.В. Влияние режимов термической обработки на микроструктуру пружин ответственного назначения из стали 60с2а и титанового сплава ВТ16 / А.В. Титов // Металлообработка. – 2015. – № 5 (89). – С. 43–49.Titov A.V. [The effect of heat treatment on the microstructure of springs for critical applications SA of steel and titanium alloy VT16]. Metalloobrabotka, 2015, no. 5(89), pp. 43–49 (in Russian).Орлова А.М. Анализ методик расчета горизонтальной жесткости пружин рессорного подвешивания грузовых вагонов / А.М. Орлова [и др.] // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2019. – Т. 16. – № 2. – С. 191–201. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-191-201Orlova A.M., Rudakova E.A., Shevchenko D.V., Gusev A.V., Popovich C.I., Savushkin R.A. [Analysis of design procedures for horizontal spring stiffness of bogie suspension of freight cars]. Izvestiya peterburgskogo universiteta putej soobshcheniya, 2019, vol. 16, no. 2, pp. 191–201 (in Russian). DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-191-201Григорьев В.М. Анализ разрушений пружин пассажирского вагона / В.М. Григорьев, В.М. Макиенко, П.В. Соколов // Транспорт Азиатско-Тихоокеанского региона. – 2015. – № 1 (2–3). – С. 94–97.Grigor'ev V.M., Makienko V.M., Sokolov P.V. [Analysis of the springs destruction of the passenger carriage]. Transport Aziatsko-Tihookeanskogo regiona, 2015, no. 1(2–3), pp. 94–97 (in Russian).Марков А.М. Пружины рессорного комплекта тележек грузовых вагонов / А.М. Марков [и др.] // Актуальные проблемы в машиностроении. – 2016. – № 3. – С. 194–198.Markov A.M., Gabets A.V., Gabets D.A., Gavrikov D.V. [Coil spring group for freight-car truck]. Aktual'nye problemy v mashinostroenii [Actual problems in machine building], 2016, no. 3, pp. 194–198 (in Russian).Злобин Д.В. Особенности построения аппаратуры электромагнитно-акустической дефектоскопии пруткового проката с использованием стержневых волн / Д.В. Злобин, О.В. Муравьёва // Вестник Ижевского государственного технического университета. – 2012. – № 4. – С. 99–104.Zlobin D.V., Murav'eva O.V. [Development features of electromagnetic acoustic defectoscopy equipment for bar iron using rod waves]. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2012, no. 4, pp. 99–104 (in Russian).Муравьева О.В. Влияние глубины залегания дефекта на параметры многократно-теневого электромагнитно-акустического метода контроля прутков / О.В. Муравьева, М.Ю. Соков // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2016. – Т. 19. – № 3. – С. 46–50.Murav'eva O.V., Sokov M.YU. [Influence of the defect depth on the parameters of electromagnetic-acoustic multiple-shadow method of the rod testing]. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2016, vol. 19, no. 3, pp. 46–50 (in Russian).Петров К.В. Влияние конструктивных особенностей проходного электромагнитно-акустического преобразователя на результаты контроля цилиндрических объектов / К.В. Петров, М.Ю. Соков, О.В. Муравьева // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2018. – Т. 21. – № 2. – С. 135–146. DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-135-146Petrov K.V., Sokov M.YU., Murav'eva O.V. [The effect of electromagnetic acoustic transducer design features on results of cylinder object testing]. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2018, vol. 21, no. 2, pp. 135–146 (in Russian). DOI: 10.22213/2413-1172-2018-2-135-146Баев А.Р. Ультразвуковой метод анализа поверхностного упрочнения металлических изделий / А.Р. Баев, А.Л. Майоров, М.А. Тищенко // Литье и металлургия. – 2010. – № 4. – С. 267–271.Baev A.R., Majorov A.L., Tishchenko M.A. Ultrasonic methods of analysis of the metal articles surface hardening. Foundry production and metallurgy, 2010, no. 4, pp. 267–271 (in Russian).Волкова Л.В. Использование многократного зеркально-теневого метода при ультразвуковом контроле пера подошвы рельса / Л.В. Волкова, А.В. Платунов // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2019. – Т. 22. – № 4. – С. 38–45. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-38-45Volkova L.V., Platunov A.V. [Rail base point inspection using the mirror through transmission testing technique on multiple reflections]. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova, 2019, vol. 22, no. 4, pp. 38–45 (in Russian). DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-38-45Муравьев В.В. Скорость звука и структура сталей и сплавов / В.В. Муравьев, Л.Б. Зуев, K.Л. Комаров // Новосибирск: Наука, 1996. – 184 с.Muravʼev V.V., Zuev L.B., Komarov K.L. [Sound Speed and Structure of Steels and Alloys]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1996, 184 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.