Введение к работе
Работа направлена на решение важной народнохозяйственной задачи контроля механических свойств малогабаритных изделий массового производства из ферромагнитных материалов. Она обобщает основные результаты исследований автора по развитию теории, разработке новых способов и приборов магнитного контроля механических свойств малогабаритных изделий в процессе их движения.
Актуальность работы определяется насущной потребностью промышленности в высокопроизводительных, достоверных, универсальных, автоматизированных, компактных приборах неразрулающего контроля малогабаритных ферромагнитных изделий. Возможные отклонения режимов термообработки изделий от заданных приводят к недопустимым изменениям механических свойств, требует контроля всей выпускаемой продукции. Такой контроль может быть осуществлен только не-разрушающими методами, наиболее перспективным из которых является магнитный. Индивидуальный характер использования изделий в узлах ответственного назначения обусловливает необходимость контроля свойств каждого изделия. Массовый характер производства требует использования высокопроизводительных, автоматизированных средств контроля изделий непосредственно в движении. Такие средства не могут быть разработаны без всестороннего научного анализа процессов, происходящих при магнитном контроле качества движущихся малогабаритных изделий. Проведенный анализ позволил сформулировать научные задачи, нерешенность которых сдерживала развитие средств контроля. На основе решения поставленных задач разработан комплекс новых способов и приборов для нераарушащего контроля механических свойств изделий массового производства, имеющих качественно новые технические характеристики по сравнению с существующими.
Все исследования проведены автором при участник в выполнении трех госбюджетных ("Разработ а физических основ импульсного магнитного контроля механических свойств изделий, в том числе движущихся в процессе производства", № гос. регистрации 01.83.0015278; "Разработка физических основ и создание средств автоматизированного магнитного контроля механических свойств материалов и изделий", * гос. регистрации Р 01.88.0014985; "Разработать автоматизированную систему и методику контроля твердости заготовок термо-обрабаткваемых стальных и чугунных изделий массового производства" задание 06.07 межатраслевой республиканской комплексной научно-^хничзской программы по машиностроению на 1992-1995 гг.) и один-
_ 4 -
надцати хоздоговорных тем.
Целью настоящей аоты_ является осуществление дальнейшего теоретического развития и обобщения проблемы магнитного контроля механических свойств малогабаритных изделий из ферромагнитных материалов в процессе движения, сознание " способов и средств для решения ряда народнохозяйственных задач неразрушащего контроля изделий массового производства, связанных как с промежуточным технологическим контролем свойств заготовок перед механической обработкой, так и со сдаточными испытаниями готовой продукции.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:
проведение теоретического обобщения и осуществление перехода от описательного анализа процессов формирования остаточной намагниченности изделий к установлению аналитических закономерностей для определения поля, требуемого для намагничивания изделий, и для чувствительности их остаточной намагниченности к лагнитным характеристикам материалов и размерам;
построение феноменологической модели формирования остаточной намагниченности в стальном изделии, подвергаемом воздействии однородного и неоднородного намагничивающего и размагничивающего полей на базе экспериментального исследования особенностей распределения остаточной индукции в изделии;
анализ особенностей движения ферромагнитного изделия под действием силы тяжести сквозь область с намагничивающим полем, особенностей сигналов индукционных и нагниточувствительных преобразователей при движении намагниченных изделий;
разработка принципов формирования и обработки сигналов преобразователей, обеспечивающих отстройку от влияния электромагнитных помех, изменений скорости движения изделий, их смещений и вращений при движении;
- сознание способов контроля механических свойств движущихся
малогабаритных изделий по результату измерения магнитных парамет
ров, обеспечивающих высокую производительность контроля и отстройку
от влияния непостоянства размеров изделий;
: создание- комплекса автоматизированных высокопроизводительных компактных приборов магнитного контроля движущихся малогабаритных изделий и их использование для решения народнохозяйственных задач контроля конкретных изделий;
"создание достоверного и удобного метрологического обеспечения средств контроля, проведение метрологической аттестации.
Мет_оды_исследования. При расчетах намагниченности изделий ис-
пользованы аппроксимации изменения намагниченности ферромагнитных материалов в магнитном поле. При анализе пространственного распределения поля намагниченных изделий использован метод магнитных зарядов и принципы физического моделирования. Принципы математического моделирования использованы при анализе движения ферромагнитного изделия сквозь область с неоднородным магнитным полем и алгоритмов обработки сигналов магниточувствительных преобразователей. Для анализа сигналов индукционных преобразователей использован метод их визуализации запоминающим осциллографом. В работе широко использованы аналитические преобразования исследуемых закономерностей с применением алгебраических и тригонометрических преобразований, результаты теоретических исследований проверялись экспериментально с использованием аппарата статистической обработки результатов измерений, который применен также при обработке результатов внедрения.
ДоТВрность результатов.w Основные теоретические представления, развитые в диссертации, подтверждены корректно поставленными экспериментами на аппаратуре, прошедшей необходимую аттестацию, итогами внедрения разработанных приборов в промышленности, результатами их государственной метрологической аттестации.
Научная новизна.
-
Теоретически обобщены задачи намагничивания малогабаритных изделий из ферромагнитных материалов применительно к магнитному контролю механических свойств изделий в движении.
-
Осуществлен переход от описательного анализа процессов формирования намагниченности изделий к установлению аналитических закономерностей для определения намагничивающего поля (с учетом допустимой погрешности измерения заданного параметра предельной петли гистерезиса, размеров и магнитных свойств материала изделий) и чувствительности остаточной намагниченности изделий и магнитного потока в них к магнитным характеристикам материалов и размерам изделий.
-
Экспериментально уста' івлена независимость распределения остаточной индукции вдоль -тальных стержней от величины намагничивающего поля и изменений магнитных свойств стержней, обусловленных различием их термообработки. Показано, что это распределение с достаточной для практики точностью может быть аппроксимировано параболическим законом. Установлена не известная ранее зависимость параметра распределения от размеров стержня.
-
Предложена феноменологическая модель формирования остаточной намагниченности и размагничивающего поля в стальном изделии.
- б -
Проанализированы особенности распределения намагниченности и размагничивающего поля. Установлена взаимосвязь между параметрами распределения намагниченности и индукции в зависимости от размеро» и магнитных свойств стержней.
-
При расчете пространственного распределения поля изделия методом магнитных зарядов произведена нормировка поля в произвольной точке пространства к магнитному потоку в центральном сечении изделия, позволившая расширить область применения полученных аналитических выражений по сравнению с ранее известными и получить новые аналитические зависимости изменения максимальных значений составляющих поля и их градиентов от расстояния до поверхности намагниченного изделия. Справедливость полученных аналитических зависимостей доказана экспериментально.
-
Обоснована возможность измерения статических магнитных параметров предельной петли гистерезиса стальных изделий, намагничиваемых при монотонном (безостановочном) падении под действием силы тяжести сквозь область со стационарным полем. На основании теоретических и экспериментальных исследований изменения индукции в движущемся изделии и окружающем пространстве создан комплекс новых способов и методик контроля механических свойств изделий, обеспечивающий повышение достоверности и точности за счет дополнительного измерения максимальной индукции в движущемся изделии, отстройки от влияния изменений скорости движения, размеров изделий и их смещений.
-
Явление упреждающего перемагничивания поверхностного слоя стального цилиндра за счет внутреннего замыкания силовых линий индукции подтверждено анализом распределения остаточной индукции в продольно намагниченном цилиндре после воздействия стационарным полем противоположного направления. Установлено, что после перемагничивания в более сильном поле силовые линии индукции обратно намагниченных участков замыкаются через поверхность цилиндра, а его сердцевина сохраняет первоначальное направление намагниченности, даже когда внешние признаки этого отсутствуют.
-
Обосновано безэталонное метрологическое обеспечение пото-кочувствительных средств магнитного контроля механических свойств изделий массового производства на базе имитации движения намагниченного изделия движением его магнитной модели.
9. Получены аналитические зависимости, устанавливающие связь магнитного потокосцепления остаточно намагниченного цилиндра и круглого витка с их размерами, несоосностью, параметром распределения намагниченности. Справедливость полученных аналитических зависимостей проверена экспериментально.
Практическая_ценность даботьи. Создано научное обеспечение для разработки средств магнитного контроля механических свойств малогабаритных изделиіі в движении. Новые результаты в области анализа процессов формирования остаточной намагниченности изделий позволяют обоснованно выбирать требуемый для решения задачи контроля магнитный параметр, способ измерения, наивыгоднейшую величину намагничивающего поля, конструкцию и характеристики измерительных преобразователей.
Pajpa6oTaHH принципы и алгоритмы построения систем намагничивания движущихся малогабаритных изделий, обеспечивающие минимизацию их весо-габарктных характеристик, позволяющие измерять остаточный поток в изделиях в непосредственной близости от области со стационарным намагничивающим (и размагничивающим) полем, уменьшить размеры средств контроля и время измерения.
Разработаны принципы построения измерительных преобразователей, обеспечивающие контроль механических свойств продольно и поперечно намагниченных изделий, шаров, многократное ослабление влияния электромагнитных помех путем селективного измерения заданного магнитного параметра.
Разработаны принципы и алгоритмы обработки сигналов индукционных преобразователей, обеспечивающие нераэрушающий контроль механических свойств движущихся изделий в широком диапазоне изменения скорости движения, вольт-секундной площади,амплитуды и полярности сигналов преобразователя.
Реалиэация_в_помышлнности. Разработанные новые способы, принципы и методики реализованы при создании новых средств магнитного контроля механических свойств движущихся малогабаритных изделий - приборов типа Магнитный Анализатор Качества Стальных Изделий МАКСИ (АНБ-692), МАКСИ-2 и МАКСИ II vnopTaTHBHbtfl), обладающих качественно новыми техническими хараїтеристиками по сравнению с известными аналогами, подтвержденными результатами метрологической аттестации приборов. Разработанные способы и приборы внедрены в промышленности для решения задач контроля конкретных изделий. Приборы МАКСИ (АНБ-692) внедрены на Липецком металлургическом заводе "Свободный сокол". Минском заводе отопительного оборудования, предприятии п/я А-3680 (г.Киров), Московском чугунолитейном заводе им.Войкова, Ржищевском заводе "Радиатор", приборы МАКСИ-2 - на Ульяновском авиационном промь^ленном комплексе, приборы МАКСИ-П - на Минском заводе отопительного оборудования.
Апобадия ^аботы^. Основные положения работы доложены и обсу~, кдены на 12-й Всемирной конференции по неразрушающему контроля, Амстердам, 1989; Международных конференциях по измерительной технике Мера-92 и Мера-93, 1992, 1993 гг.; Международных конференциях "Дефектоскопия-1989", Пловдив, Болгария и "Стандартизация и управление качеством в металлургии и минеральном сырье", Варна, Болгария, 1989; Второй национальной конференции по неразрушавцим методам контроля материалов, Варна, Болгария, 1990; XI (Львов. 1987) и ХП (Свердловск, 199^) Всесоюзных НТК "Нераэрушающие физические методы и средства контроля", УП Всесоюзной конференции "Проблемы магнитных измерений и магнитоизмерительной аппаратуры", Ленинград, 1989; ІУ (Омск, 1983) и У (Могилев, 1992) Всесоюзных межвузовских конференциях по электромагнитным методам контроля; 7-й (Устинов, 1986), 8-й (Челябинск, 1987) и 9-й (Свердловск, 1988) Уральских научно-технических конференциях по кераэрупающему контроле; Латвийском научно-техническом семинаре по неразрушающему контролю в 1984 г, 1985, 1988 и 1990 гг; Белорусском республиканском семинаре по кераэрушащему контролю, Минск, 199І; УІ отраслевом совещании "Состояние и перспективы развития методов и средств неразруша-ющего контроля авиационной техники", Ульяновск, 1989; Межотраслевом экспертном совете НИМИ, Москва, 1990 и 1992 гг.
Пулкации^ Материалы диссертации опубликованы в 94 печатных работах, в том числе 29 авторских свидетельствах и 18 патентах на изобретения.
СтуТра диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения к приложений. Полный объем работы - 358 страниц, вили-чает 88 рисунков и 22 таблицы на 68 страницах, список литературу из 458, наименований на 46 страницах и 4 приложения на 29 страницах (некоторые математические преобразования, акты об использовании изобретений в разработанных приборах, свидетельстве о метрологической аттестации, акты о внедрении приборов).
