Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и сравнительный анализ методов и средств контроля качества многослойных материалов и изделий из них. постановка задачи исследования 40
1.1. Методы и средства контроля прочности соединения слоев биметалла 40
1. 1. 1. Качественные методы контроля прочности соединения слоев 41
1. 1.2. Количественные методы контроля прочности соединения слоев 44
1. 1.3. Неразрущающие методы контроля прочности соединения слоев биметаллов 46
1. 2. Методы и средства контроля толщины металлического проката..49
1.2. 1. Выборочный контроль толщин слоев биметаллов 49
1. 2. 2. Методы и устройства непрерывного контроля толщины 51
1. 2. 2. 1. Факторы, влияющие на толщину прокатываемой полосы 51
1. 2. 2. 2. Косвенное измерение толщины 55
1.2. 2.3. Контактные измерители толщины полосы 57
1. 2. 2. 4. Бесконтактные методы и устройства контроля толщины 57
1.3. Методы и устройства определения пористости материалов 63
1. 4. Методы и средства неразрушающего контроля теплофизических
свойств многослойных материалов 66
1.5. Методы и средства контроля геометрических параметров
деталей 67
1. 5.1. Электроконтактные измерители размеров 67
1.5.2. Фотоэлектрические измерители размеров 68
1.5.3. Емкостные измерители размеров 71
1.5.4. Пневматические измерители размеров 72
1. 5. 5. Индуктивные измерители размеров 73
1. 6. Системы активного контроля размеров и повышения точности
обработки деталей 75
1. 7. Выводы и постановка задач исследования 80
Глава 2. Теоретические основы методов контроля качества многослойных материалов и изделий из них 85
2. 1. Электромагнитные методы контроля сплошности соединений слоев и соотношений толщин слоев многослойных материалов 85
2. 1. 1. Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием 85
2. 1.2. Воздействие двухслойного изделия на датчик с пренебрежимо малым поперечным сечением обмоток 93
2. 1.3. Метод контроля сплошности соединения слоистых металлов 95
2. 1.3. 1. Метод контроля соотношения толщин слоев биметаллов...98
2. 1.3.2. Метод непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием 100
2. 2. Теплометрические методы непрерывного контроля сплошности соединений, соотношения толщин слоев и теплофизических
свойств многослойных композиций 105
2. 2. 1. Математическая модель температурных полей в биметаллах при бесконтактном тепловом воздействии на них подвижного
источника тепла 105
2.2.2. Анализ теплофизических процессов в биметаллах 109
2. 2. 2. 1. Бесконтактные источники тепловой энергии при нагреве
двухслойных материалов 109
2. 2. 2. 2. Уравнения теплопроводности одномерной модели с неподвижным источником тепла 112
2. 2. 2. 3. Уравнения теплопроводности пространственной модели с неподвижным источником тепла 116
2. 2. 3. Теплометрический метод контроля сплошности соединения слоев биметалла 123
2. 2. 4. Метод неразрушающего контроля толщины двухслойных изделий 128
2. 2. 5. Бесконтактный неразрушающий контроль толщины и теплофизических свойств изделий 133
2. 3. Метод непрерывного контроля качества металлофторопластовых ленточных материалов 139
2. 4. Активный контроль геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения 146
2. 4. 1. Метод активного контроля геометрических размеров вкладышей в процессе протягивания плоскостей разъема 146
2. 4. 2. Метод повышения точности обработки вкладышей на вертикально-протяжных станках 150
2. 4. 2. 1. Разделение погрешностей обработки 153
2. 4. 2. 2. Алгоритм процесса повышения точности обработки вкладышей за счет подналадки инструмента 156
ВЫВОДЫ 160
Глава 3. Устройства (датчики) неразрушающего контроля качества многослойных материалов и изделий из них 163
3.1. Устройства для контроля толщины и теплофизических свойств изделий 163
3.1. 1. Конструкция устройства контроля толщины покрытий на изделиях, имеющих сложную форму поверхности 163
3. 1.2. Конструкция устройства контроля толщины и теплофизических свойств изделий 166
3. 1.3. Устройство бесконтактного контроля толщины покрытий 168
3. 1.4. Устройство бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий 171
3. 1.4. 1. Поиск оптимальной скорости перемещения источника теплоты и термоприемника 172
3. 1. 4. 2. Поиск оптимального расстояния между источником теплоты и термоприемником и оптимальной скорости их перемещения относительно исследуемого изделия 175
3. 2. Устройство непрерывного контроля сплошности соединений слоев и соотношений толщин слоев многослойных металлических материалов в процессе прокатки 178
3. 2. 1. Устройство непрерывного контроля соотношения толщин слоев биметалла 179
3. 2. 2. Устройство непрерывного контроля сплошности соединений слоев слоистых металлов 183
3.3. Бесконтактный индуктивный преобразователь линейных перемещений 187
3.3.1 Конструкция индуктивных преобразователей линейных перемещений 193
3.3.2 Экспериментальное исследование индуктивных
преобразователей перемещений 197
ВЫВОДЫ 201
Глава 4. Измерительно-управляющие системы неразрушающего контроля качества многослойных композиций и изделий из них 203
4.1. Микропроцессорная система контроля соотношения толщин слоев биметаллов 203
4. 1. 1. Информационно-измерительная система непрерывного контроля сплошности соединения и толщины слоев трехслойного биметалла 205
4. 2. Информационно-измерительная система непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием 207
4. 3. Информационно-измерительная система бесконтактного контроля теплофизических свойств и толщины слоев биметалла 209
4. 3. 1. Устройство бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий 209
4. 3. 2. Алгоритм работы информационно-измерительной системы бесконтактного неразрушающего контроля толщины и теплофизических свойств изделий 210
4. 3. 3. Информационно - измерительная система бесконтактного контроля толщины покрытий изделий 214
4. 3. 4. Информационно-измерительная система контроля толщины двухслойных изделий 217
4. 4. Измерительная система контроля характеристик качества металлофторопластовых материалов 222'
4. 5. Измерительно-управляющая система активного контроля геометрических параметров вкладышей 225
4. 5. 1. Алгоритм работы измерительно-управляющей системы контроля геометрических параметров вкладышей 228
4. 5. 2. Анализ точности обработки вкладышей по экспериментальным данным 233
4. 6. Система автоматического контроля толщины вкладышей подшипников скольжения 238
4. 6. 1. Система контроля толщины вкладышей 238
4. 6. 2. Алгоритм работы автоматической системы контроля толщины вкладышей 239
ВЫВОДЫ 243
Глава 5. Анализ погрешностей устройств контроля геометрических параметров изделий 246
5. 1. Анализ источников погрешностей обработки вкладышей при активном контроле 246
5. 2. Компенсация погрешности измерения, вызванные колебаниями температуры 248
5. 3. Погрешность преобразования индуктивных датчиков 251
5. 4. Расчет температурной погрешности индуктивных преобразователей перемещений 261
5.5. Исследование методической погрешности бесконтактных тепловых методов 268
ВЫВОДЫ 271
Глава 6. Интенсификация производства антифрикционного биметалла 273
6. 1. Метод изготовления сталебронзового антифрикционного биметалла холодным плакированием 273
6.2. Модернизированная линия рулонного производства антифрикционного биметалла 282
6. 3. Система автоматического регулирования соотношения толщин слоев 286
6. 4. Конструкция модернизированной опоры валка прокатного стана 289
6. 5. Тепловой метод утилизация отходов антифрикционных биметаллов 294
Выводы 299
Основные выводы и результаты 301
Список использованных источников
- Количественные методы контроля прочности соединения слоев
- Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием
- Конструкция устройства контроля толщины покрытий на изделиях, имеющих сложную форму поверхности
- Информационно-измерительная система непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием
Введение к работе
Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили многослойные металлические, неметаллические и комбинированные слоистые композиции. Эти материалы являются не только заменителями дефицитных металлов, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, позволяющих расширить возможности создания новых машин, приборов и различных изделий. Значительная технико-экономическая эффективность использования многослойных композиций обусловлена тем, что, во-первых, за счет определенного сочетания различных металлов или сплавов, а также неметаллов в многослойных композициях удается объединить нужные эксплуатационные свойства его компонентов, а в ряде случаев получить специфические свойства, которыми не обладают отдельно взятые материалы. Во-вторых, применение многослойных композиций в народном хозяйстве дает значительную экономию дорогостоящих и дефицитных металлов и сплавов при одновременном увеличении прочности или снижении массы изделий и конструкций.
Многослойные композиции применяются для производства деталей и оборудования предприятий химического, нефтяного, сельскохозяйственного, транспортного, энергетического и других отраслей машиностроения. К потребителям таких материалов относятся также приборостроение и радиоэлектроника, инструментальная промышленность, предприятия, производящие товары культурно-бытового и хозяйственного назначения.
Все производимые в настоящее время многослойные композиции по назначению можно подразделить на следующие виды (рисЛ): коррозионно-стойкие, износостойкие (в том числе инструментальные), антифрикционные, электротехнические (проводниковые и контактные), термобиметаллы, композиции для строительных конструкций и бытовых изделий.
Продукция
Многослойные материалы
Многослойные металлические материалы
Комбинированные слоистые материалы
Изделия (подшипники скольжения)
Сферические опоры
Неразъемные и свертные втулки
Упорные кольца
Вкладыши
Технология производства
Антифрикционные слоистые металлические материалы
Подшипники скольжения
Антифрикционные металлофторо-пластовые ленточные материалы
Показатели качества
Катанные биметаллические полосы с антифрикционными сплавами
Вкладыши подшипников скольжения
Металлофторопластовые ленточные материалы
'Ч
, -I
3 Й
о
S и
к а. в-
о о. vo
$
о. С
S о
а і
представлены в работе
Рис. 1. Классификация по назначению, технология производства и показатели качества многослойных материалов и изделий из них
Самым распространенным способом изготовления различных многослойных металлических и комбинированных композиций, в том числе сталь-цветные металлы, является способ совместной пластической деформации компонентов в процессе его прокатки. Наибольшее распространение и перспективу широкого применения имеет полосовой и листовой многослойный прокат сталь-медь, алюминий и их сплавы.
Одна из наиболее эффективных областей использования многослойных композиций - производство подшипников скольжения (вкладышей, неразъемных и свернутых втулок, упорных колец, сферических опор и др.). Основными потребителями таких подшипников являются автомобильная и трак-
торная промышленность. Для подшипников скольжения производят следующие биметаллы: сталь - бронза (Бр ОЦС4-4-2,5 и Бр ОФ6,5-0,15), сталь -алюминиевые сплавы (АОб-1, А09-1, АО 10-1, АО 12-1, АО20-1), сталь - медь (в качестве конструкционной основы металлофторопластовых подшипников). Применение биметаллов для вкладышей подшипников скольжения неразрывно связано с проблемой экономики цветных металлов и заменой дефицитных антифрикционных сплавов типа баббита.
В связи с возрастающим объемом производства многослойных композиций и изделий из них, повышением требований к их эксплуатационным характеристикам становятся актуальными задачи интенсификации производства и повышения качества готовых изделий и снижения затрат на их изготовление. Решение этих задач связано как с совершенствованием технологии и технологического оборудования для производства этих материалов и изделий из них в целом, отдельных агрегатов и узлов, так и средств контроля качества, в том числе и автоматических средств измерения и неразрушающего активного контроля характеристик качества (АСИиНАК). Повышение качества продукции, увеличение ее надежности и долговечности зависят от надлежащего контроля на всех этапах производства, начиная от заготовок и полуфабрикатов и кончая готовым изделием.
Одним из наиболее существенных факторов, влияющих как на себестоимость изделия, так и на ресурс его работоспособности, является технология активного контроля качества его деталей и узлов. Развитие технологии и возросшие требования к точности изготовления изделий в настоящее время приходят в противоречие с устаревшими средствами контроля, которые используют предприятия. Анализ структуры трудоемкости для большинства изделий показывает, что до 30% времени приходится на операции контроля.
В этих условиях повышение объективности контроля за счет улучшения точностных характеристик контрольного оборудования, наращивания его функциональных возможностей, автоматизации процессов контроля позволяют добиться улучшения экономических и технических характеристик из-
делия без коренной модернизации технологии и с меньшими капитальными затратами. Использование точного контрольного средства позволяет существенно снизить количество брака и удержаться в допуске даже на изношенном оборудовании. Замена менее точных средств измерения на более точные заведомо экономически эффективна, так как снижается количество неверно отбракованных деталей, бракованные детали не попадают на сборку изделий, снижается процент брака непосредственно при обработке детали и трудоемкость контроля.
Таким образом, внедрение средств активного контроля позволяет обеспечить профилактику брака; повысить качество изготовления деталей благодаря автоматическому поддержанию оптимальных режимов обработки и производительность изготовления вследствие сокращения вспомогательного времени на контроль и возможность многостаночного обслуживания; облегчить работу станочников и обеспечить безопасность их труда; получить высокую точность при сравнительно невысокой квалификации операторов.
В ряде случаев выборочный контроль исходного материала, заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий ответственного назначения на заводах не гарантирует их высокое качество, особенно при серийном и массовом производстве. Все более широкое распространение получает непрерывный нераз-рушающий контроль всей продукции на отдельных этапах производства.
Требования, предъявляемые к геометрической форме подката, идущего на изготовление биметалла (табл. 1), предусматривают максимальную точность ширины и толщины по всей длине. Различие между ширинами базового и плакирующего слоев нарушает устойчивость полос в валах при совместной их прокатке, вызывает образование неплакированных участков, рванин и увеличивает потери при последующей обрезке биметалла.
Таблица 1.Основные свойства антифрикционных биметаллических материалов
Значительная разнотолщинность исходных заготовок затрудняет получение биметаллических полос с постоянным соотношением слоев. Поэтому горячекатаный стальной подкат, идущей на изготовление полосового антифрикционного биметалла, предназначенного для штамповки вкладышей, подвергают обычно калибровке для максимального сокращения допусков на толщину. Антифрикционные подшипниковые биметаллы сталь 08 кп — сплав А06-1 (А09-1, АО10С2, АО 12-1, АО20-1) и сталь 08 кп - бронза (Бр ОЦС4-4-2,5; Бр ОФ 6,5-0,15) получают методом холодной прокатки через подслой соответственно алюминия А7 ГОСТ 11069-74 и меди Ml ГОСТ 859-76 [86, 87]. В технологическом цикле производства этих биметаллов ведется и изготовление подката (алюминий - антифрикционный алюминиевооловянистый сплав -алюминий и медь - бронза - медь) методом холодной прокатки с обжатием 90% для алюминиевого подката за 5-6 проходов и с обжатием 65 - 70% для медного подката за один проход. При этом в полученных слоистых подкатах толщины слоев алюминия и меди составляют 0,1-0,2 мм.
Получение слоистых подкатов с требуемыми свойствами возможно только при достижении прочного соединения слоев по всей поверхности контакта, сохраняющегося при всех последующих операциях обработки материала, а также во время его эксплуатации. Прочность сцепления слоев зависит от сплошности соединения слоев подката.
Существующие методы качественной и количественной оценки прочности сцепления слоев применяют для выборочного контроля биметаллического проката. Это не исключает выпуск отдельной биметаллической продукции с непрочным сцеплением слоев и местными участками расслоения по границе раздела. Вследствие этого наблюдаются значительные потери металла при изготовлении различных изделий из биметаллического проката, а в ряде случаев возможны аварии агрегатов при эксплуатации, в которых был применен биметалл с внутренними дефектами (расслоение).
Служебные качества металлофторопластовых материалов можно кратко описать следующими основными характеристиками [150]:
антифрикционные и противоизносные свойства при работе без смазки сравнимы с аналогичными свойствами смазанных баббитов (граничная смазка);
в широком интервале температур (от -200 до +280 С) сохраняют высокие антифрикционные и противоизносные свойства;
работают без смазки;
сохраняют работоспособность при попадании умеренного количества загрязнений в зазор между трущимися поверхностями;
детали, изготовленные из этих материалов, имеют малые объем и массу;
устойчивы против коррозии промышленными жидкостями и газами и стойки к действию растворителей;
отсутствует опасность возникновения зарядов статического электричества;
наличие жидкости, как правило, улучшает антифрикционные свойства материала;
не возникают скачки при трении;
10) обладают высокой механической прочностью.
Наиболее прогрессивны и наиболее пригодны для массового производства ленточные материалы, представляющие собой конструкционную основу из стальной ленты, на которую нанесен тем или иным способом тонкий пористый металлический слой антифрикционного сплава (напеканием сферических частиц), сообщающиеся поры которого заполнены фторопластом, образующим также на поверхности приработочный тонкий слой (рис.2). Из таких ленточных материалов штампуют свертные втулки, упорные кольца, вкладыши и другие детали. Рабочая поверхность антифрикционного слоя не допускает механической обработки резанием, что является причиной повышенных требований к допускам, как на общую толщину, так и на толщины слоев производимой ленты (табл. 2) и к точности операций штамповки.
Рис. 2. Разрез металлофторопласто-вого ленточного материала:
1 - фторопласт; 2 - бронза; 3 - медь; 4 - сталь
Из ленты можно изготовлять с внутренним рабочим слоем свертные втулки типоразмеров, приведенных в табл. 3.
Таблица 2. Размеры выпускаемой металлофторопластовой ленты, мм
Изделия из антифрикционных биметаллов (вкладыши подшипников скольжения, втулки, упорные полукольца) для быстроходных автомобильных и тяжелонагруженных дизельных двигателей ЯМЗ, А-01, А-41, Д-40, СМД-14, СМД-60, Д-160, Д-260 работают при высоких температурах. Для обеспечения эффективного теплоотвода от трущихся поверхностей изделия из биметалла должны обладать максимально возможными значениями коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, которые также необходимо контролировать в процессе производства биметалла. Кроме того, сведения о теплофизических свойствах биметалла существенны для выбора вида и температурно-временного режима термообработки после плакировочной прокатки для каждого конкретного вида биметаллов с учетом их специфических свойств, технологии изготовления и др.
Технологический процесс производства вкладышей подшипников скольжения как при массовом, так и при мелкосерийном производстве, должен гарантировать высокую точность изготовления биметаллических вкладышей для обеспечения их взаимозаменяемости и надежной работы [5].
Таблица 3. Основные размеры выпускаемых втулок, мм
Основными геометрическими параметрами вкладышей являются [115]:
высота вкладышей;
отклонение от параллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей наружной цилиндрической поверхности в пределах 0,010-0,030 мм на всей длине (величина допустимой непараллельности возрастает с увеличением диаметра вкладыша);
прилегание наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности постели гнезда контрольного приспособления у вкладышей автомобильных и тракторных двигателей должно быть не менее 90% площади поверхности, а у дизельных двигателей и компрессоров - не менее 80%;
разностенность вкладыша не должна превышать 0,01 мм при диаметре его до 100 мм, 0,015 мм — при диаметре от 100 до 220 мм и 0,022 мм - при диаметре выше 220 мм;
внутренняя поверхность вкладышей должна обрабатываться до
чистоты не ниже 8-го класса по ГОСТ 2789-85.
Первые три параметра контролируются на устройстве пресс контрольный модели К9.2281800.000 (Россия, проммашэкспорт) по методикам кон-
троля геометрических параметров вкладышей подшипников (МИ 207.02-93, МИ 207.05-93 и МИ 207.06-93 ОАО «Завод подшипников скольжения» г. Тамбов).
Повышение производительности труда в машиностроении предъявляет соответствующие требования и к средствам измерений. В массовом производстве вкладышей производительность средств измерений должна достигать нескольких десятков тысяч изделий в час. Так, продолжительность обработки плоскостей разъема вкладышей не превышает 3 секунды. В течение части этого времени (не более 0,02 секунды) измерительная система активного контроля должна произвести измерение обрабатываемой детали и выдать несколько команд в схему управления станком.
Необходимость получения высокого и стабильного уровня качества вкладышей с минимальными затратами при контроле требует, чтобы «центр тяжести» измерений переместился непосредственно на рабочее место к производственному оборудованию, туда, где это качество формируется.
Контроль и измерение в процессе изготовления имеет ряд существенных преимуществ: а) производительность контроля и измерения равна производительности изготовления изделий; б) в процессе изготовления осуществляется контроль и измерение всех изделий; в) осуществляется синхронизация передачи измерительной информации и движения измеренной детали; г) отсутствуют системы транспортирования изделия в зону контроля и измерения.
Анализ состояния производства многослойных антифрикционных материалов и изделий из них (вкладышей подшипников скольжения) (рис. 3) показал, что степень влияния характеристик качества на дефектность изделий различна.
Поэтому поставленная нами проблема разработки и создания методов и средств автоматизированного неразрушающего контроля, позволяющих проводить непрерывный контроль комплекса характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства, является актуальной.
Прочность соединения слоев в полосе 28%
14%
12%
'%
10%
8%
6%
1 I
Рис. 3. Степей влияния ха актеристик к іества на е_дход годных изделий
Цель ps оты состоит в решении проблемы активного неразрушаю-щего контроля основных характеристик качества многослойных антифрикционных материалов и изделий из них в технологическом процессе их производства, что требует разработки новых бесконтактных методов и средств непрерывного контроля с требуемой точностью соотношения толщин слоев, сплошности соединения слоев многослойных материалов, теплофизических свойств, толщины слоев и пористости металлического каркаса металлофто-ропластовых материалов, а также геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения.
При решении этой проблемы при производстве многослойных материалов и изделий из них выделены четыре основных самостоятельных научно-технических проблем, которые указаны в табл.4.
Работа выполнялась в рамках реализации следующих государственных программ:
- межвузовской научно-технической программы Госкомобразования
РСФСР «Создание высокоэффективных методов и приборов анализа веществ
и материалов» на 1990-1993 гг.;
- межвузовской научно-технической программы Госкомобразования РФ
«Неразрушающий контроль и диагностика», раздел 4 «Оптические, радио
волновые и тепловые методы неразрушающего контроля» на 1994-1997 гг.;
программы Минвуза РФ «Комплексные системы измерений, контроля и испытаний в народном хозяйстве» на 1998-2000 гг.; программы министерства образования РФ «Инновации высшей школы и введение интеллектуальной собственности в хозяйственный оборот», раздел «Инновационные научно-технические проекты» на 2000 г.;
программы Минпромнауки РФ по финансированию научных исследований и экспериментальных разработок на возвратной основе, проект «Создание микропроцессорных приборов оперативного неразрушающего контроля термосопротивления многослойных конструкций с пенополиуретановыми теплозащитными покрытиями», шифр «Теплогидрощит» на 2001-2002 гг.;
научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Производственные технологии» на 2003-2004 гг.
Научная новизна. На основе теории взаимодействия электромагнитного поля с объектом контроля разработаны, теоретически и экспериментально обоснованы новые бесконтактных электромагнитные методы НК толщины слоев многослойных металлических композиций и сплошности соединения слоев, позволяющие производить непрерывный контроль с требуемой точностью толщины и сплошность соединения слоев во время прокатки, значительно снизить продольную разнотолщинность, определять границы зон возможных расслоений.
Разработаны математические модели тепловых процессов в двухслойных материалах при бесконтактном тепловом воздействии на них подвижного источника тепла, положенных в основу создания математического описания объектов контроля и измерительных процедур в разработанных методах НК ТФС, сплошности соединения слоев и соотношения толщин слоев многослойных материалов.
Разработан комплекс новых, защищенных авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, бесконтактных методов и реализующих их устройств (более 10) для непрерывного контроля толщины слоев, сплошности
соединений слоев и ТФС многослойных композиций в технологическом про-
цессе их производства.
Таблица 4. Проблемы повышения качества, производительности контроля и преду-преждение появления брака при производстве многослойных материалов и изделий
Содержание проблемы исследования
Проблема 1.
Получение проката с точной выкаткой по толщине и соотношению слоев. Разработка методов и устройств неразрушающего контроля (НК) соотношения толщин слоев многослойных материалов, толщины исходных материалов с минимальной продольной и поперечной разнотолщинностью Проблема 2.
Получение прочного соединения слоев антифрикционного биметалла по всей площади соприкосновения соединяемых металлов и отсутствие локальных расслоений по границе раздела. Разработка методов и средств непрерывного НК сплошности соединения слоев при совместной пластической деформации компонентов многослойных композиций
Проблема 3.
Разработка методов и устройств НК тепло-физических свойств (ТФС), толщин слоев и пористости металлического каркаса метал-л о фторопластовых ленточных материалов
Проблема 4.
Разработка методов и средств активного контроля геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения
Рекомендуемая техническая
реализация
Наличие жесткого прокатного оборудования, калиброванных и стабильных по свойствам заготовок. Установка на стане рулонной прокатки автоматической системы контроля и регулирования толщины проката
Наличие мощного прокатного оборудования. Для предотвращения отрицательного влияния структурных составляющих алюминиевых сплавов и бронз на прочность их соединения со сталью в процессе плакировочной прокатки соединение слоев вести через подслой соответственно чистого алюминия и меди. АСИиНК сплошности соединения слоев многослойных композиций
Методика непрерывного контроля качества
металлофторопластового ленточного мате-
риала в процессе производства
Специальные измерительные преобразова
тели перемещений; измерительно-
управляющая система (ИУС) контроля гео
метрических размеров вкладышей в про
цессе протягивания плоскостей разъемов на
вертикально-протяжном станке и в процес
се расточки внутренней поверхности вкла
дышей на алмазно-расточном станке
Впервые для непрерывного контроля толщины слоев, ТФС, а также пористости металлического бронзового каркаса металлофторопластового антифрикционного материала в технологическом процессе его изготовления разработан метод, отличительной особенностью которого является бесконтактность измерения, оперативность и высокая производительность измерения, возможность автоматизации процесса измерения.
Создано математическое, алгоритмическое и программное обеспечения ИИС, позволяющие автоматизировать процесс контроля толщины слоев и качество их соединения, повысить производительность и точность контроля качества изготовления многослойных материалов.
Разработаны бесконтактные первичные измерительные преобразователи перемещений с небольшими массогабаритными параметрами для измерительных устройств быстродействующего автоматизированного контроля геометрических размеров вкладышей в процессе их обработки. При этом определены оптимальная величина зазора в их магнитопроводе и расстояние от преобразователя до контролируемых изделий, определяющие максимальную чувствительность и минимальную нелинейность статической характеристики преобразователя.
Разработан метод активного контроля геометрических параметров для всех типоразмеров вкладышей непосредственно на вертикально-протяжных станках в зоне их обработки. Метод позволяет проводить непрерывный контроль высоты вкладышей, отклонение от параллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей его наружной цилиндрической поверхности, прилегание наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности гнезда контрольного приспособления и толщины каждого вкладыша.
Созданы математическое, алгоритмическое и программное обеспечения ИУС, позволяющие автоматизировать процесс контроля геометрических параметров вкладышей, повысить производительность контроля, а также точность контроля и точность обработки вкладышей, что обеспечивает предупреждение появления дефектов при изготовлении вкладышей.
Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании и внедрении в производство ИИС НК характеристик качества многослойных материалов в процессе их производства, позволяющей повысить оперативность и точность контроля соотношения толщин слоев, сплошности соединения слоев, ТФС, пористости прони-
цаемых материалов, снизить продольную разнотолщинность, что в итоге обуславливает повышение качества изделий. Теоретические и практические результаты работы использовались при проведении работ по модернизации линии рулонного производства биметалла, что позволило повысить качество биметалла и увеличить производительность рулонного производства биметалла почти в 2 раза, значительно расширить номенклатуру по толщине и ширине биметалла. Снижение разнотолщинности многослойных металлических материалов позволило также уменьшить технологический допуск антифрикционного слоя на последующую обработку с 0,125 мм до 0,075 мм и тем самым снизить общий расход дорогостоящего антифрикционного сплава на 5-7%.
Для повышения производительности за счет автоматизации процесса измерения разработаны и испытаны устройства, реализующие способы определения как всего комплекса ТФС изделий, так и толщины слоев методом НК.
Практическая ценность диссертационной работы заключается также в создании и внедрении в производство ИУС, реализующей предложенные методы активного контроля геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения в процессе протягивания плоскостей разъемов вкладышей на вертикально-протяжном и в процессе расточки внутренней поверхности вкладышей на алмазно-расточном станках.
Разработанные алгоритмы, математическое и программное обеспечения ИУС позволяют осуществлять автоматические измерения и подналадку режущего инструмента, выявлять дефекты по геометрическим размерам, выявлять износ инструмента за один цикл обработки и сравнивать накопленный износ с допускаемым, осуществлять автоматическую компенсацию погрешностей обработки от тепловых деформаций и износа инструмента. ИУС позволила не менее чем в 2 раза повысить производительность контроля, а также на 60% уменьшить разброс отклонений размеров обрабатываемых вкла-
дышей. Погрешность измерения геометрических параметров вкладышей во время обработки не превысила 5%.
Реализация научно-технических результатов. Результаты работы были использованы при выполнении научно-исследовательских работ и в виде автоматизированных приборов, ИУС и технической документации переданы для использования предприятиям: ОАО «Владимирский химический завод» (г. Владимир, 1990 г. - экономический эффект - 15 тыс. рублей); ЦНИЛ Главлипецкстрой (г. Липецк, 1989 г. - экономический эффект - 45 тыс. рублей); Воронежский государственный архитектурно-строительный университет (г. Воронеж, 1990 г.); ОАО «Тамбовполимермаш» (г. Тамбов, 1996 г. - экономический эффект - 50 тыс. рублей, 2003 г. - экономический эффект — 245 тыс. рублей); ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов, 2001 г. - экономический эффект - 456 тыс. рублей, 2002 г. - экономический эффект — 511 тыс. рублей, 2003 г. - экономический эффект — 612 тыс. рублей); Производственное республиканское унитарное предприятие «Минский моторный завод» (г. Минск, 2003 г. - экономический эффект — 415 тыс. рублей). Кроме того, результаты работ автора нашли применение при создании методов, алгоритмов контроля и средств их реализации, защищенных 17 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, 14 из которых внедрены в промышленных предприятиях и организациях.
Прибор, позволяющий оперативно без разрушения осуществлять контроль толщины пленочных покрытий изделий «Экспресс Т» демонстрировался на ВДНХ СССР в 1988 году и был отмечен серебряной медалью.
Материалы диссертации используются в учебном процессе ТГТУ при обучении студентов специальности 200800 «Проектирование и технология электронных средств».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были рассмотрены и обсуждались на: Всесоюзной конференции «Моделирование САПР АСНИ и ГАТТ» (г. Тамбов, 1989 г.); Всесоюзной теплофизиче-ской школе «Теплофизика релаксирующих систем» (г. Тамбов, 1990 г.); VII
Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1997 г.); 3-ей Международной теплофизической школе «Новое в теплофизических свойствах» (г. Тамбов ТГТУ, 1998 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (г. Нижний Новгород, 1999 г.); Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (г. Москва: НИИ «Автоэлектроника», 1998-1999 гг.); Международной научной конференции «Информационные технологии при проектировании микропроцессорных систем» (г. Тамбов, 2000 г.); XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002 г.); V, VII, VIII и IX научных конференциях ТГТУ (г. Тамбов, 2000 - 2004 гг.); школе-семинаре молодых ученых «Метрология, стандартизация, сертификация и управление качеством продукции» (г. Тамбов, 2003 г.); IV Всероссийском с международным участием научно-практическом семинаре «В мире неразрушающего контроля и диагностики материалов, промышленных изделий и окружающей среды» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.); 3-ей Международной выставке и конференции «Нераз-рушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2004 г.); Пятой Международной теплофизической школе «Теплофизи-ческие измерения при контроле и управлении качеством» (г. Тамбов, 2004 г.); Международной конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (г. Тамбов, 2004 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии и более чем в 50 статьях, докладах, авторских свидетельствах и патентах на изобретения.
На защиту выносятся:
1. Теоретическое обоснование бесконтактных электромагнитных методов НК толщины слоев многослойных металлических композиций и сплош-
ности соединения слоев, позволяющие производить непрерывный контроль толщины и сплошность соединения слоев во время прокатки.
Результаты анализа теплофизических процессов в биметаллах при бесконтактном контроле толщины и сплошности соединения слоев.
Комплекс бесконтактных теплометрических методов и средств для непрерывного контроля толщины слоев, сплошности соединений слоев и ТФС многослойных композиций в технологическом процессе их производства.
Метод для непрерывного контроля качества (толщины слоев, ТФС, а также пористости металлического бронзового каркаса) металлофторопласто-вого ленточного антифрикционного материала в технологическом потоке его изготовления.
Методы активного контроля геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения непосредственно на вертикально-протяжных и алмазно-расточных станках в зоне их обработки для непрерывного контроля высоты вкладышей, отклонения от параллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей его наружной цилиндрической поверхности, прилегания наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности гнезда контрольного приспособления и толщины вкладыша.
Математическое и алгоритмическое обеспечения ИИС для автоматизации процесса контроля толщины слоев многослойных материалов и качества их соединения, для автоматизации процесса контроля геометрических параметров вкладышей, повышения производительности контроля, а также повышения точности контроля и точности обработки вкладышей.
Измерительные устройства, ИИС и ИУС НК характеристик качества многослойных материалов и изделий из них.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 375 странице машинописного текста. Содержит 73 рисунка и 24 таблицы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены результаты апробации работы. Сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.
В первой главе приведен обзор методов, приборов и автоматизированных систем активного контроля качества многослойных материалов и изделий из них. Показана актуальность проблемы контроля качества многослойных материалов, современное состояние данной проблемы и пути ее решения. Проанализированы методы и средства НК толщины однослойных и двухслойных материалов в процессе прокатки, сплошности соединения слоев (локальных расслоений по границе раздела), методы и средства определения пористости слоев при изготовлении металлофторопластовых антифрикционных ленточных материалов.
Для определения условий повышения надежности и оперативности методов и средств НК качества проведен литературный обзор бесконтактных методов НК ТФС, толщины слоев и локальных расслоений по границе раздела слоистых материалов.
В главе проводится обзор и сравнительный анализ существующих методов и средств контроля геометрических параметров деталей, систем активного контроля и управления точностью размеров при обработке деталей. Отмечена важность решения проблемы повышения качества, создания и внедрения методов и средств активного контроля показателей качества многослойных материалов и изделий в процессе изготовления. На основе результатов проведенного анализа определена область исследования, поставлены задачи исследования и определены пути их решения.
Большое разнообразие многослойных антифрикционных металлических и комбинированных материалов и изделий из них не только по составу, но и по толщине входящих составляющих компонентов требует применения разных методов и средств контроля их качества. Решение поставленных задач наиболее рационально осуществить созданием электромагнитных и теп-
ловых методов и устройств НК качества в технологическом процессе производства многослойных материалов и изделий из них.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ электромагнитных и тепловых методов НК сплошности соединений и соотношений толщин слоев многослойных материалов в технологическом процессе их изготовления.
Показано, что важнейшей особенностью электромагнитных методов является не только слабая зависимость результатов контроля от параметров окружающей среды, но и то, что они могут быть использованы как бесконтактные и многопараметрические методы контроля. Эти особенности разработанных методов позволяют использовать их для выявления дефектов в виде расслоений непрерывно при прокатке симметричных трехслойных металлических материалов и в системах автоматического контроля и регулирования соотношения толщин слоев при рулонном производстве биметаллов.
Математические модели тепловых процессов в двухслойных материалах при бесконтактном тепловом воздействии на них подвижного источника тепла положены в основу создания математического описания объектов контроля и измерительных процедур в разработанных методах НК ТФС, сплошности соединения слоев и соотношения толщин слоев многослойных материалов.
Разработан теоретически и экспериментально обоснован метод непрерывного НК качества (толщины, ТФС слоев, а также пористости металлического бронзового каркаса) металлофторопластовой ленты в технологическом процессе ее изготовления, отличительной особенностью которого является бесконтактность и высокая производительность измерения, возможность автоматизации процесса измерения.
В главе приводятся также разработанные метод активного контроля геометрических размеров и метод повышения точности обработки вкладышей подшипников скольжения непосредственно в зоне обработки в процессе протягивания плоскостей разъема вкладыша на вертикально-протяжном и
при расточке внутренней поверхности вкладыша на алмазно-расточном станках для повышения точности обработки, производительности контроля и обеспечения профилактики брака. Разработанные методы позволяют проводить непрерывный контроль высоты вкладышей, отклонение от параллельности поверхностей разъема вкладыша относительно образующей его наружной цилиндрической поверхности, прилегание наружной цилиндрической поверхности вкладыша к поверхности гнезда контрольного приспособления. Проведенный анализ точности обработки геометрических размеров вкладышей по результатам натурных испытаний показал, что разработанный метод размерной подналадки инструмента малыми перемещениями не на каждом шаге сигналом, постоянным по величине и переменным по знаку, а по установленной выборке вкладышей, по которой определяется коэффициент пропорциональности и перемещение инструмента осуществляется на величину измеренного среднего отклонения размера в выборке, умноженного на коэффициент пропорциональности, позволяет существенно повысить точность обработки вкладышей.
Третья глава посвящена созданию ИИС и МУС неразрушающего контроля качества многослойных композиций и изделий из них. Для оперативного непрерывного контроля толщины слоев биметаллов в технологическом процессе прокатки разработаны и испытаны ИИС, позволяющие непрерывно контролировать сплошность соединения и соотношение толщин слоев различных биметаллов. Проверка работоспособности ИИС на линии рулонного производства биметаллической полосы размерами по толщине (1,9 — 4,5) мм с антифрикционным слоем АО10-1 (А012-1, АО20-1) в процессе прокатки показала, что погрешность измерения составила 3,6 %, а погрешность измерений, проведенных после прокатки контактным прибором измерения геометрических параметров "Константа К5", составила 4,8 %. Точность контроля возросла почти в 1,5 раза.
Для повышения производительности за счет автоматизации процесса измерения разработаны и испытаны ИИС, реализующие предложенные но-
вые методы определения как всего комплекса ТФС изделий, так и толщины слоев двухслойных изделий методом НК. Повышение точности задания теплового режима, активное управление и выбор оптимального динамического и энергетического режима эксперимента существенно повышают точность результатов измерения. Разработанные алгоритмы работы, математические и программные обеспечения ИИС позволяют адаптивно осуществлять поиск оптимального в метрологическом отношении по критерию точности как расстояния от источника энергии до точки контроля температуры, так и скорости движения измерительной головки относительно исследуемого изделия, что обуславливает максимальную точность и полную гарантию сохранения целостности любых исследуемых покрытий. Последнее обстоятельство значительно расширяет диапазон и классы исследуемых изделий.
Разработана также и ИУС контроля геометрических параметров в процессе протягивания плоскостей разъемов вкладышей на вертикально-протяжном станке и в процессе расточки внутренней поверхности вкладышей на алмазно-расточном станке. Разработанные алгоритмы, математическое и программное обеспечения ИУС позволяют осуществлять автоматические измерения и подналадку режущего инструмента пропорциональным сигналом, выявлять брак по геометрическим размерам, выявлять износ инструмента за один цикл обработки и сравнивать накопленный износ с допускаемым, осуществлять автоматическую компенсацию погрешностей обработки от тепловых деформаций и износа инструмента. ИУС позволила не менее чем в 2 раза повысить производительность контроля, а также на 60% уменьшить разброс отклонений размеров обрабатываемых вкладышей. Погрешность измерения геометрических параметров вкладышей во время обработки не превысила 5%.
В четвертой главе рассматриваются разработанные устройства НК качества многослойных композиций и изделий в процессе производства. Для реализации непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием и непрерывного контроля сплошности соединений слоев
слоистых металлов разработаны устройства, позволяющие существенно снизить влияние изменения зазора между датчиком и контролируемым изделием. Постоянство расстояния между датчиками и контролируемой многослойной металлической полосой обеспечивается установкой датчиков на вращающие ролики, которые постоянно находятся в контакте с полосой в процессе контроля.
Многообразие многослойных конструкционных, теплоизоляционных, строительных и других материалов требует разработки не только новых, более универсальных методов контроля ТФС и толщины слоев, но и оригинальных конструкций измерительных устройств, которые представлены в работе.
Разработан и изготовлен бесконтактный индуктивный преобразователь перемещений. Осуществлены экспериментальные исследования по определению величины зазора в магнитопроводе преобразователя и расстояния от преобразователя до контролируемого изделия, определяющие максимальную чувствительность и минимальную нелинейность статической характеристики преобразователя. Разработанный преобразователь, имеющий небольшие мас-согабаритные параметры и высокую чувствительность, может быть использован как для измерения геометрических параметров вкладышей подшипников скольжения в процессе обработки плоскостей разъема на вертикально-протяжном станке, так и для контроля толщины вкладыша при расточке внутренней его поверхности на алмазно-расточном станке.
Пятая глава посвящена анализу погрешностей результатов измерений толщины и ТФС многослойных композиций, неразрушающего измерения и контроля геометрических параметров вкладышей разработанными методами. Проведен анализ влияния различных компонент этих погрешностей на точность измерения. Выявлены доминирующие погрешности обработки плоскостей разъемов вкладышей с возможностью компенсации системой активного контроля погрешности измерения, вызванные колебаниями температуры и погрешности от изменения взаимного положения детали и датчика вследст-
виє неточности базирования. Погрешность измерения высоты вкладышей, вызванная колебаниями температуры в зоне резания может составлять 5-10 мкм. Показано, что для индуктивных измерительных преобразователей перемещений в качестве основных являются погрешность от нелинейности характеристики и температурная погрешность. Даны аналитические зависимости для расчета температурной погрешности. Относительная погрешность от нелинейности статической характеристики разработанного преобразователя перемещений не превышает 1,5%. Доказано, что основным источником методической погрешности бесконтактных методов контроля ТФС и толщины слоев биметаллов является погрешность, обусловленная поглощением излучения промежуточной средой. Расчеты показали, что при длине волн от 2 до 20 мкм для пироэлектрического модуля ПМ-4, используемого в качестве термоприемника инфракрасного излучения, погрешность не превышает 1,2%. В шестой главе приведены результаты применения разработанных методов и средств НК для интенсификации производства и повышения качества многослойных материалов и изделий из них. Дано описание модернизированной опоры валка прокатного стана и линии рулонного производства антифрикционного биметалла с разработанной ИИС непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием. Модернизация опоры позволила увеличить грузоподъемность опоры валка прокатного стана в 1,4 раза, срок службы подшипников почти в 2 раза, значительно расширить по толщине номенклатуру биметалла на основе сплавов А020-1, АО 12-1, АО10С2 и А06-1 для производства вкладышей подшипников скольжения. Контроль и регулирование толщины биметалла по центру и по кромкам полосы позволили уменьшить разнотолщинность биметаллической полосы до 0,05-0,03 мм и тем самым исключить дополнительную калибровку биметалла после плакировочной прокатки. Кроме того, уменьшение разнотолщинности слоев, особенно стального слоя, приводит к снижению брака «выход стали» при расточке внутренней поверхности вкладышей подшипников скольжения, обеспечивает получение более тонкого и равномерного по толщине анти-
фрикционного слоя, и в конечном итоге, увеличивает несущую способность подшипников и моторесурс двигателей. Снижение разнотолщинности позволило также уменьшить технологический допуск антифрикционного слоя на последующую обработку с 0,125 мм до 0,075 мм и тем самым снизить расход дорогостоящего антифрикционного сплава на 5-7%.
Разработан метод изготовления сталебронзового биметалла холодным плакированием, позволяющий значительно расширить сортамент антифрикционного биметалла для вкладышей подшипников скольжения высокого качества и повысить загрузку существующего прокатного оборудования при массовом производстве биметалла. Изготовленные из сталебронзового биметалла детали узлов трения тяжелонагруженных дизельных двигателей успешно прошли испытания и показали высокие эксплуатационные свойства.
В приложении помещены описания технологических процессов производств: антифрикционного биметалла в отрезках и рулонах, металлофто-ропластового ленточного материала и вкладышей подшипников скольжения; описание вертикально-протяжного станка для обработки поверхностей разъема вкладышей с повышенной точностью; результаты исследования бесконтактных преобразователей перемещений; структура информационно-измерительной системы контроля толщины пленочных покрытий изделий; документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.
Работа выполнена на кафедре «Криминалистика и информатизация правовой деятельности» Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).
Количественные методы контроля прочности соединения слоев
Для определения прочности соединения слоев биметаллов преимущественно применяют методы количественной оценки с помощью испытаний на отрыв и срез при статическом и динамическом нагружении.
При испытании на отрыв слоев наиболее широкое распространение получил метод отрыва по кольцевому контуру [87]. Образец биметалла обрабатывают на токарном станке; диаметр расточки внутреннего цилиндра выбирают опытным путем таким образом, чтобы максимальное усилие отрыва слоев по кольцевому контуру не превышало усилия на срез слоя плакировки. Прочность сцепления слоев определяют делением максимального усилия от рыва на величину площади кольца, по которому происходит отрыв. Значительно реже применяют метод испытаний на отрыв слоев с прямыми пазами. Метод испытания образцов для определения прочности сцепления слоев в направлении, перпендикулярном плоскости соединения имеет свои недостатки: он не применим для материалов с тонким покрытием. Кроме того, трудно достичь строго перпендикулярного направления отрывающей силы по отношению к плоскости сцепления, что вызывает изгиб образца.
Наиболее простым в изготовлении и проведении испытаний прочности соединения слоев биметаллов на срез является способ растяжения плоских образцов с поперечными надрезами слоев. За характеристику прочности соединения здесь применяют величину предела прочности сварного соединения, равную отношению максимального усилия среза к площади среза.
Основным недостатком метода, где используют образцы с надрезом, является опасность их изгиба из-за несовпадения равнодействующей внутренних сил с геометрической осью образца, а также невозможность испытания образцов с тонким покрытием по причине трудности обеспечить точный надрез. При испытании на срез при сдвиге необходимо применять специальные приспособления, обеспечивающие приложение нагрузки к выступу слоя плакировки на образце. По результатам испытаний определяется предел прочности сварного соединения на срез при сдвиге.
Испытание на срез или скол при динамическом нагружении осуществляют на маятниковом копре [87]. Критерием оценки прочности соединения слоев служит удельная работа отрыва образца.
Рассмотренные методы количественного и качественного контроля обеспечивают возможность выборочной проверки прочности соединения слоев в биметалле. Для полной проверки качества соединения слоев необходимо разрабатывать новые методы неразрушающего контроля, которые обеспечат гарантированный выпуск биметаллического проката с надежным соединением слоев.
Существенным достоинством неразрушающих методов является возможность полной автоматизации процесса контроля, что особенно важно при поточном производстве. При выборе метода или комплекса методов НК необходимо, прежде всего, рассмотреть особенности и технические возможности каждого из них, а также основные характеристики технологического процесса изготовления контролируемой продукции.
Наиболее чувствительным из акустических методов является эхоим-пульсный [2, 4, 5, 176, 207]. Если в биметаллическую полосу перпендикулярно ее поверхности посылать ультразвуковые волны, то ввиду того, что основной и плакирующий слой имеют разные акустические сопротивления, от границы слоев отражается часть энергии продольных волн. При наличии расслоения величина отраженной энергии будет изменяться. Метод позволяет решать задачи дефектоскопии по обнаружению и определению координат дефектов, представляющих собой нарушение сплошности контакта слоев. Однако этот метод имеет существенный недостаток из-за так называемой «мертвой зоны», когда эхосигнал приходит после окончания посылаемого импульса. Для современных дефектоскопов протяженность «мертвой зоны» составляет 1 - 3 мм, что делает эхоимпульсный метод неприменимым для контроля тонколистовых биметаллов.
В промышленности применяют дефектоскопы УДМ-1М, УДМ-ЗМ, ДУК-66, УД-10ЦА, ДУК-66П, УД2-12, УД2-70, УД2В-П45. Эти приборы работают в диапазоне частот от 62 кГц до 10 МГц. С их помощью можно выявить де-фекты площадью в 8 мм [2-5, 7].
Для контроля тонколистовых биметаллов используют метод звуковой тени. Этот метод связан с появлением области «звуковой тени» за дефектом, поперечные размеры которого превышают длину упругой волны. При этом выявляются раковины, трещины и расслоения. О наличии дефекта при двух стороннем подходе к контролируемому участку судят либо по уменьшению энергии ультразвуковых колебаний в расположенной за дефектом зоне, либо по изменению фазы или времени приема ультразвуковых колебаний, огибающих дефект. В современных дефектоскопах, работающих на теневом методе, для исключения стоячих волн применяют частотную модуляцию или же используют импульсный режим колебаний. В этом случае возможен так называемый зеркальный способ, не требующий двустороннего подхода к контролируемому участку.
Электромагнитное поле витка с током, расположенным над многослойным плоским изделием
Теоретическую основу метода вихревых токов составляют решения обширного класса электродинамических задач определения поля датчика и величин, характеризующих взаимодействия между ними и исследуемым телом [75-77].
Исходными уравнениями в теории метода вихревых токов являются классические уравнения электродинамики Максвелла. Традиционным в решении подобного рода задач является использование вектор-потенциала электромагнитного поля А, определяемого следующим образом:
rotA = В = //0//Я (2.1) и уравнения Гельмгольца. Уравнения Максвелла имеют вид: rotH = - -+УЕ + Jcm\ rotE = - —f (2.2)
где Н — комплексная напряжённость магнитного поля; Е - комплексная напряжённость электрического поля; В — магнитная индукция; /Jo,ju,y — магнит ная постоянная, относительная магнитная проницаемость и удельная электрическая проводимость среды; JCT - плотность сторонних, т.е. заданных внешним источником, токов.
Для изотропных сред, параметры которых не зависят от напряжённости полей, при синусоидальных воздействиях уравнения (2.2) будут выглядеть следующим образом: rotH = (у + jcos0s)E + Jcm , rot Е = -jap oJu H , (2.3) где SQ, Є — электрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость среды; со - круговая частота тока.
Подставляя равенство (2.1) во второе уравнение Максвелла, получим: rot (Ё + ja A)= 0. Так как ротор градиента любого скаляра тождественно равен нулю, величину в скобках можно приравнять градиенту некоторого скаляра у/, играющего роль скалярного потенциала электрического поля, тогда Ё = -\grad у/ + jcoA). (2.4) Заменяя Ни Е в первом уравнении (2.3) через (2.1) и (2.4), после преобразований можно получить V2i + к2 A = grad ((м0МУ + ja)e0eju0/j)у/ + divAJ- ju0/Afcm, (2.5) где к2 = CD2JU0JUSQ - jco 0juy. Поскольку вектор-потенциал А задан с точностью до градиента некоторого скаляра, а потенциал у/с точностью до постоянной величины, то [78] (juQiy + jcos0ju0/j)y/ 4- divA = 0. Учитывая последнее равенство и выражение (2.5), уравнение Гельм-гольца для вектор-потенциала электромагнитного поля имеет вид: V2A + k2A = -/uQjjIcm (2.6)
Контроль размеров изделий производят обычно на относительно низких частотах, то токами смещения по сравнению с токами проводимости пренебрегают и принимают к2 = -jcojuojuy , для воздуха к = 0 [79].
В цилиндрических координатах формулы перехода от вектор-потенциала к напряженностям электрических и магнитных полей имеют следующий вид [80]: г dPAt , dpAzV d p dz ; і dpA,v д(р dz J 1 р{ dp 1 (дрА Р f дА Р IL + S. рд р[р{ dp f _p{ dp 1 ( dpAp dAv dpAz d p dz \ J Методика определения векторных потенциалов А известна и изложена в [76, 80-82]. Приведем основные формулы вычисления векторных потенциалов для однослойных, двухслойных и многослойных изделий.
Наиболее общей задачей в теории контроля многослойных плоских изделий [75, 79] накладными датчиками является задача о распределении электромагнитного поля в каждом из слоев многослойного изделия.
Пусть виток радиуса Rl расположен горизонтально на высоте h над проводящим многослойным изделием с постоянными параметрами, как показано на рис. 2.1. Электрическую проводимость к-то слоя обозначим уК, относительную магнитную проницаемость - рк , толщину слоя - dK. По витку протекает переменный ток / с круговой частотой со: I = IeJe . Для цилиндрической системы координат р, ср, z с осью z , направленной нормально к поверхностям слоев и совпадающей с осью витка, начало коор динат поместим на поверхности изделия. Считаем, что диаметр сечения витка очень малым по сравнению с R\ и зададим плотность тока в витке следующей формулой:
Конструкция устройства контроля толщины покрытий на изделиях, имеющих сложную форму поверхности
В технике контроля плоских многослойных изделий методом вихревых токов получили применение так называемые накладные и экранные датчики. Накладные датчики могут быть как параметрическими, так и трансформаторными. Экранные - могут быть только датчиками трансформаторного типа.
Основной задачей исследования трансформаторных датчиков является получение и анализ выражений для э.д.с. или напряжения измерительных обмоток в присутствии сред различной структуры [75, 79, 85].
Взаимное расположение обмоток датчика показано на рис. 2.2. Напряжённость электрического поля можно записать так: E=-J6oWxAu (2.30) где А\ - вектор-потенциал суммарного поля в верхнем полупространстве, определяемый выражением (2. 27), (2. 28), (2. 29) в зависимости от структуры среды, над которой размещается датчик, a W\ — число витков токовой обмотки.
Электродвижущая сила измерительной обмотки определяется как цир-куляция напряжённости электрического поля Е по контуру измерительной обмотки радиуса R.2 є2 Ф Ё dp , (2.31) О где р — контур интегрирования. Так как напряжённость Е постоянна на любом соосном с токовой обмоткой контуре 2 = 2nR2W2E9 (2.32) где W2 — число витков измерительной обмотки датчика. Подставляя равенство (2. 30) в выражение (2. 32), получим k = -jlncoWx W2 R2Ah (2.33)
С помощью выражений (2.24) и (2.33) получим следующую формулу электродвижущей силы измерительной обмотки: = -У Т-М34 X - Ю yxW2yfR RTe i П ь (2-34) - yLjL(34 X - Ю yxW2 /RxR2e 2 2 І рх($) з , 4л- = rF где с = /z2-/zi, і? -радиус большей обмотки датчика. Первая часть формулы (2.34) даёт выражение для начальной э.д.с. датчика Q при отсутствии проводящей среды, вторая часть - э.д.с, наводимую вихре-выми токами проводящей среды, т.е. вносимую э.д.с. євн. Введя обозначение для падения напряжения 1/ = -є, получим 0 = - -(34 % - 10 yxW2 ]R,R2i . (235) С учётом этих обозначений выражения для напряжений на измерительной обмотке можно записать так: ( 2_ -к (2-36) 2R U2 = jU0 е +е J 2 рХС)
Расчёт выражения, определяющего напряжение на измерительной обмотке датчика, расположенного над многослойным изделием, можно осуществить, если в формулу (2.36) подставить соответствующее выражение (2.17) для функции (pt{).
Антифрикционные подшипниковые биметаллы сталь 08кп - сплав А09-1 (АО 10-1, АО 12-1, АО20-1) и сталь 08кп - бронза БрОФ6,5-1,5 получают методом холодной прокатки через подслой соответственно алюминия А7 ГОСТ 11069-74 и меди Ml ГОСТ 859-76 [86, 87]. В технологическом цикле производства этих биметаллов ведется и изготовление подката (алюминий - антифрикционный алюминиевооловянистый сплав - алюминий и медь -бронза - медь) методом холодной прокатки с обжатием 90% для алюминиевого подката за 5-6 проходов и с обжатием 65 - 70% для медного подката за один проход. При этом в полученных слоистых подкатах толщины слоев алюминия и меди составляют 0,1- 0,2 мм.
Получение слоистых подкатов с требуемыми свойствами возможно только при достижении прочного соединения слоев по всей поверхности контакта, сохраняющегося при всех последующих операциях обработки материала, а также во время его эксплуатации. Прочность сцепления слоев зависит от сплошности соединения слоев подката.
Наибольшее распространение для контроля сплошности соединения слоев слоистых металлических композиций получил метод вихревых токов, к основным достоинствам которого относится то, что он может быть использован как бесконтактный и многопараметрический. Важнейшей особенностью метода является и слабая зависимость результатов контроля от параметров окружающей среды.
Для возбуждения вихревых токов и регистрации возмущенного поля в разработанном методе применяют два накладных датчика, которые располагают с каждой стороны прокатываемой трехслойной полосы. При наличии расслоения, например, в верхней части композиции верхний слой можно рассматривать как проводящую пластину, а нижний слой с основой - немагнитное покрытие на немагнитном основании. Функция влияния рх, входящая в выражение (2.36) соответственно для проводящей пластины, полагая З уг =0,ju2 = /лъ =l, =—, и немагнитного покрытия на немагнитном основании 1R (М2 = Мз = !) имеет вид Pl = j 4 Pi=J 3V9 + J4/3 2 + (9 + J4j3 2)th д/9 + У4/? 2 у/9 + ЯА2 - V9 + y4/?/)+ (W9+ -/4/7/ - 9 - У4/?/ ) Л f л/Э + ЯА л/9 + ЯА2(з + л/9 + у4/?32)+ 9 + j4j332 + 9 + y4/?22 )/Л f у/9 + ЯД (2.37) (2.38) где /?2 = R jcoy2 i0, ръ = R a y3jj0 - обобщенные параметры, учитывающие свойства материала изделия {у,/л), частоту/возбуждения вихревых токов и размеры контура вихревых токов; = —, І? — большее из R\ и . - толщина R покрытия; у2,Уз - удельная проводимость соответственно покрытия и основания.
Дефекты, лежащие в плоскости, параллельной поверхности изделия, в частности расслоения в слоистых металлах, не изменяют траектории вихревых токов, но влияют на их распространение по глубине.
Рассмотрим модель трехслойной металлической композиции (рис. 2.3), получаемого прокаткой симметричного пакета (например, алюминий - сплав АО20-1 - алюминий или медь - бронза БрОФ 6,5-0,15 - медь), у которой первый и третий слои имеют параметры Т=У],М=М), второй слой-основа -у = y2,ju = //0 и расслоение - у = 0,// = ju0. При прокатке симметричных пакетов толщины верхнего и нижнего слоев одинаковы.
Информационно-измерительная система непрерывного контроля толщины слоев биметалла с ферромагнитным основанием
В качестве источника тепловой энергии рассмотрим лазерное излучение, позволяющее проводить бесконтактный НК толщины слоев двухслойных материалов при одностороннем доступе к поверхности.
При воздействии концентрированных потоков энергии на поверхность изделий часть потока энергии отражается от поверхности, а остальная часть поглощается в тонком поверхностном слое, вызывая его нагрев.
В расчетах тепловых процессов обычно используют два типа пространственного распределения плотности потока [64]: нормальное и равномерное по пятну нагрева радиусом ff. Для нормального распределения плотности потока справедливо равенство q(r) = q0-e kr\ (2.64) где #о - максимальная плотность потока в центре пятна (г = 0); к — коэффициент сосредоточенности, определяющий степень "остроты" пространственного распределения источника теплоты (чем больше к, тем большая часть плотности потока источника теплоты сосредотачивается вблизи его оси г=0); V 2 2 х + у - радиальная координата. Для равномерного распределения плотности потока по пятну нагрева радиусом rf f N \q rf r 0 [0, r rf Связь между распределениями (2.64) и (2.65) устанавливается через коэффициент сосредоточенности к, в законе нормального распределения rf=B-k-l/\ (2.66) где коэффициент В зависит от способа определения радиуса пятна нагрева rf в законе нормального распределения. Если ту определить как такое расстояние от центра пятна, при котором плотность потока лазерного излучения падает ве« 2,72 раза, то В = 1 и rf=\/4k. (2.67)
Пространственно — временная структура непрерывных лазеров на СОг может быть описана с помощью соотношения q(r) = (l-R)q0-Qxp(-kr2), (2.68) где (\-R) - поглощающая способность, равная среднеинтегральному значению за время воздействия. Наиболее существенным в соотношении (2.68) является то, что пространственное распределение интенсивности источника теплоты описывается законом нормального распределения. Учет поверхностной теплоотдачи можно производить по зависимости [64] а = 0,02Л/г/9 (2.69) где Л - теплопроводность изделия.
С помощью уравнения (2.69) можно оценить минимальный радиус пятна нагрева, начиная с которого необходимо учитывать поверхностную теплоотдачу. Поверхностная теплоотдача при высоких температурах в основ-ном обусловлена радиацией (что справедливо для температур 7 10 К) и описывается зависимостью вида [64] гг=0,02Л/(єка0Тв3), (2.70) где sк - степень черноты; а0 - постоянная Стефана - Больцмана; Тв - температура поверхности.
Из формулы (2.70) следует: чем выше теплопроводность материала и ниже температура поверхности, тем при большем радиусе пятна нагрева необходимо учитывать теплоотдачу. Минимальный радиус пятна нагрева, при котором необходимо учитывать теплоотдачу, мкм: для титана 140, для вольфрама 200, для молибдена 400, для стали 500, для алюминия 2000. Температура предельного состояния в центре пятна нагрева имеет вид Тс=Т(0 ,0,ю) = Т(х,у,2,і) = Р04кЬЇІ2Л, (2.71) где Р0 -МОЩНОСТЬ источника теплоты. Из выражения (2.71) и с учетом (q0=P0/7T-rf =Р0к/я) связи между мощностью PQ нормально-распределённого источника теплоты и плотностью потока q0: qQ = 2XTm4kl4 = \.\2MTm4k. (2.72)
Соотношение (2.72) определяет плотность потока, требуемого для достижения температуры плавления Тт в условиях установившегося процесса, т.е. (2.72) не зависит от длительности воздействия источника теплоты. Численные оценки до для ряда металлов с различными теплофизическими свойствами приведены в табл. 2.1.
Расчётные уравнения для температурного поля двухслойных материалов, учитывающие пространственное распределение теплового потока, являются весьма сложными. Рассмотрим вначале одномерный случай, который даёт возможность проследить за основными закономерностями процесса нагрева.
Температурная зависимость теплофизических характеристик каждого контактирующего материала, как правило, не является слишком резкой. Поэтому при нагреве металлов в первом приближении такую зависимость можно не учитывать. При радиусе пятна нагрева, удовлетворяющему условию rf »4at, задача может рассматриваться как одномерная.
Задача о температурном поле при нагреве источником тепла постоянной плотности д0 двухслойного материала при идеальном контакте между слоями формулируется следующим образом: индексы 1 и 2 относятся соответственно к верхнему и нижнему слоям двухслойного материала.
