Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Пудовкин Анатолий Петрович

Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства
<
Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Пудовкин Анатолий Петрович. Методы и средства неразрушающего контроля характеристик качества многослойных материалов и изделий в процессе их производства : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.11.13 : Тамбов, 2005 375 c. РГБ ОД, 71:05-5/529

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

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

, -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]:

  1. антифрикционные и противоизносные свойства при работе без смазки сравнимы с аналогичными свойствами смазанных баббитов (граничная смазка);

  2. в широком интервале температур (от -200 до +280 С) сохраняют высокие антифрикционные и противоизносные свойства;

  3. работают без смазки;

  4. сохраняют работоспособность при попадании умеренного количества загрязнений в зазор между трущимися поверхностями;

  5. детали, изготовленные из этих материалов, имеют малые объем и массу;

  6. устойчивы против коррозии промышленными жидкостями и газами и стойки к действию растворителей;

  7. отсутствует опасность возникновения зарядов статического электричества;

  8. наличие жидкости, как правило, улучшает антифрикционные свойства материала;

  9. 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%