Разработка комплексного метода и средств контроля характеристик качества биметалла в процессе производства

Качество любой продукции закладывается при ее проектировании и затем обеспечивается при ее изготовлении. Отклонения от установленного технологического процесса изготовления и сборки ведут к ухудшению качества. С течением времени в процессе эксплуатации в объектах начинают происходить изменения, меняющие их потребительские свойства — объекты становятся менее надежны. Поэтому возникает серьезная необходимость непрерывного контроля протекающих в объектах внутренних процессов, характеризующих прочностные свойства и степень надежности к любому моменту времени. А так как деталь или машина — не лист чертежной бумаги, а объемное тело (к тому же непрозрачное), то разработка способов получения наиболее полной информации о внутренних свойствах, качестве и происходящих в деталях процессах стала одной из актуальнейших задач сегодняшнего дня [2,3].

Естественно, что достаточно полную объективную информацию о контролируемом объекте нельзя получить, регистрируя только эффекты взаимодействия с объектом контроля поля одной природы. Можно утверждать, что нет ни одного безошибочного метода контроля. Например, использование рентгеновского излучения при контроле сварных швов не гарантирует выявления трещин, несплавлений и т. п. Поэтому должны применяться комбинированные, разные по принципу взаимодействия с веществом методы контроля, которые могут исключить недостатки исследования, взаимно дополнить друг друга и обеспечить получение достаточной информации о качестве промышленной продукции [3].

Контроль обозначает проверку соответствия параметров объекта установленным техническим требованиям, а неразрушающие методы контроля не должны нарушать пригодность объекта к применению. Критериями высокого качества продукции являются физические, геометрические и функциональные показатели, а так же технологические признаки качества, например отсутствие недопустимых дефектов типа нарушение сплошности материала, соответствие физико-механических свойств и структуры основного материала и покрытия, геометрических размеров и чистоты обработки поверхности требуемым показателям технической документации [2,4].

Любое повышение качества достигается за счет необходимого дополнительного увеличения расходов. Возникает проблема определения оптимального уровня расходов, при котором технология и производство остаются рентабельными. Применение неразрушающего контроля удорожает продукцию при выпуске и эксплуатации, однако его использование на всех стадиях изготовления, поверки и эксплуатации существенно повышает надежность изделий и объектов, обеспечивая в конце концов громадный экономический выигрыш в масштабе страны.

Современное развитие техники постоянно требует применения все более надежных и долговечных материалов, разработку новых и непрерывное совершенствование старых технологий производства. Большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности получили многослойные металлические, неметаллические и комбинированные слоистые материалы. Эти материалы являются не только заменителями дефицитных, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, позволяющих расширить возможности создания новых машин, приборов и различных изделий.

В связи с возрастающим объемом производства таких материалов, в частности биметаллов, становится актуальной задача повышения качества продукции и внедрения непрерывного контроля на всех стадиях производства, в том числе и при совместной холодной прокатке плакирующего слоя и основания, что даст нам возможность максимально исключить выход дефектной продукции на последующих стадиях его использования [5].

Основными характеристиками качества биметалла являются его геометрические размеры, соотношение толщин слоев и прочность их сцепления, а так же его теплофизические свойства (таблица П1).

Требования, предъявляемые к геометрической форме подката, идущего на изготовление биметалла, предусматривают максимальную точность ширины и толщины по всей длине. Различие в ширине базового и плакирующего слоев нарушают устойчивость полос в валах при их совместной прокатки, вызывает образование неплакированных участков, рванин и увеличение потерь при последующей обрезки биметалла.

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 так же во время его эксплуатации. Прочность соединения слоев зависит от сплошности соединения подката при совместной пластической деформации [4].

Повышение объективности контроля за счет улучшения точностных характеристик контрольного оборудования, наращивания его функциональных возможностей, автоматизации процессов контроля позволяют добиться улучшения экономических и технических характеристик изделия без коренной модернизации технологии производства и с меньшими капитальными затратами. Поэтому поставленная задача разработки и создания комплексного метода и средств контроля качества биметалла, которые позволят вести непрерывный, бесконтактный и оперативный контроль характеристик качества в процессе его производства, является актуальной.

Цель работы состоит в разработке нового комплексного метода и средств непрерывного контроля характеристик качества биметаллов, позволяющих с требуемой по технологии точностью вести контроль толщины исходных составляющих компонент биметалла, прочности соединения слоев и соотношения их толщин после пластической деформации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

— провести обзор и сравнительный анализ методов и средств активного контроля геометрических размеров заготовок, составляющих биметалл, соотношения толщин его слоев и прочности их соединения;

— разработать и исследовать метод и информационно-измерительную систему (ИИС) контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства;

— разработать математическое описание, алгоритм работы и программное обеспечение разработанной ИИС.

— провести анализ возможных источников погрешностей измерений и оценить их величину;

— провести экспериментальное исследование каналов измерительной системы и передать результаты научных исследований в производство.

Методы исследования базируются на использовании математического моделирования, математической статистики, компьютерном моделировании, макетировании и метрологии.

Научная новизна. Разработан новый, защищенный патентом на изобретение, бесконтактный метод для непрерывного контроля прочности соединения слоев биметаллов в технологическом процессе его изготовления, отличающийся подводом и подачей импульсов тока большой плотности в зону пластической деформации биметалла, регистрацией избыточной температуры при выходе из нее, воздействием на биметалл точечным источником тепловой энергии и измерением избыточных температур на линиях контроля, определением электрического сопротивления контакта слоев биметалла, по которому судят о прочности соединения слоев.

Учитывая специфичность объекта и необходимость контроля его разнообразных физических характеристик, таких как толщина исходных компонент, составляющих биметалл, прочность соединения его слоев и соотношение их толщин, использована комбинация различных физических методов неразрушающего контроля, включая лазерный толщиномер, вихретоковый и тепловой методы, позволяющие проводить непрерывный контроль характеристик качества биметаллов с требуемой по технологии точностью во время его прокатки, значительно снизить продольную разнотолщинность, определить границы зон возможных расслоений.

I i.

Созданы математическое описание и алгоритм совокупной обработки информации для ИИС, позволяющие автоматизировать процесс контроля толщины исходных компонент, составляющих биметалл, соотношение толщин слоев и качество их соединения, повысить производительность и точность контроля качества изготовления биметалла.

Практическая ценность. Результаты теоретических и экспериментальных исследований измерительных каналов создают базу для разработки ИИС, реализующей комплексный метод контроля характеристик качества биметалла, использование которой позволит повысить оперативность и точность контроля исходных толщин заготовок, составляющих биметалл, соотношение толщин его слоев после прокатки, прочности соединения слоев, что в итоге обуславливает повышение качества готового биметалла.

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы и приложений.

Первая глава посвящена исследованию современного состояния существующих методов и средств контроля характеристик качества биметалла, постановке задач исследования. Отмечена важность проблемы контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства, создания и внедрения комплексного метода и ИИС контроля характеристик качества биметалла.

Исходя из требований высокой производительности и оперативности контроля, показано, что существующие методы и средства не удовлетворяют современным требованиям практики измерений характеристик качества биметалла в процессе его производства.

Во второй главе дано теоретическое обоснование комплексного метода неразрушающего контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства, включая подбор входящих в него разнообразных по физическим принципам методов, разработку метода и алгоритма совокупной обработки полученной информации.

Третья глава посвящена проверке работоспособности ИИС, реализующей комплексный метод контроля характеристик качества биметалла в технологическом процессе его изготовления. Дано описание и принцип работы ИИС, приведены результаты экспериментальных исследований.

В четвертой главе приводится анализ погрешностей результатов измерений толщины и прочности соединения слоев биметалла. Проведен анализ влияния различных компонент этих погрешностей на точность измерения. Выявлены доминирующие погрешности контроля соотношения толщин слоев с возможностью компенсации ИИС погрешности измерения, вызванные колебаниями температуры, погрешности от изменения степени деформации и погрешности от изменения взаимного положения объекта контроля и датчика.

В приложениях приведены основные характеристики качества биметаллов, таблицы численных значений экспериментальных исследований, алгоритм работы триангуляционного лазерного датчика и акты о внедрении результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан, теоретически и экспериментально обоснован комплексный метод контроля характеристик качества биметалла в процессе его производства. Метод позволяет осуществлять контроль основных характеристик качества биметалла, а именно, контроль исходных толщин плакирующего слоя и основания, контроль соотношения толщин слоев биметалла после совместной пластической деформации, контроль теплофизических свойств биметалла и прочности соединения его слоев.

2. Дано теоретическое обоснование работы измерительных каналов комплексного метода контроля характеристик качества биметалла:

— канала контроля толщины исходных компонент, составляющих биметалл;

— канала контроля соотношения толщин слоев биметалла;

— канала контроля теплофизических свойств и прочности соединения слоев биметалла.

3. Разработана информационно-измерительная система контроля качества биметалла, позволяющая производить автоматизированный контроль характеристик качества биметалла в процессе его производства. Приведен алгоритм работы ИИС и дано математическое описание ее каналов.

4. Приведены экспериментальные характеристики и результаты исследования измерительных каналов контроля толщины исходных компонент биметалла, канала контроля соотношения толщин слоев, канала контроля прочности соединения слоев биметалла.

5. Выявлены доминирующие погрешности каналов ИИС контроля характеристик качества биметалла в процессе его прокатки.

6. Проведены исследования точности и разрешающей способности ПЗС матриц в лазерных датчиках контроля толщины, которые составили 5 мкм при расстоянии между датчиком и образцом не более 8 мм, с разрешением 0,18 мкм.

7. Проведена оценка влияния зазора между вихретоковым датчиком и контролируемым образцом, получены их графические зависимости. Максимальная погрешность измерений при изменении зазора составила 1,46%.

8. Проведенные экспериментальные исследования определения температуры на эталонных образцах показал, что максимальная случайная погрешность измерений пироэлектрическим датчиком не превышает 6% с доверительной вероятностью 0,95.

9. Выведены основные зависимости компенсации погрешностей, проведена оценка температурного влиянии на изменение показаний индуктивных преобразователей и линейного расширения датчиков.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использовались в научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре «Радиоэлектронные средства бытового назначения» Тамбовского государственного технического университета, а результаты научных исследований использовались в производстве на ОАО «Завод подшипников скольжения» г. Тамбов.

Основные научные результаты работы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях: Шестой международной теплофизической школы г. Тамбов 2007; XII, XIII научной конференции ТГТУ г. (Тамбов 2007, Тамбов 2008) — 6-ой Международной заочной научно-практической конференции «Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов 2009).

По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и 1 патент на изобретение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.