Контроль геометрической точности круглошлифовальных станков методом ультразвука Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.7.08

О. С. ЛОМОВА А. П. МОРГУНОВ

Омский государственный технический университет

КОНТРОЛЬ

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ КРУГЛОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКА_

В статье приведены результаты исследований по контролю геометрической точности круглошлифовальных станков. Экспериментально доказано, что определить соосность центров можно по площади их опорной поверхности в центровом отверстии ультразвуковым методом. Ультразвуковой контроль и полученные аналитические зависимости угла перекоса осей центров от изменения площади опорной поверхности и амплитуды ультразвуковых колебаний позволяют производить при необходимости подналадку станка.

Ключевые слова: круглошлифовальный станок, центр, центровое отверстие, ультразвук, площадь опорной поверхности.

Современная номенклатура средств контроля геометрической точности круглошлифовальных станков не отличается простыми и достоверными устройствами поверки соосности центров. Стандарт ГОСТ 11654-72 предусматривает поверки соосности отверстий шпинделя передней и задней бабок, а также поверку осевого и радиального биения конических отверстий для установки центров, но все перечисленные методы очень трудоёмки, требуют высокой квалификации оператора, большого количества сопутствующих устройств и деталей для создания измерительного комплекса. Результаты таких проверок проводятся только при плановом ремонте станков и не используются для корректировки положения центров в ходе технологического процесса. В связи с этим возникла необходимость разработки простого и надежного способа контроля геометрической точности круглошлифовальных станков, в частности соосности их центров.

В настоящее время для обнаружения поверхностных и внутренних дефектов в материалах успешно применяют методы ультразвукового контроля [1]. Наиболее широкое распространение в практике ультразвуковой дефектоскопии нашли импульсные методы, в том числе зеркально-теневой метод, удобный тем, что к детали имеется односторонний доступ совмещенного пьезопреобразователя (ПЭП) [2].

Успехи, достигнутые в области теории колебаний, позволяют применять методы ультразвуковой дефектоскопии для контроля расположения сопрягаемых разъемных соединений, которые условно можно принять неразъемными в том случае, если к ним предъявляются технологические требования постоянной жесткости номинального сопряжения и точности позиционирования [3]. Контактное взаимодействие сопрягаемых тел всегда характеризуется контактным давлением, площадью опорной поверхности, сближением и другими параметрами [4]. В данном случае фактическую площадь контакта центра станка и центрового отверстия заготовки можно считать критерием точности этого соединения. В связи с этим гео-

метрическая точность круглошлифовального станка может быть сравнительно просто определена посредством ультразвукового контроля площади опорной поверхности центра и центрового отверстия [5].

Ультразвуковой импульс проходит через заготовку и центр и в случае неплотного их прилегания отражается от воздушного зазора. Уменьшение амплитуды ультразвуковых колебаний определяет изменение плотности контакта центра и центрового отверстия, при этом максимальная амплитуда соответствует их сооосности.

Для оценки точности расположения технологических баз по изменению площади их опорной поверхности были проведены экспериментальные исследования на разработанных стендах, включающих центры Морзе исполнения 4, заготовку, дефектоскоп с диапазоном толщин контролируемого материала от 1 до 999 мм, пьезоэлектрический датчик (ПЭП), узел очистки и подачи сжатого воздуха и узел контроля давления, включающий пневматический преобразователь, индикатор и манометр (рис. 1).

В экспериментах использовали ПЭП наклонного типа с углом 60°, позволяющий проводить ультразвуковое сканирование материала центра и заготовки при расположении с их конусными поверхностями в одной плоскости.

Методика эксперимента заключалась в следующем. В центры соосно устанавливали заготовку. Соосность определяли по показаниям манометра и пневматического преобразователя. Для этого в центровых отверстиях заготовки были изготовлены каналы, к которым подключается измерительная ветвь пневматического преобразователя с конической иглой. В центровом отверстии создается постоянное рабочее давление с помощью подачи сжатого воздуха.

Первый эксперимент проводился с возможностью смещения центра относительно конического отверстия заготовки в горизонтальном направлении с помощью каретки за счет микровинта (рис. 2). При наличии смещения подвижного центра и изменении

Рис. 1. Экспериментальный стенд: 1, 2 — центры; 3 — заготовка; 4 — каретка; 5 — направляющие; 6 — микровинт; 7 — ПЭП; 8 — компрессор для подачи сжатого воздуха; 9 — преобразователь; 10 — индикатор; 11 — манометр; 12 — дефектоскоп

Рис. 2. Общий вид стенда

Рис. 3. Устройство смещения центра в угловом направлении

жесткости номинального сопряжения центра и заготовки происходит истечение воздуха через образовавшийся зазор, при этом давление в цепи падает. Изменение давления в системе фиксировали в зависимости от величины зазора Z по показаниям пневматического преобразователя. Пьезоэлектрический датчик плотно прижимали к фаске заготовки в сечении у центрового отверстия. Для лучшего акустического контакта преобразователь и заготовку смазывали контактирующей жидкостью.

Второй эксперимент проводился с возможностью смещения центра относительно конического отверстия заготовки в угловом направлении посредством рычага (рис. 3). При этом силовое замыкание осуществлялось пружиной 4 при движении каретки вправо и влево. Поджим конуса с коническим отверстием обеспечивала пружина 6. Угловой поворот

рычага задавали по отсчетному устройству 7. По плечу рычага и величине смещения оси центра определяли угол его поворота а.

На рис. 4 показана зависимость акустических колебаний от времени прохождения импульса при изменении площади ОП (жесткости номинального сопряжения) центра и заготовки. Первый случай (рис. 4 а) соответствует соосному положению центров и отсутствию воздушного зазора между центром и центровым отверстием и, следовательно, максимальной площади ОП. По мере перекоса осей центра и центрового отверстия площадь ОП уменьшается, и ультразвуковые колебания падают (рис. 4 б).

Для определения влияния на точность обработки изменения площади ОП была рассчитана ее зависимость от ультразвуковых колебаний и величины воздушного зазора. Точным способом расчета зазора

Рис. 4. Зависимости ультразвуковых колебаний А/А, от времени прохождения импульса Ь а — при максимальной площади ОП (соосность центров); б — при минимальной площади ОП (зазор Z = 98 мкм)

б

а

О

Рис. 5. Схема образования кольцевого зазора

является разложение в ряды падающей и отраженных волн, но этот путь решения весьма трудоемок, так как возникает необходимость учета большого количества членов ряда. Поэтому для расчета зазора применяют приближенные методы: лучевое (энергетическое приближение) и метод Кирхгофа, согласно которому каждую точку поверхности зазора рассматривают как вторичный излучатель звука, а поле вне дефекта считают равным нулю.

Выведем формулу для нахождения зазора, лежащего в одной плоскости с сечением центра и центрового отверстия у торца заготовки, где он будет иметь максимальное значение. В соответствии с уравнением И. Н. Ермолова для дефектов сферической формы амплитуда сигнала от отражателя с наклонным совмещенным ПЭП имеет вид [6]:

А

А0 4-1, •(г+Аг)2 • собР

(1)

d=

4-5„

-+2,

(2)

где 2 — зазор при несоосности центров.

Подставим в уравнение (1) диаметр из (2) и выразим площадь сечения опорной поверхности:

3ОЛ =

А 2 2---1 (•(г+Аг)2 -собР

А 0_

ВВБа -СОБ а

(3)

Расстояние до дефекта (зазора) находим из выражения:

где А — амплитуда в точке измерения; А0 — амплитуда волны, прошедшей расстояние до дефекта без учета затуханий; В — множитель, учитывающий эффект затухания; Б — коэффициент прохождения волны; — площадь сечения ПЭП; d — сечения опорной поверхности; г — расстояние до дефекта; Аг — приведенный путь ультразвуковой волны в призме ПЭП; 1 — длина волны; а — угол преломления, р — угол наклона призмы.

Диаметр сечения опорной поверхности можно найти по формуле:

Ы ' 2 '

(4)

где I — время прохождения ультразвукового колебания от точки ввода до зазора и обратно, равное 11 мкс (определяется экспериментально по показаниям дефектоскопа).

Площадь опорной поверхности центра можно найти как:

-3 А

Ао

(5)

Для нахождения изменения площади опорной поверхности центра (сталь 40Х) и заготовки (сталь 40ХН) переведем экспериментальные значения А/А0 из dB в безразмерное отношение:

5оп = 8-10~3 -20-1д(А0

(6)

Потери давления в системе зависят от изменения величины зазора 2 между конусными поверхностями центра и центрового гнезда. Чем больше воздушный

2

Ви-Ьа соБа

= 8- 10

р

Рис. 6. Зависимость угла перекоса центра а: а — от амплитуды ультразвуковых колебаний; б — от площади опорной поверхности Боп 1 — аналитическая зависимость; 2 — эксперимент

Рис. 7. Зависимости а от 7: 1, 2 — экспериментальные исследования смещении центра (прямой и обратный ход); 3 — теоретическая зависимость; 4 — исследования при угловом смещении центра

зазор, тем больше потери давления Р, меньше амплитуда колебаний А/А0 и площадь опорной поверхности Son центра и заготовки.

Исследования точности обработки на кругло-шлифовальных станках показали, что погрешность формы заготовок во многом определяется прецессией их оси вращения, зависящей от величины угла перекоса осей центров a. В свою очередь, значение a напрямую связано с площадью ОП центра и центрового отверстия, а значит и с амплитудой ультразвуковых колебаний. С этой целью были выполнены теоретические исследования по определению a от изменения величины Z и А/А0.

На рис. 5 представлена схема, поясняющая образование воздушного кольцевого зазора Z при смещении центра на угол a. Видно, что наибольшая площадь зазора F1 образуется у торца заготовки по окружности центрового отверстия и определяется величиной отрезка АВ. Примем, что площадь F2 — окружность центра станка, тогда расстояние АВ разность между диаметрами центрового отверстия D и центра D1, представляющее собой кольцевой зазор, равный D^D—АВ. Произведем расчет Z и установим зависимость его изменения от a. Из треугольника АВС по теореме синусов выразим АВ:

AB=Z

4 h

а/3 (V3cíga+l)

мкм

(7)

Окончательно зависимость a от Z (отрезок АВ) будет равна:

. , 4 h 1 , a = arcctg | — I, град

(8)

Выразим Z через площадь опорной поверхности:

г=О-V 1,27-Боп . (9)

С учетом отношений А/А0 получим:

(10)

Z = D- /10,2-10 -3 —

A,

Найдем изменение угла перекоса осей центров а от величины ультразвуковых колебаний:

С

a = arcctg

4h

3-| D- 10,2-10

A

A,n

1

V3

(11)

По полученным значениям построим график зависимости угла перекоса центра а от амплитуды колебаний и площади опорной поверхности (рис. 6). Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показали хорошую сходимость (рис. 7).

Ультразвуковой контроль целесообразно использовать как входной контроль геометрической точности круглошлифовальных станков перед обработкой каждой новой партии заготовок другого типоразмера. Для этого следует установить оправку с акустическим преобразователем в центры станка. Если по показаниям амплитуд колебаний площадь ОП максимальна, значит, центры станка сосны, конусные опорные поверхности баз не искажены износом и погрешность базирования отсутствует.

Библиографический список

1. Неразрушающий контроль металлов и изделий : справ. / П. И. Беда [ и др.] ; под ред. Г. С. Самойловича. — М. : Машиностроение, 1976. — 280 с.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий : справ. В 2 кн. Кн. 1 / А. С. Боровиков [и др.] ; под ред. В. В. Клюева. — 2-е изд. — М. : Машиностроение, 1986. - 487 с.

3. Моргунов, А. П. Технологическое обеспечение прочности профильных неподвижных соединений / А. П. Моргунов, В. Б. Масягин, И. В. Ревина. — М. : Технология машиностроения, 2004. — 300 с.

б

а

-3

4. Епифанов, Г. И. Физика твердого тела : учеб. пособие для вузов. — М. : Высшая школа, 1965. — 276 с.

5. Алешин, Н. П. Ультразвуковая дефектоскопия : справ. пособие / Н. П. Алешин, В. Г. Лупачев. — Мн. : Высшая школа, 1987. — 271 с.

6. Ермолов, И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И. Н. Ермолов. — М. : Машиностроение, 1981. — 240 с.

ЛОМОВА Ольга Станиславовна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Нефтехимические технологии и оборудование».

Адрес для переписки: 190567@ mail.ru МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, кафедра ТМ.

Статья поступила в редакцию 25.02.2015 г. © О. С. Ломова, А. П. Моргунов

УДК 621.791.011+669.14.018

Б. Е. ЛОПАЕВ Р. Р. ХИСМАТУЛИН И. И. КАГАРМАНОВ А. М. УСТЯН

Омский государственный технический университет

ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА УГЛЕРОДА_

На основе расчета химического эквивалента углерода проведена оценка склонности углеродистых и легированных сталей к образованию холодных трещин, относящихся к понятию «свариваемость материалов».

Ключевые слова: химический эквивалент углерода, свариваемость, холодные трещины, мартенсит, локальная концентрация, инкубационный период.

Способность материалов образовывать сварное соединение определяется испытаниями на свариваемость.

Свариваемость (соединяемость) — свойство материала образовывать неразъемное соединение с требуемым качеством и уровнем физико-механических и функциональных свойств соединения как в процессе его получения, так и при эксплуатации изделия [1].

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, — склонность к образованию трещин различного типа и механические свойства сварного соединения.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая — хорошо сваривающиеся; вторая — удовлетворительно сваривающиеся; третья — ограниченно сваривающиеся; четвертая — плохо сваривающиеся стали [2].

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном подогреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают термообработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

При сварке углеродистых и легированных сталей свариваемость определяется испытаниями на склонность к образованию холодных трещин.

Известно, что холодные трещины возникают в металле зоны термического влияния при наличии трех условий: образования закалочных микроструктур (мартенсита); наличия диффузионного водорода и растягивающих напряжений [3].

Для оценки склонности металла к образованию холодных трещин используют понятие химического эквивалента углерода. В основу математического подхода к описанию химического эквивалента углерода было положено предположение, что свариваемость можно определить по показателю, определяющему, какое минимальное критическое время охлаждения необходимо, чтобы в металле шва образовалось 100 % мартенсита. Чем меньше подгото-