CC BY
0
УДК 620.192.34
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-10-195-196
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ В ЛИТЫХ ЗАГОТОВКАХ
А.Г. Ивахненко, М.С. Разумов, П.Н. Савин, П.В. Глазков, О.Н. Мальцев
Литьё один из самых распространенных методов получения деталей и заготовок. Своё распространение данный метод получил из-за того, что этим методом можно получать заготовки сложной формы, большой массы при этом расходуя минимальное количество сырья. Однако в литейном производстве существует вероятность образования дефектов в отливках. Дефекты можно разделить на две большие подгруппы: явные и скрытые дефекты литья. В связи, с чем предлагается новый экспресс-метод определения скрытых дефектов, который лишен некоторых недостатков и имеет ряд преимуществ. Данный способ направлен на определение внутренних дефектов, при которых дальнейшее использование заготовки становится невозможным и признается браком.
Ключевые слова: литьё, скрытый дефект, заготовка, гидростатическое взвешивание.
Литьё один из самых распространенных методов получения деталей и заготовок. Своё распространение данный метод получил из-за того, что этим методом можно получать заготовки сложной формы, большой массы при этом расходуя минимальное количество сырья [1-3]. Однако в литейном производстве существует вероятность образования дефектов в отливках [4-6]. Дефекты можно разделить на две большие подгруппы: явные и скрытые дефекты литья. Явный дефект выявляется при визуальном контроле или предписанными в нормативной документации инструментальными средствами и методиками дефектоскопии [7, 8]. Скрытый дефект - это дефект, не обнаруживаемый при внешнем осмотре и не выявляемый предусмотренной для контроля аппаратурой. Наиболее нежелательно и опасно, когда скрытый дефект проявляется в процессе эксплуатации изделия, что может вызвать аварийную ситуацию. Регистрация скрытых дефектов является сложным и трудозатратным процессом. Таким образом, разработка методов выявления дефектов является актуальной задачей отечественного машиностроения.
В этой связи предлагается новый экспресс-метод определения скрытых дефектов, который лишен некоторых недостатков и имеет ряд преимуществ [9, 10]. Данный способ направлен на определение внутренних дефектов, при которых дальнейшее использование заготовки становится невозможно, и она признается браком. Основным достоинством данного метода является малое время определения дефектности заготовки, тем самым можно проверить их большее количество. При этом возможно снижение количество отбракованных деталей, полученных методом литья на дальнейших этапах обработки заготовки, тем самым повышается эффективность производства.
Представленный метод основан на гидростатическом взвешивании, путем использования измерения плотности материала для определения дефектов в отливке. Метод позволяет обнаруживать внутренние дефекты, такие как поры или включения, поскольку они изменяют объём и плотность отливки по сравнению с эталонными значениями, при последующем определении степени дефектов детали по разнице значений плотности.
Для определения геометрии и координат дефекта эталонную деталь разбивают на пропорционально одинаковые по весу части в трех направлениях и определяют их толщину, т. е. размер на который надо поместить в воду и сравнивают эталонную плотность с полученной путем гидростатического взвешивания. Если дефекта нет, то плотности равны, если плотность уменьшилась, то регистрируют геометрию и координату дефекта. Если плотности на следующем участке совпадают значит дефект закончился.
Рис. 1. Разбивка модели е слайсере Сига 195
При отсутствии дефекта наблюдается ровная линия; при единичном дефекте прослеживается площадка на графике, где плотность уменьшилась на определенном участке, а в дальнейшем эталонная и полученная плотности совпадают, то регистрируемый дефект является локальным; если полученная плотность продолжает отличаться от эталонной, то регистрируемый дефект является распространённым. При регистрации величины погружения в различных плоскостях можно, определить геометрию и координаты дефекта.
V
//
//
/
а б в
Рис. 2. Графики деталей: а - график детали без дефектов, б - график детали с одним крупным дефектом,
в - график детали с множеством мелких дефектов
Основным вопросом при реализации данного метода является точность измерения, связанная с определением условий измерения и точности оборудования, при которых данный способ будет давать адекватную оценку дефектности детали.
Для повышения точности метода гидростатического взвешивания и улучшения выявления скрытых дефектов в литых изделиях, предлагается использовать два тензодатчика повышенной точности, один сверху и один снизу заготовки, и использовать постепенное погружение заготовки в жидкость. Это позволит детально анализировать распределение плотности в различных частях образца, выявляя малые изменения плотности и локальные дефекты. Рассмотрим подробнее, как это реализовать и как будет происходить процесс измерения.
К верхнему тензорезистору прикрепляется нить, удерживающая заготовку. Этот датчик измеряет силу натяжения, действующую на заготовку сверху, когда она погружается в жидкость. В свою очередь, нижний тензо-датчик измеряет вес заготовки через платформу или другую поддержку.
Заготовка погружается в жидкость постепенно, что позволяет измерять вес каждой части заготовки по отдельности. Это поможет выявить изменения плотности на различных участках. Полученные данные от двух тензо-датчиков обрабатываются для расчета локальной плотности. Разделение заготовки на участки позволяет детализировать информацию о распределении плотности и выявлять в том числе самые незначительные дефекты.
Для локализации дефектов нужно измерять значения массы заготовки при погружении с разных сторон и сравнивать измеренные значения для обнаружения аномалий. Небольшие дефекты будут влиять на значение массы по-разному, в зависимости от стороны погружения, что позволит определить их расположение.
Предлагается следующая методика измерений.
1. Подготовка к измерению.
Закрепим два тензодатчика (верхний и нижний) на фиксированной платформе.
Верхний датчик соединяется с заготовкой с помощью нитки (плотность и масса не учитывается в расчетах), нижний датчик поддерживает заготовку.
Убедившись, что система настроена на измерение массы заготовки в жидкости, переходим к следующему
этапу.
2. Постепенное погружение.
Погружаем заготовку в жидкость (например, воду) постепенно с разных сторон (например, сверху, снизу, слева, справа, спереди, сзади).
На каждом шаге фиксируем измеренную массу заготовки с помощью обоих тензодатчиков.
3. Сбор данных.
Запишем данные массы для каждого положения погружения. Полученные данные отражают плотность заготовки в разных местах. Анализируем данные и построенные карты дефектов. Сравним измеренные значения массы для каждого положения погружения. Определяем участки с наибольшими отклонениями от средней массы. Построим карту дефектов на основе различий в измеренных массах.
В данной конфигурации каждый тензодатчик измеряет свою часть нагрузки, и их разница дает эффективную массу заготовки:
(р - ^ )
г низ * верх /
т =--— ,
§
"ъерх -
где ^ве
■ величина силы, измеренная верхним тензодатчиком, ^низ - величина силы, измеренная нижним тензо-
датчиком, т - масса заготовки, § - ускорение свободного падения (9,81 м/с2).
Рассчитаем локальную плотность каждой части заготовки, используя формулу:
Р, =
Жг. воздух Жг.жидкость
V
где р - плотность участка, Ж, воздух - вес участка в воздухе, Ж, жидкость - вес участка в жидкости, Жг воздух - объем участка.
т = т
низ
4. Сравнение рассчитанной плотности с ожидаемой плотностью материала для выявления отклонений. Приведем пример расчета по данной методике.
Для заготовки из алюминия массой 400 грамм, разделенной на 4 части по 100 граммов: В воздухе:
В жидкости (частично погружена): Сила выталкивания:
^ выта
Объём каждого участка:
^ = 0 г
* верх ^ 1 '
^ниж = 400 г
^верх =100 г ,
=400-(100 + 300) = 0.
7/ 100 г „ 3
V =-37 см3 .
2,7 г/см3
Если сила выталкивания значительно меньше, чем рассчитанная, это может указывать на дефект. Проведем расчеты для заготовки массой 50 грамм используя для взвешивания тензодатчики C2 класса точности, комбинированная погрешность одного датчика составляет 0,02 %. Для двух датчиков в конфигурации с
взаимовычитанием погрешность комбинированной системы:
ф
Подставим значения:
о _
° комб- Д[ ^верх ^низ
^комб= л/(0,02 %)2 +(0,02 %)2 « 0,0283 %
Для заготовки массой 50 грамм, минимальная часть, которую можно измерить, определяется как:
mmm =^комбтзаготовка .
Подставим значения:
mmin = 0,0283 % • 50 г = 0,01415 г . Таким образом, минимальная часть заготовки (50 г,), которую можно надежно измерить, составляет примерно 0,01415 г (14,15 мг).
Минимальный объём дефекта, определяется как:
^дебекта = ^^ • 0,01415 \ « 0,00314 см3 = 3,14 мм3 . Р 4,506 г/см3
Результаты расчета представлена: в табл. 1.
Результаты расчета
Таблица 1
Параметр Значение
Масса заготовки 50 г
Погрешность одного датчика 0,02 %
Комбинированная погрешность 0,0283 %
Минимальная часть для 50 г 0,001415 г (14,15 мг)
Минимально измеряемый дефект 3,14 мм3
Разбивая детали и взвешивание с разных сторон позволяет создать детализированную карту плотности, выявляя скрытые дефекты. Эта техника включает в себя последовательное измерение массы отдельных сегментов детали, что позволяет более точно определить распределение плотности и локализовать дефекты. Каждое измерение добавляет информацию о плотности материала, улучшая общую точность обнаружения дефектов. Разбиение позволяет изолировать участки с аномальными значениями плотности, указывая на наличие дефектов в конкретных областях изделия. Объединение данных из множества измерений помогает построить карту плотности, детализированную по объему изделия. При измерении с трех сторон каждая сторона дает свою оценку плотности, и объединение этих данных увеличивает общую точность определения дефектов.
Аналогично производится измерение плотности с 3-х сторон.
1. Измеряем изменение плотности на горизонтальных плоскостях.
2. Определяем плотность по вертикальным плоскостям.
3. Измеряем плотность в поперечном сечении.
Каждое измерение с разных сторон помогает исключить локальные ошибки и уточнить данные, улучшая точность обнаружения дефектов.
Для более подробного объяснения данного метода приведем пример расчета.
Рассчитаем массу алюминиевого куба с объемом 1000 см3 и размером 100 мм х 100 мм х 100 мм, масса алюминиевого куба 2700 г.
Минимальная масса, которую можно измерить, определяется как:
тга1П = 0,0283 % • 2700 г = 0,764 г .
Минимальный объём:
.. 0,764 г 3
^т = , 3 =0,283 мм .
2,7 г/мм3
Это означает, что изменения массы могут быть измерены с точностью до:
^ниж = 300 г
тв = 0,764 г • 0,0283 = 0,022 г .
Эквивалент в объёме:
0,022 г . 3 У5 = —--- = 0,00814 мм3
2,7 г/мм3
Рассчитаем максимальное количество измеряемых слоев:
2700
и =-= 3534,031 ^ 3534
0,764
На рис. 3 представлена визуализация разбиения рассматриваемого куба в 3-х плоскостях.
Рис. 3. Куб, разбитый на 35 слоев в каждом направлении
На изображении представлен куб, разделённый на множество более мелких объемных элементов, которые можно назвать «вокселями».
Воксели - это трёхмерные аналоги пикселей, представляющие собой единицы объема. В данном контексте воксели используются для визуализации и анализа плотности материала внутри куба, а также для выявления дефектов.
Рассчитаем количество вокселей для куба, представленного на рис. 3:
п = 35•35•35 = 42875 .
Рассчитаем объём и массу 1 вокселя для данного куба (рис. 3):
V
вокселя
1000 см3 3
:-= 0,0233 см3.
42875
2700 г
= 0,063 г .
42875
Фиолетовый цвет на рис. 3 указывает на области с нормальной плотностью. Желтый цвет показывает области с легкими отклонениями, где могут быть небольшие дефекты. Бирюзовый цвет указывает на значительные отклонения, показывая расположение серьезных дефектов.
Рассчитаем количество вокселей для куба 15х15х15:
п =15-15-15=3375.
Рассчитаем объём и массу 1 вокселя
V
вокселя
1000 см3 „„„^ 3 ^ 0,296 см3,
3375 = 2700 г = 3375
= 0,8 г .
На рис. 4 мы наблюдаем уменьшение точности расположения мелких дефектов и отсутствие изменения точности для критических дефектов.
Рассчитаем количество вокселей для куба, представленного на рис. 4:
п = 5 • 5 • 5 = 125 . Рассчитаем объём и массу 1 вокселя для данного куба (рис. 4):
V
1000 см
3
вокселя
■ = 8 см3 ,
2700 г
= 21,6 г .
125 125
Данное изображение показывает, что при низком разрешении мелкие аномалии в плотности могут не отображаться в карте дефектов, но серьезные изменения по-прежнему хорошо индицируются.
т
т
Окрашенная модель заготовки с дефектами : ЛМб)
Рис. 4. Куб, разбитыш на 5 слоев в каждом направлении
Этот эксперимент служит наглядным примером вариативности данного метода как для простых измерений, так и для точных.
Точность данного метода зависит от плотности измеряемого материала. Чем плотнее материал, тем больше изменения массы для одинакового объема дефекта. Это улучшает точность выявления дефектов, так как погрешность измерений относительна и лучше проявляется в более плотных материалах.
Приведем теоретическое обоснование данной методики.
Плотность влияет на обнаружение дефектов следующим образом: масса заготовки зависит от плотности:
т = р^У .
Таблица 2
Минимальный объём дефекта для приведенных материалов_
Плотность (р) Минимальный объём дефекта (дефекта)
1,0 г/см3 - пластик 0,01415 см3
2,7 г/см3 - алюминий 0,00524 см3
4,5 г/см3 - титан 0,00314 см3
7,8 г/см3 - сталь 0,00181 см3
19,3 г/см3 - золото 0,000733 см3
Зависимость минимального объема дефекта о: платности материала
0,010 0.008 ■
0.004
2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 30.0
плотность материала !' ';м:'
Рис. 5. График зависимости минимального объёма дефекта от нлотности материала
Объём дефекта при заданной массе будет меньше в более плотном материале, потому что малый объём дефекта вызывает пропорционально большее изменение массы.
Рассчитаем максимальное разрешение для заготовки из титана: pT¡ = 4,506 г / см3 .
весом 2700 г:
2700 г з ^ 76,41 г з
VTi =-- = 599,2 см , Vmin =-- = 16,96 мм .
4,506 г/см3 4,506 г/мм3
Если сравнивать минимальный определяемый объём для измерения в 1 плоскости с значением для алюминиевого сплава
VAL = 28,3 > VTi = 16,96 .
В табл. 2 представлен расчет минимального объёма дефекта для отливок массой 50 г из таких материалов как: пластик, алюминий, титан, сталь, золото, а на рис. 5 - графическое представление зависимости минимального объёма дефекта от плотности материала, построенной по данным табл. 2.
Чем плотнее материал, тем меньший объем дефекта требуется для изменения массы, достаточного для обнаружения. Это связано с тем, что для плотных материалов даже небольшие дефекты влияют на измеряемую массу сильнее, чем в менее плотных материалах. Это увеличивает точность и минимально обнаруживаемый объем дефектов в плотных материалах, таких как титан, по сравнению с менее плотными, такими как алюминий или пластик.
Используя современные программы для 3D моделирования можно импортировать карты дефектов на модель, так же благодаря встроенным алгоритмам можно рассчитать критичность конкретного дефекта на изделие и его эксплуатационные свойства, тем самым можно уменьшить затраты предприятия.
Таким образом, использование метода гидростатического взвешивания в сочетании с двумя тензодатчи-ками позволяет эффективно выявлять мелкие дефекты в материалах высокой плотности, таких как титан, сталь, алюминий. Так, например, для титанового изделия массой 50 г минимально обнаруживаемый дефект составляет примерно 0,00314 см3, что обеспечивает высокую точность контроля качества.
Список литературы
1. Шилякин И.В. Литье: Виды литья, их преимущества и недостатки // European Research. 2023. № 1 (40).
С. 4-7.
2. Назаратин В.В. Технология изготовления стальных отливок ответственного назначения. М.: Машиностроение, 2006. 234 с.
3. Simulation of the thermal regime of semi-continuous casting of aluminum alloy ingots / A.I. Bezrukikh, A.A. Iliin, V.A. Matyushentsev [et al.] // Metallurgist. 2023. Т. 66. № 9-10. С. 1299-1307.
4. Чечуха В.И., Садоха М.А. Дефекты в отливках при литье под высоким давлением и меры по предотвращению их образования // Литье и металлургия. 2024. № 1. С. 26-31.
5. Чечуха В.И., Садоха М.А. Дефекты при литье под высоким давлением и меры предупреждения газовых дефектов // Литье и металлургия. 2023. № 4. С. 16-24.
6. Шопина Е.В., Колтыков Я.С. Дефекты литья и методы их исправления // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование для производства строительных материалов: межвуз. сб. науч. статей. Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017. С. 409-412.
7. Бычков В.И., Галиакбаров Р.В., Гавариев Р.В. Систематизация дефектов отливок, изготовленных методом литья под давлением // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: Сб. науч. тр. XI междунар. науч.-практ. конф. Курск: Изд-во ЗАО Университетская книга, 2014. С. 307-310.
8. Фомихина И.В. Дефекты литья, обработки металлов давлением, термической обработки и пути их устранения на стадии производства // Annali d'ltalia. 2023. № 49. С. 112-128.
9. Разумов М.С., Глазков П.В., Кочергин В.С., Бышкин А.С. Определение погрешности выявления скрытых дефектов методом гидростатического взвешивания в деталях, полученных методом литья // Заготовительные производства в машиностроении. 2020. Т. 18. № 8. С. 339-342.
10. Метод обнаружения скрытых дефектов в деталях, полученных методом литья / М.С. Разумов, П.В. Глазков, Н.Д. Вязников [и др.] // Современные материалы, техника и технология: Сб. науч. статей 9-й междунар. науч.-практ. конф. Курск: Изд-во ЗАО Университетская книга, 2019. С. 185-188.
Ивахненко Александр Геннадьевич, д-р техн. наук, профессор, ivakhnenko2002@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Разумов Михаил Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, mika_1984_@mail. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Савин Павел Николаевич, студент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Глазков Павел Витальевич, магистр, pavel. glazkovv@yandex. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Мальцев Олег Николаевич, студент, oleglaguxa@gmail. com, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
METHOD FOR DETECTING HIDDEN DEFECTS IN BLANKS OBTAINED BY CASTING
A.G. Ivakhnenko, M.S. Razumov, P.N. Savin, P.V. Glazkov, O.N. Maltsev
Casting is one of the most common methods of obtaining parts and blanks. This method has become widespread due to the fact that this method can produce blanks of complex shape, large mass, while consuming a minimum amount of raw materials. However, in the foundry industry, there is a possibility of defects in castings. Defects can be divided into two large subgroups: obvious and hidden casting defects. In this regard, a new express method for determining hidden defects is proposed, which is devoid of some disadvantages and has a number of advantages. This method is aimed at determining internal defects, in which further use of the blank becomes impossible and is recognized as defective.
Key words: casting, hidden defect, blank, hydrostatic weighing.
200
Ivakhnenko Alexander Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, ivakhnenko2002@mail. ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Razumov Mikhail Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, mika 1984 @mail.ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Savin Pavel Nikolaevich, student, [email protected], Russia, Kursk, Southwest State University,
Glazkov Pavel Vitalievich, master, pavel.glazkovv@yandex. ru, Russia, Kursk, Southwest State University,
Maltsev Oleg Nikolaevich, student, oleglaguxa@gmail. com, Russia, Kursk, Southwest State University
УДК 621.81:539.4
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-10-201 -202
АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КАК КОМПЛЕКСНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ РОССИИ
И.Е. Ильин, А.С. Путенихина, Ю.А. Извеков, В.В. Шеметова
В условиях повышения требований к безопасности, исследование техногенной безопасности в металлургии становится важным. Увеличение объемов производства, внедрение новых технологий и рост конкуренции требуют постоянного контроля и оценки рисков. Статья продолжает исследования авторов. Проведен анализ аварий и чрезвычайных происшествий, произошедших на предприятиях, подконтрольных территориальным органам Федеральной службы России по экологическому, технологическому и атомному надзору в период с 2017 по 2022 годы с целью обозначения техногенной безопасности металлургической отрасли России как его комплексного показателя качества. В статье приведены количественные данные причиненного ущерба за эти годы.
Ключевые слова: металлургическое предприятие, металлургия, техногенная безопасность, производственные процессы, контроль и оценка рисков.
В законе Российской Федерации «О безопасности» [1] безопасность определяется как состояние защищенности личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз, которое включает соблюдение и защиту прав и свобод человека и гражданина, законность, системность и комплексность применения политических, организационных, социально-экономических, информационных и правовых мер, приоритет предупредительных мер, а также взаимодействие федеральных, региональных и местных органов власти с общественными объединениями, международными организациями и гражданами.
Так как безопасность является для человека одной из важнейших потребностей, необходимо проводить комплекс мер по обеспечению безопасности как человека и окружающей среды, так и финансовой составляющей предприятий Российской Федерации. Кроме этого, техногенная безопасность будет рассматриваться как комплексный показатель качества металлургической отрасли. Обеспечить безопасность можно двумя путями: исключением источников опасности, предотвращением возможности стихийных бедствий, аварий, потрясений и катаклизмов, а также увеличением степени безопасности, способности надежно противостоять рискам.
Целью данной статьи являются выявление и снижение потенциальных угроз техногенной безопасности в металлургической отрасли, что способствует улучшению условий труда, уменьшению вероятности аварий и минимизации негативного влияния на окружающую среду, а также в снижении финансового ущерба, связанного с техногенными инцидентами.
Техногенная безопасность представляет собой состояние защищенности жизнедеятельности человека и окружающей среды от негативных последствий, возникающих в результате технологической деятельности человека. В металлургической отрасли, где процессы переработки металлов и сплавов сопряжены с высоким уровнем энергозатрат, химических реакций и механических воздействий, техногенная безопасность становится особенно актуальной. Она включает в себя не только предотвращение аварий и инцидентов, но и минимизацию их последствий, а также обеспечение безопасных условий труда для работников.
Техногенная безопасность охватывает широкий спектр аспектов, включая:
1) проектирование и эксплуатацию объектов: правильное проектирование и использование современных технологий способствуют снижению рисков;
2) обучение персонала: квалифицированные работники способны лучше реагировать на потенциальные
угрозы;
3) мониторинг и контроль: регулярные проверки и мониторинг состояния оборудования и процессов позволяют выявлять и устранять потенциальные угрозы.
В металлургической отрасли существует множество факторов, влияющих на уровень техногенной безопасности. К ним относятся:
- технические факторы: состояние оборудования - износ, усталость материалов и неправильная эксплуатация могут привести к авариям, катастрофам;
- технологические процессы: сложность и многоступенчатость процессов увеличивают вероятность ошибок и несчастных случаев;
- автоматизация и системы управления: современные системы автоматического контроля могут значительно снизить риски, но их сбои могут иметь серьезные последствия;
- экологические факторы: воздействие на окружающую среду - выбросы и отходы металлургического производства могут оказывать негативное влияние на экосистему;
201
