Экспериментальное исследование зависимости показаний ультразвукового толщиномера от температуры

Заключение

Подводя итог вышеизложенному, можно констатировать факт, что использование метода конечных элементов дает возможность расчета остаточных напряжений, возникающих в процессе термической обработки и последующего растяжения с остаточной деформацией. С практической точки зрения, данный способ расчета позволяет определять величину и локализацию остаточных напряжений с достаточной точностью без разрушения заготовки, необходимой для повышения качества производимых маложестких деталей и снижения их себестоимости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Лившиц А. В. Прогнозирование локальных остаточных деформаций при проектировании технологического процесса изготовления маложестких деталей : дисс. ... канд. техн. наук. Иркутск, 1999. 185 с.

2. Лившиц А.В., Александров А.А. Прогнозирование температурного поля для определения остаточных напряжений возникающих при термообработке алюминиевых сплавов // Наука и образование. 2014. № 7.

3. Александров А.А., Лившиц А.В., Рудых А.В. Расчет термических остаточных напряжений в заготовках из алюминиевых сплавов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 1 (49).

4. MSC Nastran. MD Nastran 2006 Release Guide // MSC Software. 2006. P. 276.

5. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. : Машгиз, 1963. 233 с.

УДК 519.248

6. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979. 392 с.

7. Шимановский А.О., Путято А.В. Применение метода конечных элементов в решении задач прикладной механики. Гомель : БелГУТ, 2008. 61 с.

8. MSC Nastran - Расчет и оптимизация конструкций [Электронный курс]. URL: http://www.mscsoftware.ru/products/msc-nastran (Дата обращения 25.08.2016).

9. Вишняков Д.В., Пискарев В.Д. Управление остаточными напряжениями в металлах и сплавах. М. : Машиностроение, 1992. №4. С. 6-9.

10.Исаев А.И. Влияние технологических факторов на остаточные напряжения в поверхностном слое при точении конструкционных сталей. М. : Машгиз, 1957. 189 с.

11. Кочетов Н.Н., Панов Б.И., Румянцев Ю.С. Оптимизация технологических параметров производства деталей летательных аппаратов с минимальным короблением // Авиационная промышленность. 1992. №11-12. С. 16-19.

12. Замащиков Ю.И., Каргапольцев С.К. Экспресс-метод определения остаточных напряжений в закаленных плитах // Повышение эффективности тех. процессов механической обработки. Иркутск, 1990. С. 90-96.

13. А.С. Способ определения закалочных остаточных напряжений / Ю.И. Замащиков, А.И. Промптов, С.И. Ботвенко, С.К. Каргапольцев. 5 с. № 1643928 от 22.12.90.

14. Константинов Л.С., Трухов А.П. Напряжения, деформации и трещины в отливках. М. : Машиностроение, 1981. 199 с.

15.Абрамов В.В. Остаточные напряжения и деформации в металлах. М. : Машиностроение, 1963. 355 с._

Назыров Зинур Вакильевич,

аспирант, кафедра «Физика, механика и приборостроение»,

Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89027665278, e-mail: nazyrovzinov@yandex.ru

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАНИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОЛЩИНОМЕРА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Z. V. Nazyrov

EXPERIMENTAL STUDY OF DEPENDENCE OF ULTRASONIC THICKNESS GAUGE READINGS ON TEMPERATURE

Аннотация. При измерении толщины изделий ультразвуковым методом информация о толщине определяется косвенным методом на основе знания скорости распространения ультразвука в материале объекта контроля. Скорость распространения ультразвука является величиной, зависимой от температуры материала. В статье представлены результаты экспериментального исследования влияния температуры на результаты измерения толщины металлов ультразвуковым толщиномером. Эксперимент представляет собой серию измерений толщины образца с помощью ультразвукового толщиномера, предварительно нагретого или охлажденного до необходимой температуры в термокамере. Результаты измерений занесены в специальную таблицу для последующей статистической обработки. Анализ полученной информации показал, что изменение

температуры материала образца толщины приводит к появлению дополнительной погрешности, выходящей за рамки допустимой. Для того чтобы выяснить, оказывает ли существенное влияние температурный фактор на результат измерения толщины, был проведен дисперсионный анализ результатов измерения. Оценены преимущества использования автоматической коррекции температурной погрешности при измерении толщины ультразвуковым толщиномером.

Ключевые слова: ультразвуковой толщиномер, точность измерений, дисперсионный анализ.

Abstract. The article presents the results of experimental research of influence of temperature on the results of the thickness measurement with an ultrasonic thickness gauge. The experiment is a series of measurements of the sample thickness using an ultrasonic thickness gauge, pre-heated or cooled to the required temperature in the heat chamber. The measurement results are listed in a special table for subsequent statistical processing. The analysis of this information showed that the temperature change of the sample thickness material leads to the appearance of additional error beyond the acceptable. To find out whether there is a significant influence of temperature factor on the thickness measurement result a dispersion analysis of measurement results was carried out. The advantages of using the automatic correction of the temperature error in the measurement of thickness by ultrasonic thickness gauge were evaluated.

Keywords: ultrasonic thickness gauge, measurement accuracy, analysis of variance.

Введение

Ультразвуковые толщиномеры применяют в условиях, когда доступ к изделию с одной из сторон затруднен или невозможен.

В машиностроении ультразвуковая толщи-нометрия применяется для контроля толщины стенок после фрезерования при изготовлении крупногабаритных панелей летательных аппаратов, изделий после химфрезерования, стенок труб, тяг и др.

Принцип работы ультразвукового толщиномера основан на ультразвуковом импульсном эхо-методе измерения, который использует свойства ультразвуковых колебаний отражаться от границы раздела сред с разными акустическими сопротивлениями.

Скорость ультразвука с в материале является величиной, зависимой от свойств материала [13], в частности от модуля упругости, который зависит от температуры материала. В неограниченной среде скорость распространения продольных ультразвуковых волн находится из соотношения [4]:

с, =

E

р(1 + ц)(1 - 2ц) где E - модуль нормальной упругости, МПа; ц - коэффициент Пуассона; р - плотность мате-кг

риала, —-. м

Зависимость скорости продольных ультразвуковых волн от температуры для сплава Д16 приведена на рис 1.

Проблема влияния температуры на погрешность измерений ультразвуковых толщиномеров актуальна, однако в публикациях ей уделено недостаточно внимания. Никакие количественные улучшения характеристик эхо-импульсных и любых других ультразвуковых толщиномеров не избавят их от единственного принципиального недо-

статка - непосредственной зависимости показаний прибора от скорости ультразвука в материале изделия [5].

5760

5740

-1—1 5720

о

5700

5680

5660

ч

V -- --

ч.

N X

...

- 30- 20- 10 0

10 20 30 40 50 60 70 t, °С

Рис. 1. Зависимость скорости продольных ультразвуковых волн от температуры для сплава Д16

Практический интерес представляет реальная оценка влияния изменения температуры окружающей среды на точность измерений ультразвуковых толщиномеров.

Экспериментальная часть

Для определения степени влияния температуры на результат ультразвукового измерения толщины был проведен эксперимент.

Средством измерения толщины служил ультразвуковой толщиномер ИРКОН УТ1608 с функцией коррекции температурной погрешности [6]. Пределы допускаемого значения основной погрешности толщиномера при измерении толщины в диапазоне 0,60.. .19,99 мм составляют ±(0,03 + 0,0015- к) мм. Перед проведением опытов прибор калибровали при 20 °С. Измерения производились на образце толщины из сплава марки 1933 толщиной 15 мм.

Измерение образца толщины проводили при девяти разных температурах в диапазоне от -10 °С до 70 °С с шагом в 10 °С. Равномерным прогреванием или охлаждением объекта контроля в термо-

Т а б л и ц а 1

Результаты измерений при выключенной термокомпенсации__

Серии опытов Статистические показатели

-10 °С 0 °С 10 °С 20 °С 30 °С 40 °С 50 °С 60 °С 70 °С

14,92 14,95 14,97 14,99 15,00 15,02 15,04 15,07 15,12 x

5,3Е-05 3,92Е-05 4,14Е-05 5,06Е-05 8,23Е-05 5,1Е-05 5,33Е-05 7,92Е-05 0,0001 Д

0,007 0,006 0,006 0,007 0,009 0,007 0,007 0,008 0,01 а

Т а б л и ц а 2

Результаты измерений при включенной термокомпенсации_

Серии опытов Статистические показатели

-10 °С 0 °С 10 °С 20 °С 30 °С 40 °С 50 °С 60 °С 70 °С

14,96 14,98 14,98 15,00 14,99 15,01 15,03 15,04 15,06 x

4,61Е-05 4,38Е-05 3,23Е-05 5,1Е-05 7,14Е-05 4,78Е-05 6,71Е-05 4,24Е-05 5,47Е-05 D

0,007 0,006 0,006 0,007 0,008 0,007 0,008 0,006 0,007 а

камере в течение 30 минут достигается равномерный прогрев либо охлаждение контролируемого образца. Далее проводится серия опытов по замеру толщины, результаты заносятся в специальные таблицы. Всего было проведено 270 измерений. Техническое требование на точность измерения составляет 0,05 мм.

Результаты измерения приведены в табл. 1 и

2.

Для каждой серии измерений, выполненных при одной температуре, вычислим среднее значение измеренной толщины по формуле [7]:

- 1 п х = х

п

1=1

где п - число измерений; х. - результат единичного измерения толщины ультразвуковым толщиномером.

Дисперсию вычислим по формуле:

{х - х)2

л — I'

о.

тах расч

I д.

7=1

где Дтах - наибольшее значение дисперсий из числа рассматриваемых параллельных серий m;

т

IД - сумма дисперсий серий.

7=1

Для выключенной термокомпенсации име-

ем: о,

тах расч

— 0,2 ; О,

тах табл

— 0,25 .

7=1 п - 1

где п - число измерений; х7 - результат единичного измерения толщины ультразвуковым толщиномером; х - среднеарифметическое значение измеренной толщины.

Среднеквадратическое отклонение найдем по формуле:

а — 4Д.

Дисперсионный анализ

Проведем проверку полученных результатов на воспроизводимость с помощью критерия Кох-

рена Отах .

Значение критерия Кохрена рассчитаем по формуле:

Так как етахрасч < таб , ТО измерения в

эксперименте следует считать воспроизводимыми.

Для того чтобы выяснить, оказывает ли существенное влияние температурный фактор Е на результат измерения толщины х , был проведен дисперсионный анализ результатов измерения. В табл. 3 приведены результаты проведенного дисперсионного анализа.

Нулевая гипотеза в однофакторном дисперсионном анализе утверждает, что все средние значения из различных генеральных совокупностей равны между собой: Н0 . Х1 — Х2 — • • • — Хп .

Альтернативная гипотеза утверждает, что хотя бы два любых средних не равны между собой: H1 : xk Ф xn при 1 < k < п .

Т а б л и ц а 3

Источник изменчивости Сумма квадратов 4Г Средний квадрат F рас

Между группами 0,873 8 0,1091 1732

Внутри групп 0,016 261 6,3Е-05 -

Сумма 0,889 269 - -

у = 6Е-07хэ 1 5Е-05х2 + 0,0026л + 14,953 /

! ! 1 ^ = 0,9984 / /

! ! ! ! ! ! ¿Г

! ! ! * |

! !

10 0 10 20 30 40 50 60 70

т, °с

Рис. 2. График и уравнение построенной регрессии при отключенной термокомпенсации

Результаты анализа показывают, что разница в измерениях при разных температурах является значимой. Об этом свидетельствует значение F: Fрaс > Fкр (^ = 1,97), а также малая вероятность

принятия нулевой гипотезы Р = 2,32Е — 221.

Следовательно, нулевая гипотеза отклоняется и принимается альтернативная, температура влияет на показания ультразвукового толщиномера, причем довольно сильно.

Регрессионный анализ

Для количественного измерения интенсивности связи и идентификации формы зависимости

измеряемой толщины от температуры проведен корреляционно-регрессионный анализ.

Регрессионное уравнение, описывающее зависимость показаний толщиномера при отключенной термокомпенсации (см. рис. 2):

к = 6 -10—7 х3 — 5 -10—5 х2 + 0,0026х +14,95. (6) Индекс детерминации для найденного уравнения Я2 = 0,99 .

Регрессионное уравнение, описывающее зависимость показаний толщиномера при включенной термокомпенсации (см. рис. 3):

h = 8 -10—8 х3 — 2 -10—6 х2 + 0,0009х + 14,98.

14,96 -I-,-,-,-I-,-,-I-,

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

т, °с

Рис. 3. График и уравнение построенной регрессии при включенной термокомпенсации

10 О 10 20 30 40 50 60 70

т, °с

Рис. 4. Графики регрессионных кривых

Индекс детерминации для найденного уравнения Я2 — 0,98 .

Используя индекс детерминации, выполним проверку значимости уравнений нелинейной регрессии. Для этого определим F -критерий по формуле:

Е_ —

Я2

1 - Я2

п - т -1

т

квадратичное отклонение результата измерения при заданном количестве измерений.

Систематическую составляющую погрешности измерений вычислим по формуле:

8 —

7—1

Хд Х7

п

где R2 - индекс детерминации; m - число коэффициентов регрессии при переменной x.

Для уравнения (6):

Е — 165 • Е — 5 4 • Е > Е

1 рас 165 ; 1 0.95;3;5 5,4 ; 1 рас > 1 0.95;3;5

делаем вывод о значимости модели на уровне значимости а — 0,05 .

Для уравнения (7):

Ерас — 82 ; Е).95;3;5 — 5,4 ; Fрас > Е.95;3;5

делаем вывод о значимости модели на уровне значимости а — 0,05 .

Размах кривой без учета влияния температуры составляет 0,2 мм, размах при компенсации влияния температуры 0,09 мм. Таким образом, отклонение показаний снижено в 2 раза (рис. 4).

Определение погрешности

Найдем фактическое значение погрешности измерения толщины с учетом случайных ошибок при требуемой доверительной вероятности. При измерении толщины доверительную вероятность примем равной Р — 0,95. Это означает, что вероятность нахождения ошибки измерения находится в интервалах от - 2а до + 2а, где а - среднее

где п - число измерений; Хд - действительная толщина; Х7 - результат единичного измерения толщины ультразвуковым толщиномером.

Интервал, в котором с установленной доверительной вероятностью P находится суммарная погрешность измерений А, находится из неравенства:

8-а-г < А<8 + а- г, где г - безразмерная функция вероятности Р, определяемая по справочным таблицам.

Для выключенной термокомпенсации имеем: х — 15,01 мм, а — 0,17 мм, 8 — 0,05 мм.

Для Р — 0,95 и г — 2 интервал составляет: 0,05 - 0,17 - 2 < А < 0,05 + 0,17 - 2, - 0,29 мм < А < +0,39 мм.

Запишем результат с учетом погрешности: h -0 39 мм. Полученную запись следует понимать

так: измеренная ультразвуковым толщиномером толщина образца с вероятностью Р — 0,95 находится в интервале от к + 0,39 мм до к - 0,29 мм.

Для выключенной термокомпенсации имеем: Х — 15,00 мм, а — 0,09 мм, 8 — 0,02 мм.

Для Р — 0,95 и е — 2 интервал составляет

0,02 - 0,09-2 <Д< 0,02 + 0,09-2, - 0,16 мм < Д < +0,2 мм. Запишем результат с учетом погрешности:

h

+0,2

-0,16 мм.

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что использование коррекции температурной погрешности при измерении ультразвуковым толщиномером в диапазоне температур от -10 °С до 70 °С позволяет снизить погрешность измерений в два раза.

Заключение

Таким образом, результаты проведенного эсперимента показали, что температура существенно влияет на ультразвуковое измерение толщины, поэтому необходимо дополнительное исследование в этом направлении.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Неразрушающий контроль. Кн. 2. Акустичские методы контроля : практ. пособие / под ред Су-хорукова В В. М. : Высш. шк., 1991. 283 с.

2. Крауткремер Й., Крауткремер Г.. Ультразвуковой контроль материалов. М. : Металлургия, 1991. 752 с.

3. Калинин В.А., Тарасенко В.Л., Цеслер Л.Б. По-грепшости измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах // Дефектоскопия. 1988. № 1. с. 18-25.

4. Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. М. : Металлургия, 1974. 240 с.

5. Королев М.В. Эхо-импульсные толщиномеры. М. : Машиностроение, 1980. 111 с.

6. Толщиномер ультразвуковой ИРКОН УТ1608 специализированный : руководство по эксплуатации.

7. Гмурман В. Е. Теория верояностей и математическая статистика. М. : Юрайт, 2010. 479 с.

8. Берк К., Кейри П. Анализ данных с помощью Microsoft Excel. М. : Вильямс, 2005. 560 с.

9. Воскобойников Ю.Е., Воскобойникова Т.Н. Решение задач эконометрики в EXCEL. Новосибирск, 2006.

10. ГОСТ Р 8.862-2013 Толщиномеры ультразвуковые. Методика поверки. Введ 2015-01-01. М. : Стандартинформ, 2014.

УДК 621.757 Карлина Юлия Игоревна,

магистрант института авиамашиностроения и транспорта, Иркутский национальный исследовательский технический университет,

тел. 8-914-879-85-05, e-mail: asup@irzirk.ru Яценко Ольга Валерьевна,

к. т. н., доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет,

тел. 89025664353, e-mail: voila@istu.irk.ru Шабалин Антон Владимирович, к. т. н., доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, Иркутский национальный исследовательский технический университет,

тел. 89148800312, e-mail: freeman@istu.edu

РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ВНЕДРЕНИЮ КОМПОНЕНТОВ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА

U. I. Karlina, O. V. Yatsenko, A. V. Shabalin

DEVELOPMENT OF MEASURES FOR THE IMPLEMENTATION OF THE COMPONENTS INFORMATION SYSTEM OF THE DESIGN AND TECHNOLOGICAL PROCESS OF

PREPARATION OF PRODUCTION

Аннотация. Статья посвящена разработке мероприятий по внедрению компонентов интегрированной информационной среды для создания цифрового макета изделия на примере ПАО «Иркутский релейный завод». Обоснована целесообразность внедрения САПР и PDM-систем на предприятиях машиностроения, отмечена важность прогнозирования результатов этого внедрения для конкретного предприятия с учетом его специфики. Описаны мероприятия для поэтапного внедрения CAD/CAM-систем и PDM-системы и правил работы в них. Приведен перечень критериев разработки тестового задания для проверки работоспособности системы и готовности персонала к работе в данной системе на примере CAMWorks с постпроцессором для станка HURCO VMX10U с учетом специфики изделий, изготавливаемых на Иркутском релейном заводе. Внедрение должно сопровождаться разработкой стандарта предприятия по обеспечению интеграции этапов конструкторско-технологической подготовки производства при переходе к комплексному использованию CAD/CAM-систем в рамках системы электронного технического документооборота.