Способ получения акустической информации для мониторинга технологического процесса поверхностного легирования керамического и твердосплавного инструмента
METHOD FOR OBTAINING ACOUSTIC INFORMATION FOR MONITORING THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF SURFACE ALLOYING OF CERAMIC AND HARD-ALLOYED TOOLS

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к термической обработке металлов и сплавов в вакуумной камере электронными пучками в виде коротких импульсов, и может быть использовано в системе контроля результирующих показателей процесса термической обработки поверхностей, в частности, поверхностного легировыания керамического и твердосплавного инструмента.
Из уровня техники известны способы вывода звуковой (вибрационной) информации о фазовых превращениях, сопровождающих термическое воздействие, заключающиеся в том, что границы фазовых переходов определяют с помощью датчика акустической эмиссии, присоединяемого к обрабатываемому образцу (1. Патент РФ №2433190, МПК C21D 1/55; G01N 29/00; C21D 1/04. Опубл. Бюл. №31, от 10.11.2011; 2. Вьюненко Ю.Н., Черняева Е.В. Особенности акустической эмиссии при мартенситных превращениях в сплаве TiNi. // Вестник Тамбовского университета. Серия: естественные и технические науки. Т. 21, №31. 2016. С. 917-921; 3. Воронцов В.Б., Журавлев Д.В. Связь структуры сигналов акустической эмиссии при кристаллизации Al с механизмом формирования твердой фазы из расплава. // Вестник Новгородского государственного университета, №67. 2012. С. 8-13).
Недостатком данных способов (аналогов) является то, что они рассчитаны на обработку сигналов на компьютере и вывод результатов на монитор для визуального наблюдения со стороны оператора. Однако такой способ предполагает высокий уровень квалификации оператора и проработанность алгоритмов принятия решения относительно контролируемого процесса, происходящего в вакуумной камере. Для создания алгоритмов принятия решения по многочисленным процессам, протекающим в вакуумной камере при широком наборе материалов и режимов, необходим предварительный цикл исследований для каждого варианта сочетаний обрабатываемого материала и режимов обработки. Большие временные затраты и высокие требования к квалификации персонала приводят к тому, что подобные способы применяются только для научных исследований. В результате производственный контроль качества процессов обработки в вакуумных камерах в основном ведется по результатам анализа характеристик получаемых изделий. Этот недостаток сказывается на качестве получаемой продукции и времени подбора рациональных режимов обработки. Но даже при выбранных режимах существует случайный разброс в параметрах подаваемых электронных импульсов, запускающих требуемую реакцию в образцах в разных объемах. Без методов оперативного мониторинга это нельзя оценить и принять адекватное решение по дальнейшим действиям (повторить обработку, изменить технологические режимы). Существенным недостатком приведенных аналогов является и то, что из-за мощных электромагнитных помех, создаваемых электронной пушкой, размещение измерительной аппаратуры и компьютера в непосредственной близости от установки связано с большими помехами и сбоями в работе измерительной и вычислительной аппаратуры.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа (по количеству общих существенных признаков и достигаемому техническому результату) способ мониторинга электронно-пучковой технологии поверхностного легирования и термообработки в вакуумных камерах, заключающийся в присоединении к обрабатываемому объекту волновода в виде гибкой проволоки, выходящего за пределы вакуумной камеры через вакуумный ввод, закреплении на волноводе датчика колебаний, обработке информации с последнего с помощью компьютера, в качестве датчика колебаний используют акселерометр с частотной характеристикой, охватывающей слышимый и ультразвуковой частотные диапазоны, регистрации во времени, начиная от момента воздействия импульса электронного пучка, текущих значений сигналов, поступающих с акселерометра, в двух частотных диапазонах до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, сравнивают полученные временные зависимости эффективных значений сигналов с экспериментально полученными эталонными зависимостями, и по результатам сравнения судят о достаточности энергии электронно-лучевого импульса или результатах протекания фазовых превращений (Патент №2698524 (дата подачи 23.08.2018, дата регистрации 28.08.2019). Способ мониторинга электронно-пучковой технологии поверхностного легирования и термообработки в вакуумных камерах. Авторы: Федоров С.В., Козочкин М.П. Опубл. 28.08.2019, Бюл. №25).
Недостатком известного способа, в том числе технической проблемой является то, что оно не предназначено для оперативного информирования персонала, обслуживающего вакуумную камеру в производственных условиях. Это известное решение предназначено для проведения исследовательских работ высококвалифицированным персоналом, который хорошо разбирается в методике математической обработки сигналов вибраций и может читать графическую информацию на экране монитора. По мере накопления такой информации и сопоставления ее с результатами анализа качественных показателей обработанных поверхностей (например, равномерность покрытия легирующей пленкой, глубина ее проникновения в поверхностный слой, количество микротрещин и т.п.) может вырабатываться рекомендация по рациональным режимам обработки (мощность электронного импульса, количество импульсов, газовая среда и т.п.). Оператор, обслуживающий производственную установку с электронной пушкой, не знаком с методами вибродиагностики, но он имеет обычные навыки восприятия звуковой информации. Человеческое ухо способно воспринимать частотные и амплитудные изменения в звуковом сигнале и его модуляции. Сопоставляя эти изменения с результатами определения качественных показателей поверхностного слоя обработанных деталей, оператор может самостоятельно нарабатывать связи параметров органолептического восприятия (громкость и особенности модуляции в разных частотных диапазонах, соотношение амплитуд сигналов в разных диапазонах) с результатами анализа качества обработки. В итоге он сможет самостоятельно давать оценку протекающим процессам в вакуумной камере и принимать решения по коррекции режимов обработки или повторному облучению объекта. Это так же, как опытный водитель оценивает состояние мотора по изменениям в сопровождающем шуме.
В основу заявленного изобретения был положен технический результат - сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса.
Технический результат достигается тем, что в способе получения акустической информации для мониторинга технологического процесса поверхностного легирования, заключающемся в присоединении к обрабатываемому объекту волновода в виде гибкой проволоки, выходящего через вакуумный ввод за пределы вакуумной камеры, закреплении на волноводе датчика колебаний и обработке информации с последнего с помощью компьютера, использовании в качестве датчика колебаний акселерометра с частотной характеристикой, охватывающей слышимый и ультразвуковой частотные диапазоны (например, частотный диапазон до 100 кГц), регистрации во времени, начиная от момента воздействия импульса электронного пучка, текущих значений сигналов, поступающих с акселерометра, в двух частотных диапазонах до момента падения амплитуды сигналов до уровня фоновых шумов, выделяют огибающие полученных зависимостей, которые растягивают во времени, достаточном для аудиального восприятия (например, в 50 и более раз), формируя новые огибающие, для более низкочастотного диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в пределах нижней части диапазона аудиального восприятия (например, в пределах от 50 до 1000 Гц), а для другого диапазона выбирают несущую частоту квазигармонического сигнала в более высоком частотном диапазоне, достаточном для комфортного аудиального различия с выбранным низкочастотным квазигармоническим сигналом (например, несущую частоту сигнала берут в два и более раз выше), в качестве частотных диапазонов, в которых регистрируют временные зависимости текущих значений сигналов с акселерометра, выбирают те частотные диапазоны, в которых по экспериментальным данным амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям при вариации режимов облучения, новые огибающие используют в качестве модулирующих функций для соответствующих выбранных несущих частот, модулированные сигналы раздельно усиливают и подают на двухканальное звуковоспроизводящее устройство для воздействия на правое и левое ухо оператора соответственно.
Изобретение поясняется графическими изображениями, где представлены:
на фиг. 1 - схема установки аппаратуры, реализующей предлагаемый способ, для записи и анализа сигналов вибраций с акселерометра, возникающих после подачи электронного импульса, и преобразования их в звуковой сигнал, воздействующий на органы слуха оператора;
на фиг. 2 - пример записи импульса вибраций, возникшего после подачи электронного импульса, отфильтрованного в одной из частотных полос 10-19 кГц, и его огибающая;
на фиг. 3 - пример новой огибающей после растяжения в 100 раз и вид квазигармонического сигнала, модулированного новой огибающей;
на фиг. 4 - пример двух квазигармонических сигналов, сформированных в соответствии с предлагаемым способом, подаваемых на органы слуха оператора.
В соответствии с изобретением на фиг. 1 показан пример схемы, реализующей аппаратную часть предлагаемого способа, где с обрабатываемым образцом 1 контактирует волновод 2, выполненный из гибкой проволоки и выходящий из вакуумной камеры через вакуумный ввод, противоположный конец которого присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки в соответствии с заявляемым способом и формирования двухканального акустического отображения сигнала вибраций, которое дифференцированно подается на наушники 9, имеющие устройства усиления и балансировки каналов, используемые оператором.
На фиг. 2 показан пример вибрационного сигнала 10, возникшего в результате подачи электронного импульса на обрабатываемый образец 1. На примере показан вид импульса длительностью 50 мс после фильтрации полосовым фильтром 10-19 кГц. Огибающая 11 для сигнала 10, необходимая в соответствии с заявленным способом, построена путем последовательного вычисления эффективных (среднеквадратичных) значений амплитуды на коротких отрезках времени (в данном случае брались отрезки по 40 мкс). Длина временных отрезков определяет подробности сигнала, описываемые с помощью огибающей. Очень подробное описание не имеет смысла, т.к. их не различает человеческое ухо, грубое описание теряет существенные подробности. Таким же образом может строиться и пиковая огибающая, где для каждого отрезка времени выделяется максимальное значение. Однако практика показывает, что эти варианты огибающих почти эквидистантны и не влияют на улучшение аудиального восприятия.
На фиг. 3 показана новая огибающая 12 после растяжения в 100 раз начальной огибающей 11 и квазигармонический сигнал 13, модулированный новой огибающей 12. На вставке 14 показан увеличенный участок квазигармонического сигнала, модулированного новой огибающей, и несущий сигнал с постоянной частотой (в данном случае 70 Гц).
На фиг. 4 показан пример двух квазигармонических сигналов, сформированных для озвучивания сигналов вибраций в двух частотных диапазонов (были выбраны два частотных диапазона: 10-19 кГц и 19-40 кГц). Новые огибающие модулируют несущие сигналы на частотах 70 Гц для полосы 10-19 кГц и 250 Гц для полосы 19-40 кГц. Громкость квазигармонических сигналов выравнивается для их комфортного восприятия оператором при одновременном дифференцированном прослушивании разными ушами. Дифференцированное усиление устанавливается заранее на основании экспериментов с типовыми сигналами конкретного технологического процесса. При таком подходе обеспечивается максимальная информативность каждого канала. Дифференцированное усиление делается для балансировки сигналов в разных каналах. Высокой информативностью может обладать сигнал, изначально имеющий относительно маленькую амплитуду. Для улучшения его восприятия на фоне сигнала другого канала требуется балансировка (обычно такое устройство присутствует в стерео аппаратуре). Для начальной установки баланса каналов можно выравнивать максимумы квазигармонических сигналов для типовых условий технологического процесса.
Способ акустического мониторинга электронно-лучевой технологии в вакуумных камерах осуществляется следующим образом. В соответствии с фиг. 1 из вакуумной камеры выводится гибкий волновод 2, который механически соединен с обрабатываемым образцом 1. Для вывода из вакуумной камеры участок волновода уплотняется. Противоположный конец волновода 2 присоединен к принимающей пластине 3, на которой установлен акселерометр 4, выход которого подключен к предусилителю 5, подключаемому к аналоговому усилителю 6, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, данные которого с помощью компьютера 8 сохраняются для последующей обработки и формирования акустического отображения сигнала вибраций, которое подается на наушники 9, используемые оператором.
Практика показала, что длительность вибрационного сигнала, возникающего после облучения детали, составляет около 50 мс. Основная энергия сигнала сосредоточена на еще более коротком участке, иногда доходящем до 15 мс. Если такой сигнал подать в наушники оператора, то он с трудом сможет оценить только амплитуду импульса. На самом деле человеческое ухо может различать множество оттенков сигнала, включая изменения амплитуды и частотного состава, но только при достаточной длительности анализируемого импульса (это 5-10 секунд). При наличии опыта оператор может на слух оценивать ход процесса и вовремя реагировать на нежелательные отклонения. При изменении состава обрабатываемых материалов оператор может не дожидаться проведения исследователями испытаний различных режимов обработки, а самостоятельно на слух определять подходящее сочетание варьируемых режимов, сопоставляя их с последующими результатами анализа качества полученных поверхностей (после извлечения из вакуумной камеры).
Однако просто растянуть во времени сигнал исходного импульса не лучший вариант, поскольку в этом случае все частоты, входящие в спектр вибрационного сигнала (в основном это собственные частоты канала, соединяющего обрабатываемую деталь с акселерометром) будут уменьшены в такое же число раз, во сколько увеличено время импульса. Получается, что на небольшом низкочастотном промежутке будет сосредоточено множество частот, которые раньше были распределены в частотном диапазоне в 100-200 раз большем (при длинном волноводе основная энергия вибраций сосредоточена на частотах до 20-30 кГц). Получается такой шумовой сигнал, в котором трудно разобрать отдельные составляющие. Надо еще учитывать, что миниатюрная акустическая аппаратура хуже передает самые низкие частоты. Возникает нижний порог около 30-40 Гц, попавшие туда составляющие будет трудно разобрать на фоне составляющих в более высокочастотном диапазоне. В связи с этим в предлагаемом способе было решено, из состава сигнала вибраций выделять два частотных диапазона и их звуковым отображением воздействовать на разные уши оператора. Для этого исходный сигнал фильтруется в этих 2-х частотных диапазонах, и строятся начальные огибающие (график 11 на фиг. 2) для каждого диапазона. Начальные огибающие растягиваются до времени, достаточного для аудиального восприятия (это 4-10 секунд). Просто меняется масштаб времени, например, в 100-200 раз. Для каждого выделенного диапазона выбирается своя несущая частота квазигармонического сигнала, который должен модулироваться новой (растянутой) огибающей. Т.о., получаются два квазигармонических сигнала (пример 13 на фиг. 3), которые затем дифференцированно усиливаются и запускаются в разные наушники оператора. В этом случае на оператора воздействует не сложный шумовой сигнал, а упрощенный, состоящий из двух квазигармонических составляющих, оттенки (амплитуда, модуляция, соотношение амплитуд в разных диапазонах в разные моменты времени) изменения которых человек в состоянии уловить. Преобразованный сигнал запускается в наушники с некоторым запаздыванием (менее одной секунды), определяемым временем преобразования в компьютере, которое не сказывается на времени дальнейшего принятия решения оператором.
Выбор двух частотных диапазонов, в которых фильтруется исходный сигнал, делается заранее. Он определяется составом собственных частот канала наблюдения вибраций, распределением мощности импульсов по частотному диапазону и частотами, на которых амплитуда сигнала подвергается наибольшим изменениям от импульса к импульсу при вариации режимов облучения, сопровождающих электронно-пучковую обработку. Частотный диапазон не должен быть слишком узким из-за появления в этом случае неустойчивости амплитуды сигнала, наиболее приемлемой шириной частотного диапазона является диапазон порядка одной октавы. Выбор наилучших диапазонов проводится на основании экспериментальных данных. В примере на фиг. 4 показаны два квазигармонических сигнала, сформированные для озвучивания двух частотных диапазонов, в которых происходили наибольшие изменения амплитуды при вариациях рабочих импульсов электронной пушки.
Выбор несущих частот квазигармонических сигналов тоже делается заранее и ориентируется на восприятие человеком этих сигналов и их различимость при совместном звучании. Для хорошего аудиального различия необходимо, чтобы несущие частоты различались в два или более раз (по этой причине применяется стандартное разбиение частотного диапазона на октавы). Воздействие каждого квазигармонического сигнала на разные уши оператора улучшает дифференциальное восприятие их особенностей, определяемых ходом технологического процесса. В качестве частотного диапазона для несущих частот квазигармонических сигналов используется аудиальный диапазон наилучшего восприятия (Условно область слухового восприятия можно разделить на три области: 20…300 Гц - низкая; 300…3000 Гц - средняя; 3000…20000 Гц - высокая. https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/oblast-sluhovogo-vosprijatija-cheloveka/). Наименьшую несущую частоту предпочтительней брать из нижней части диапазона аудиального восприятия (в примере была использована частота 70 Гц), но выше 50 Гц, что связано с особенностями воспроизводящей аппаратуры. Для другого канала частота берется в два или более раз выше. При этом не исключается ориентация на пожелания оператора. В данном случае вторая несущая частота была 250 Гц.
На фиг. 2 и 3 поэтапно показана последовательность преобразования сигнала в одном из выбранных частотных диапазонов (10-19 кГц). Эти данные были взяты из результатов экспериментальной обработки сигналов вибраций при электронно-пучковом облучении стальной пластины, покрытой пленкой NbHf. В результате облучения запускалась химическая реакция с образованием нитридной фазы (NbHf)N. Для озвучивания процесса были выбраны две частотные полосы 10-19 и 19-40 кГц. Преобразования в полосе 10-19 кГц показаны на фиг. 2 и 3, такие же преобразования были сделаны для второй полосы. В качестве несущих частот были выбраны частоты 70 и 250 Гц. Для улучшения восприятия звука на частоте 250 Гц перед подачей в наушники соответствующий квазигармонический сигнал был усилен в 6 раз для выравнивания максимальных значений амплитуд обоих сигналов. В результате были получены квазигармонические импульсы длительностью в 5 секунд (графики 15 и 16 на фиг 4), где в самом начале выделяются звуки на частоте 250 Гц, далее преобладают звуки на низкой частоте, модулированные волнообразным характером процессов мартенситного преобразования. При выборе частотных диапазонов желательно учитывать и то, чтобы огибающие обоих сигналов не были бы эквидистантными.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает получение заявленного технического результата - сокращение времени освоения технологии обработки новых материалов и повышение точности настройки режимов работы технологического оборудования, определяющих параметры электронных импульсов и эффективность их воздействия на поверхность детали, и повышение качества продукции электронно-пучковой обработки за счет своевременной коррекции технологического процесса.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для реализации электрофизических методов обработки, в частности электронно-лучевой обработки в вакуумных камерах;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.
РИД создан по теме 18-25/рнф (Соглашение №18-19-00599 между Российским научным фондом и ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»).