Способ определения наличия раковин или дополнительных включений в материале изделия
METHOD FOR DETERMINING THE PRESENCE OF CAVITIES OR ADDITIONAL INCLUSIONS IN A PRODUCT MATERIAL

Изобретение относится к области машиностроения или ремонтного производства, в частности к литейному производству как цветных, так и черных металлов при серийном производстве, а также к области технических измерений.
Известен способ [1] определения наличия раковин или посторонних включений в материале изделия с помощью ультразвука. Способ заключается в прозвучивании изделия с помощью ультразвуковых колебаний. Основан на свойстве ультразвуковых колебаний (волн) прямолинейно распространяться в однородном твердом теле и отражаться от границ раздела сред с различными акустическими сопротивлениями, в том числе нарушений сплошности материала (трещин, раковин, пустот, расслоений и др.). Способ удобен, позволяет определить координаты расположения раковин и пустот в материале изделия, но требует наличия дорогостоящего оборудования, больших затрат времени на настройку прибора и проведения исследований. Способ эффективен в том случае, если он применяется при контроле изделий, когда заранее известно, что они действительно имеют раковины и пустоты или дополнительные включения в материале и требуется установить их характер и координаты. Если раковины и пустоты отсутствуют, то получается дополнительная трата времени на настройку контрольного оборудования и испытание. То есть, чтобы эффективно применения данный способ, он должен применяться к изделиям, у которых заранее выявлено наличие внутренних дефектов в его материале. При применении данного способа для сплошного контроля изделий способ имеет низкую эффективность. Основным недостатком данного способа является значительная трудоемкость и недостаточная эффективность и точность при контроле изделий сложной конфигурации и формы, так как в этом случае сложно правильно расположить излучатель и пьезоприемник относительно поверхности контролируемой детали и относительно внутреннего дефекта, что может привести к большим искажениям результатов контроля как по определению координатов внутреннего дефекта, так и его размеров.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является метод сравнения с мерой [2, пункт 4.6], в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примером может служить измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями (мерами массы с известными значениями). Способ позволяет получить результаты с высокой точностью, но он трудоемкий и позволяет определить только вес изделия, а наличие раковин и дополнительных включений в материале изделия не может определить. На рычажных весах определяется только один показатель - масса изделия, используя метод сравнения с мерой, то есть, рычажные весы имеют узкое функциональное назначение. Это является тоже большим недостатком.
Целью данного изобретения является разработка способа определения наличия внутренних или наружных раковин или дополнительных включений в материале изделия при сплошном контроле изготавливаемых изделий, а также расширение функциональных возможностей рычажных весов.
2
1
1
1
1
1
1
Сущность изобретения основывается на использовании такого физического явления, как при наличии внутри изделия или на наружной поверхности раковин (пустот) при одинаковом наружном (габаритном) объеме, при взвешивании вес изделия будет меньше, чем при отсутствии раковин и пустот. Под понятиями наружный или габаритный объем изделия понимается следующее. Если взять, например, два прямоугольных параллелепипеда одинакового объема, у которых наружный (габаритный) объем был получен путем измерения длины, высоты и ширины, то параллелепипед, имеющий внутренние или внешние раковины (пустоты) будет весить меньше при взвешивании на весах, чем параллелепипед, который не имеет как внутренних, так и внешних раковин (пустот). Чем больше объем как внутренних, так и внешних раковин (пустот), тем меньше будет весить изделие. При наличии дополнительных включений в материале изделия из-за разности удельных весов материала изделия и материала дополнительного включения также появляется разность в весе. Если удельный вес дополнительного включения больше чем удельный вес материала изделия, то при взвешивании такого изделия его вес будет больше чем вес изделия, не имеющего дополнительные включения и наоборот. Известно, что вес тела Р=mg, где m - масса тела в кг, g - ускорение свободного падения м/с. При наличии пор (пустот) в материале изделия, фактический объем изделия будет V=V-ΔV, где V - объем изделия без внутренних раковин (пустот), то есть, объем годного изделия, ΔV - объем внутренних раковин (пустот). Если раковин несколько, то это будет суммарный объем всех раковин. Таким образом, вес годного изделия у которого внутренние раковины (пустоты) отсутствуют, определяется по формуле Р=γ V, где γ - удельный вес материала изделия. Вес негодного изделия (с раковинами и пустотами) определяется по формуле Р=γ V. Так как V<V, то Р<Р. Таким образом, разность ΔР=Р-Р является параметром, характеризующим наличие раковин (пустот) в материале изделия. При отсутствии раковин (пустот) ΔР=0, что говорит об их отсутствии и о годности детали, а также об отсутствии дополнительных включений в материале изделия. При ситуации, когда ΔР>0 деталь необходимо отправить на ультразвуковую установку или на другие установки для определения координаты месторасположения раковин и их размеров, а также дополнительных включений в материале изделия.
На фиг. 1 показан график зависимости между разностью ΔР и объемом раковин (пустот) в материале изделия - ΔV. Из графика видно, что с увеличением объема внутренних или наружных раковин (пустот) - ΔV, значение - ΔР увеличивается. ΔV - может представлять объем как одной единственной раковины (пустоты), или же сумму объемов нескольких раковин или пустот как внутри материала изделия так и на его наружных поверхностях.
На фиг. 2 показано положение стрелки, когда на чашах весов отсутствуют взвешиваемые детали, а стрелка находится на нулевой отметке шкалы. Приняты следующие обозначения: 1 - левая чаша весов; 2 - правая чаша весов; 3 - шкала; 4 - стрелка; О - О - базовая линия. На последующих фигурах эти обозначения не показаны, так как схема простая и обозначения понятны из рисунка.
max
расч
На фиг. 3 показано положение стрелки 4 весов, когда измеряется вес изделия - Р с максимально допустимой массой, в пределах допуска, заданного конструктором. Изделие установлено на левой чаше 1 весов. На правую чашу весов установлено аналогичное изделие, имеющее расчетную массу и расчетный вес - P. При этом, стрелка весов отклоняется на угол а от нулевой отметки шкалы влево.
min
расч
На фиг. 4 показано положение стрелки 4 весов, когда измеряется вес изделия - Р. Изделие имеет минимальную массу и минимальный объем в случае, когда его линейные или угловые размеры выполнены по минимуму в пределах допуска, заданного конструктором. Изделие также установлено на левую чашу 1 весов. На правую чашу весов установлено аналогичное изделие, имеющее расчетную массу и расчетный вес - Р, как и на фиг. 3. При этом, стрелка весов отклоняется на угол β от нулевой отметки шкалы вправо.
На фиг. 5 показаны области расположения стрелки весов для случаев, когда в материале изделия отсутствуют внутренние раковины и пустоты или дополнительные включения. То есть, при взвешивании готовых и годных (не имеющих внутренних раковин и пустот или дополнительных включений) изделий, снятых с конвейера, стрелка должна находиться в пределах угла ϕ=(α+β).
На фиг. 6 показана схема перемещения изделий по технологической линии в зависимости от результатов контроля. Точка 1 - точка определения наличия раковин или дополнительных включений в материале изделия с применением предложенного способа. Точка 2 - точка определения наличия раковин или дополнительных включений в материале изделия с применением известных способов, например ультразвуковым или другими методами.
min
max
min
max
расч
взв
расч
взв
расч
взв
расч
взв
расч
взв
расч
взв
расч
взв
1
Предлагаемый способ осуществляется в следующей последовательности. Так как, при проектировании любого изделия конструктором задается допуск, как на линейные, так и угловые размеры изделия, что приводит к изменению, как массы, так и объема готового изделия в определенных допустимых пределах. Если размеры, как линейные, так и угловые, в процессе изготовления находятся в пределах допуска, то это приводит также к изменению как объема так и массы готового изделия в определенных допустимых пределах, массы от минимально допустимого значения - m до максимально допустимого значения - m, объема от минимального допустимого значения - V до максимально допустимого значения - V - Определяющее уравнение для удельного веса [3, стр. 75] γ=P/V, где Р - вес тела, V - объем. Преобразуем эту зависимость и получим: Р=γ V. Данная зависимость справедлива в том случае, если материал изделия при данном объеме V представляет сплошное однородное тело, без разрывов, раковин, внутренних пустот, дополнительных включений и т.п. Часто материал изделия при одинаковом внешнем объеме содержит внутренние раковины, пустоты или дополнительные включения, например, в литейном производстве [4]. Таким образом, при наличии внутренних раковин, пустот или дополнительных включений в материале изделия расчеты по данной зависимости окажутся неверными, с грубыми погрешностями. Проблема заключается в том, как определить наличие в материале изделия внутренних раковин, пустот или дополнительных включений. Имеющиеся способы для этой цели трудоемки, имеют низкую производительность, требуют наличия дорогостоящего оборудования. Внутренние раковины, пустоты или дополнительные включения по классификации [5, пункт 42.] относят к скрытым дефектам. Эту проблему можно решить через взвешивание изделия на рычажных весах, используя метод сравнения с мерой [2], дополняя и расширяя этот метод, как предлагается в заявке. При наличии внутренних раковин или пустот при одном и том же наружном объеме V изделие при измерении на весах покажет меньший вес, чем изделие с таким же наружным объемом V, но без раковин и пустот. При наличии раковин и пустот в материале изделия, фактический объем изделия, как было отмечено выше, будет V=V-ΔV, где V - наружный объем изделия ΔV - объем внутренних раковин (пустот). Если внутренних раковин и пустот несколько, то это будет суммарный объем всех раковин и пустот. Таким образом, вес годного изделия (у которого внутренние раковины и пустоты отсутствуют), то есть, материал изделия представляет сплошное однородное тело, определяется по формуле Р=γ V. В этом случае, вес изделия - Р, полученный расчетным путем, и полученный взвешиванием - Р, на рычажных весах, будут равными, то есть, Р=Р. Если же в материале изделия содержатся внутренние раковины и пустоты, то Р≠Р. Между расчетным значением - Р и результатом взвешивания - Р будет следующее соотношение Р>Р, то есть, появляется ΔР=Р- Р. Чем больше значение ΔР тем больше объем внутренних раковин и пустот и наоборот. При отсутствии внутренних раковин и пустот ΔР=0. Таким образом, разность ΔР=Р - Р является параметром, характеризующим наличие внутренних раковин и пустот в материале изделия. Если ΔР=0, изделие отправляют на сборочный конвейер или потребителю. Если же ΔР>0, изделие бракуют или направляют, на участок определения характеристик (размеров, координат расположения в материале изделия и т.п.) внутренних раковин и пустот.
Для реализации способа необходимо предварительно откалибровать весы, на которых осуществляется определение наличия внутренних раковин или дополнительных включений в материале изделия. Основные этапы калибровки показаны на фиг. 2-4. При отсутствии на левой - 1 и правой - 2 чашках изделия стрелка 4 весов должна располагаться против нулевой отметки шкалы 3 (Фиг. 2). Установку нуля осуществляют с помощью регулировочных грузиков. О - О базовая линия.
max
расч
max
расч
Затем, на левую чашку весов устанавливают изделие, имеющее максимальный вес Р (Фиг. 3). На правую чашу весов устанавливают аналогичное изделие, имеющее расчетную массу и расчетный вес - Р. При такой ситуации стрелка весов отклоняется от нулевой отметки влево, так как Р>Р и между нулевой отметкой шкалы и стрелкой появляется угол α. То есть, угол α - угол наклона стрелки от нулевой отметки шкалы, когда изделие имеет максимальные допустимые заданные конструктором объем, массу и вес. Изделие имеет максимальную массу, максимальный объем и вес в случае, когда его линейные или угловые размеры выполнены по максимуму в пределах допуска, заданного конструктором.
min
расч
min
расч
Затем, на левую чашу весов устанавливают изделие, имеющее минимальный вес - P (Фиг. 4). На правую чашу весов устанавливают аналогичное изделие, имеющее расчетную массу и расчетный вес - Р. При такой ситуации стрелка весов отклоняется от нулевой отметки вправо, так как P<Р и между нулевой отметкой шкалы и стрелкой появляется угол β. То есть, угол β - угол наклона стрелки 4 от нулевой отметки шкалы, когда изделие имеет минимальную массу и вес. Изделие имеет минимальную массу, вес и минимальный объем в случае, когда его линейные или угловые размеры выполнены по минимуму в пределах допуска, заданного конструктором.
Калибровка весов завершена. Она заключалась в определении углов α и β.
Изделие с расчетной массой и весом, использованном для калибровки оставляют на месте, то есть, она находится постоянно на правой чашке 2 весов. Изделие с расчетной массой и весом играет роль эталона (меры), то есть, измерение осуществляется методом сравнения с мерой.
Затем, на левую чашу весов кладут контролируемое изделие, то есть, происходит процесс взвешивания изделий на рычажных весах по принятой методике.
При взвешивании возможны следующие варианты результатов.
Первый вариант. Если в материале изделия отсутствуют внутренние раковины и пустоты или дополнительные включения, стрелка (Фиг. 5) должна находиться в пределах угла ϕ=(α+β). В этом случае изделие считается годной и направляют на сборку или потребителю из точки 1 (Фиг. 6).
Второй вариант. Если в материале изделия имеются раковины, то стрелка весов выходит за пределы угла β и переходит в зону угла ε что говорит о наличии раковин (пустот) в материале изделия. Естественно, чем больше объем раковин и пустот, чем на больший угол ε отклоняется стрелка весов. В этом случае изделие считается негодной и направляется в точку 2 технологического процесса (Фиг. 6).
Третий вариант. Если в материале изделия имеются дополнительные включения, имеющие удельный вес, больший чем удельный вес материала изделия, то стрелка весов выходит за пределы угла α и переходит в зону угла δ что говорит о наличии дополнительных включений в материале изделия. Естественно, чем больше объем и удельный вес дополнительных включений, чем на больший угол δ отклоняется стрелка весов. В этом случае изделие также считается негодной и направляется в точку 2 технологического процесса (Фиг. 6).
Технический эффект заключается в повышении производительности определения наличия как внутренних, так и наружных раковин (пустот) в материале изделия и в исключении проведения ультразвукового исследования у тех изделий, у которых отсутствуют раковины или пустоты как внутри материала изделия так и на его наружной поверхности, а также в расширении функциональных возможностей рычажных весов. Так как при применении предложенного способа на рычажных весах можно определить не только вес изделия, но и наличие раковин и дополнительных включений в материале изделия.
Источники информации
1. Надежность и ремонт машин / В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельнов, К.А. Ачкасов и др.; Под ред. В.В. Курчаткина. - М: Колос, 2000. - 776 с: ил. (Учебники и учеб. пособия для высших учебных заведений).
2. РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. Рекомендации по межгосударственной стандартизации.
3. Бурдун Г.Д. Справочник по международной системе единиц. Изд. 2-е, доп. М., Издательство стандартов, 1977.
4. ГОСТ 19200-80 Отливки из чугуна и стали. Термины и определения дефектов.
4. ГОСТ 19200-80 Отливки из чугуна и стали. Термины и определения дефектов.
5. ГОСТ 15467-79* Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения (с изменениями №1).