УСТАНОВКА ДЛЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Полезная модель относится к устройствам, использующим оптические средства, более конкретно, голографический интерферометр, для неразрушающего контроля качества металлических полых изделий, изготовленных посредством пневмоформовки, в том числе пневмоформовки в условиях сверхпластичности, а также полых изделий с наполнителем, образующим ребра жесткости, изготовленных посредством сверхпластической формовки и диффузионной сварки (СПФ/ДС). Наиболее перспективно использование полезной модели для неразрушающего контроля качества полой лопатки вентилятора газотурбинного двигателя (ГТД) в комплексе с другими методами измерений и контроля.
Голографическая интерферометрия позволяет регистрировать как амплитудную, так и фазовую информацию, содержащуюся в волновом фронте, поэтому с ее помощью можно рассматривать объект с различных точек зрения и выполнять прямые измерения размеров объекта, координат отдельных точек, изучать рельеф поверхности и форму изделия [1].
Голографическая интерферометрия может служить для определения отклонений от эталона, а также перемещений, вызванных, в частности, деформацией, по величине соизмеримых с длиной волны излучения используемого лазера.
Достоинствами голографических установок являются бесконтактность, высокая чувствительность, возможность одновременного исследования сравнительно больших по площади поверхностей, объемность изображения.
Современные установки для голографического контроля [1] представляют собой, как правило, массивные (0,5…1 т) и сравнительно крупногабаритные (2×2×2 м) устройства. Они обычно состоят из жестких опор, к которым на специальных виброгасящих устройствах подвешивают жесткую плиту, на которую крепят голографический интерферометр, включающий лазер, оптические элементы, держатель голограммы, а также объект контроля и другие необходимые устройства.
Оптические элементы предназначены для расширения и фокусировки излучения лазера, изменения его направления (с помощью призм, зеркал, светоделителей), а также модулирования и фильтрации. Оптические элементы могут располагаться в специальных подвижных держателях (рейтерах), что позволяет легко скомпоновать на плите установки требуемую схему голографирования.
Установка для проведения голографической интерферометрии содержит также устройство воздействия на объект контроля, необходимое для его деформирования. Деформацию осуществляют посредством механического воздействия, нагрева, вакуумирования [1]. Сравнение голографических изображений контролируемого изделия до и после деформации позволяет судить о наличии или отсутствии дефектов.
Наблюдение голографических изображений производится визуально или с помощью телевизионных установок.
Разрабатываются цифровые голографические интерферометры, обеспечивающие возможность ввода голографических изображений в компьютер с целью их регистрации и обработки [1].
Выбранная за прототип полезной модели установка, предназначенная для голографического контроля качества полых изделий, изготовленных посредством пневмоформовки, в том числе пневмоформовки в условиях сверхпластичности, а также полых изделий с наполнителем, образующим ребра жесткости, изготовленных посредством СПФ/ДС [2], так же, как установка [1] содержит голографический интерферометр и контролируемое изделие, жестко зафиксированные на неподвижном основании - столе, а также устройство воздействия на контролируемой изделие, необходимого для его деформирования (в описании прототипа это устройство названо нагружающим). При этом изделие для голографирования наиболее развитой по площади поверхности фиксируется на неподвижном основании в вертикальном положении посредством жесткой рамы, в свою очередь жестко закрепленной на неподвижном основании. Закрепление изделия на раме может быть осуществлено механическими зажимами [2, 3]. Кроме того, на этой же раме крепятся элементы нагружающего устройства, в частности манометр. В качестве устройства воздействия на объект контроля, необходимого для его деформирования, установка содержит устройство для нагружения исследуемого изделия внутренним давлением. Нагружение давлением при использовании для голографического контроля известной установки проводится, как правило, однократно. Величина внутреннего давления, воздействующего на контролируемое изделие, подбирается экспериментально и составляет примерно 0,1 МПа [3]. В качестве рабочей среды при нагружении давлением используется инертный газ - аргон. Аргон используют для большей унификации технологических циклов изготовления и контроля изделия, поскольку при формовке в качестве среды, создающей рабочее давление (рабочей среды) также используется аргон. Использование же инертного газа в качестве рабочей среды при формовке обусловлено тем, что металлы и сплавы склонны при высоких температурах, необходимых для осуществления формовки, к интенсивному окислению, особенно это касается титановых сплавов, из которых посредством сверхпластической формовки, а также посредством СПФ/ДС изготавливается большинство полых изделий, в том числе полая лопатка вентилятора ГТД. Отмеченные обстоятельства не исключают использования другого газа, в том числе воздуха, для нагружения контролируемого изделия внутренним давлением в процесс голографического контроля.
Для подвода аргона при осуществлении голографического контроля рационально использовать штуцер, который был использован для подвода аргона при формовке.
В известном устройстве [2] не предусмотрены какие-либо средства для регулирования давления, воздействующего на контролируемое изделие.
Основным недостатком известной установки в целом является возможность возникновения помех, снижающих точность контроля качества полых изделий, несмотря на высокую точность метода голографической интерферометрии как такового. Это обстоятельство обусловлено несколькими факторами. Во-первых, в изделии возможно присутствие остаточных деформаций, сохранившихся вследствие явления упругого гистерезиса после того, как изделие подвергалось по каким-либо причинам случайным, но чаще всего запланированным при проведении других испытаний упругим деформациям. Во-вторых, пневмоформовкой получают, как правило, тонкостенные полые изделия весьма сложной конфигурации, и жестко зафиксировать такое изделие оказывается непросто. Ярким примером такого изделия служит полая лопатка вентилятора ГТД, имеющая сложный аэродинамический профиль, характеризующийся наличием «спинки», «корыта» и закрутки одного конца лопатки относительно другого ее конца (фиг.2, 3). Лопатка фиксируется на жесткой раме с помощью зажимов в угловых точках. Применить большее количество точек для увеличения жесткости фиксации лопатки не представляется возможным в силу ее конструктивных особенностей. Кроме того, использование зажимов не обеспечивает жесткости крепления. Также недопустимо применение значительных усилий для осуществления фиксации контролируемого изделия, поскольку они могут привести к повреждению изделия.
В результате любое смещение контролируемого изделия при его нагружении внутренним давлением может создать помехи, снижающие, как было уже отмечено выше, точность установки для голографического контроля.
Свободные концы упомянутых зажимов расположены в отверстиях, выполненных на жесткой плите, что фактически исключает воспроизводимость условий крепления изделий на плите установки при смене изделий.
В описании прототипа напрямую отмечается необходимость усовершенствования средств для крепления изделия, обеспечивающих отсутствие смещения контролируемого изделия при нагружении, а также достаточную воспроизводимость условий крепления изделий на плите установки при смене изделий.
Задачей полезной модели является повышение точности установки для голографического контроля качества полых изделий, изготовленных посредством пневмоформовки, в том числе пневмоформовки в условиях сверхпластичности, а также полых изделий с наполнителем, образующим ребра жесткости, изготовленных посредством сверхпластической формовки и диффузионной сварки.
Задачей полезной модели также является достижение универсальности установки, обеспечиваемой за счет воспроизводимости условий крепления изделий на неподвижных элементах установки при смене изделий.
Поставленная задача решается в том случае, когда установка для голографического контроля качества полых изделий, изготовленных посредством пневмоформовки, в том числе пневмоформовки в условиях сверхпластичности, а также полых изделий с наполнителем, образующим ребра жесткости, изготовленных посредством сверхпластической формовки и диффузионной сварки типа полой лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, содержащая голографический интерферометр и контролируемое изделие, жестко зафиксированные на неподвижном основании, а также устройство воздействия на контролируемое изделие давлением газа, подаваемым в его внутреннюю полость, отличается от известной установки тем, что для фиксации контролируемого изделия использована сохраненная после формовки по большей части периметра или по всему периметру технологическая зона, при этом технологическая зона соединена с устройством воздействия на контролируемое изделие давлением газа.
Поставленная задача также решается в следующих случаях, когда:
- контролируемое изделие фиксируется непосредственно на неподвижном основании или на закрепленной на основании жесткой раме или жесткой плите посредством винтов, отверстия под которые выполнены в технологической зоне изделия;
- контролируемое изделие фиксируется непосредственно на неподвижном основании или на закрепленной на основании жесткой раме или жесткой плите посредством промежуточной прижимной рамки, по форме, повторяющей форму технологической зоны, рамка в свою очередь закрепляется на упомянутых неподвижных элементах установки посредством винтов, отверстия под которые выполнены в прижимной рамке;
- устройство воздействия на изделие давлением газа выполнено с возможностью регулирования величины давления;
- устройство воздействия на изделие давлением газа включает баллон с инертным газом или сжатым воздухом, соединенный с технологической зоной через воздушный редуктор;
- для контроля использован цифровой голографический интерферометр, соединенный с компьютером;
- с компьютером соединено также устройство воздействия на изделие давлением газа.
Технологическая зона изделия изначально предназначена для зажима пакета исходных листовых заготовок между половинами формообразующей матрицы в процессе формовки полого изделия, в том числе полого изделия с внутренними ребрами жесткости. После формовки технологическая зона отрезается от готового изделия.
Формовка осуществляется, при высокой температуре, порядка 850-900°С, в течение достаточно длительного времени и нередко сопровождается последующей выдержкой при указанной температуре в течение времени ~ 1 час. Выдержка предназначена для более полного протекания рекристаллизационных процессов при диффузионной сварке и полного снятия внутренних напряжений.
Существенным в полезной модели является то, что сохранение технологической зоны по большей части периметра или по всему периметру готового изделия предопределяет проведение голографического контроля ранее многих других испытаний, фактически сразу же после формовки, то есть при отсутствии остаточных упругих деформаций и внутренних напряжений в контролируемом изделии, что значительно повышает точность голографического контроля и соответственно установки для его осуществления.
Кроме того, наличие технологической зоны позволяет значительно повысить жесткость крепления изделия к неподвижным элементам установки - это может быть непосредственно основание или промежуточная жесткая рама, как, например, в установке-прототипе, или жесткая плита (выбор того или иного неподвижного элемента для крепления изделия зависит от конфигурации изделия). Повышение жесткости крепления изделия объясняется тем, что технологическая зона, выполненная зацело с изделием и проходящая по всему его периметру, позволяет закрепить изделие, используя для этого большее, фактически неограниченное, количество точек, в отличие от прототипа, где, в частности, при контроле полой лопатки, закрепление осуществляют только по четырем угловым точкам.
Возможно закрепление изделия с помощью промежуточной рамки, по форме, повторяющей форму технологической зоны. Такая рамка прижимает изделие к жесткой раме по всей поверхности технологической зоны. Сама же рамка может крепиться к неподвижному основанию или к неподвижной раме или неподвижной плите установки также во множестве точек.
Крепление технологической зоны или прижимной рамки к неподвижным элементам установки во множестве точек может осуществляться как с использованием зажимов, так и с использованием винтов, отверстия под которые без ущерба для изделия могут быть выполнены в технологической зоне или в прижимной рамке. Крепление изделия к раме или основанию винтами является более предпочтительным, поскольку обеспечивает большую жесткость крепления. При любом виде крепления возможно использование больших усилий без риска повреждения изделия.
Повышение жесткости крепления изделия позволяет в значительной мере повысить точность голографического контроля.
Использование технологической зоны, в том числе в совокупности с прижимной рамкой, для крепления изделия обеспечивает воспроизводимость условий крепления изделий на неподвижных элементах установки при смене изделий. Так, например, на жесткой раме может быть выполнено N отверстий для элементов крепления, при этом в технологической зоне или в прижимной рамке, предназначенной для крепления изделия определенной конфигурации, также будет выполнено N отверстий в любых необходимых для этого местах, тогда как в готовом изделии в любом месте отверстие выполнить невозможно. При смене изделия будут использоваться те же упомянутые N отверстий, выполненные на жесткой раме. Универсальность установки имеет большое значение при ее использовании в промышленных условиях, когда на голографический контроль могут поступать изделия различной конфигурации, и иметь для каждого изделия специальную установку, характеризующуюся значительными габаритами и весом [1] не представляется возможным.
Наконец, в технологической зоне расположена развитая сеть каналов для подвода рабочей среды - аргона, создающей давление, необходимое для формообразования - так называемая коллекторная зона. В известной установке коллекторная зона частично и соответственно небольшая часть технологической зоны в области, где расположен штуцер для подвода аргона при формовке, сохраняются для обеспечения возможности использования этого штуцера для подвода того же аргона при голографическом контроле. Сохранение в полной мере технологической зоны и соответственно коллекторной зоны способствует повышению быстродействия заявляемой установки, помимо отмеченного выше повышения точности установки, особенно в случае осуществления контроля полых ячеистых конструкций, где в отсутствие коллекторной зоны для прохода газа между ячейками служат отверстия весьма малого диаметра. Здесь под быстродействием понимается скорость изменения рельефа всей развитой поверхности изделия при изменении давления, которая учитывается при выборе времени между отдельными экспозициями.
Высокая чувствительность голографического контроля позволяет регистрировать изменения рельефа поверхности изделия, которые могут составить доли микрометра [1]. При незначительном увеличении давления также незначительно изменяется рельеф поверхности изделия.
В отсутствие помех, вызванных наличием остаточных напряжений и недостаточной жесткостью крепления контролируемого изделия, в процессе голографического контроля появится возможность регулировать величину давления газа, подаваемого во внутреннюю полость изделия, причем в процессе увеличения давления, и тем самым контролировать незначительные перемещения поверхности изделия или отдельных ее участков, то есть наблюдать интерференционную картину в развитии [4]. В итоге становится возможным установить и проанализировать причины, вызвавшие различную деформацию отдельных участков поверхности изделия, которые по прогнозу должны были бы деформироваться одинаково при увеличении давления. Проведение контроля отмеченным образом может стать весьма актуальным при испытаниях изделий ответственного назначения таких, как например полая лопатка вентилятора ГТД.
Известная установка [2] может при необходимости также обеспечить контроль нескольких положений объекта, но при этом первую интерферограмму обычно снимают при максимальном давлении, затем давление снижают (стравливают) и делают дополнительные замеры перемещений поверхности контролируемого изделия. При таком подходе результат контроля оказывается зависимым помимо всего, отмеченного выше, от остаточных напряжений, возникших при нагружении максимальным давлением и сохранившихся вследствие упругого гистерезиса.
Возможность регулирования давления может быть осуществлена за счет легко реализуемых, простых по конструкции и недорогих по стоимости средств, в частности, когда устройство воздействия на изделие давлением газа включает баллон с инертным газом или сжатым воздухом, соединенный с технологической зоной через воздушный редуктор. Широко используемые воздушные редукторы обычно снабжены двумя манометрами, поэтому установка еще одного манометра на жесткой раме установки становится излишней.
При контроле целой серии изделий регулировать давление можно по специально разработанному для этого алгоритму с помощью компьютера, который так же, как цифровой голографический интерферометр, целесообразно по всем показателям использовать в составе установки
Полезная модель поясняется графическими материалами:
На фиг.1 приведена схема заявляемой установки для голографического контроля;
На фиг.2 приведено фото контролируемого изделия-имитатора полой лопатки вентилятора (общий вид);
На фиг.3 приведено фото контролируемого изделия-имитатора полой лопатки вентилятора (вид в сечении);
На фиг.4 приведено фото имитатора с сохраненной технологической зоной (вид сверху);
На схеме (фиг.1) заявляемой установки поз 1 обозначена жесткая рама, на которой закреплено контролируемое изделие 2 с помощью прижимной рамки (на фиг.1 не показана). Рама 1 и цифровой топографический интерферометр 3 жестко крепятся к неподвижному основанию - столу 4. Поз.5 показан баллон с газом, соединенный через воздушный редуктор 6 посредством шланга с технологической зоной изделия (шланг и технологическая зона на фиг.1 не показаны). Редуктор также снабжен двумя манометрами (на фиг.1 не показаны). Голографический интерферометр 3 соединен с компьютером 7. Компьютер снабжен электронной платой сбора видеоданных и программными пакетами, необходимыми для обработки интерферограмм.
Контролируемым изделием является имитатор полой лопатки вентилятора ГТД, изготовленной методом СПФ/ДС из титанового сплава (фиг.2, 3), что не исключает возможности контроля любого другого изделия.
Имитатор полой лопатки состоит из обшивок и расположенного между обшивками заполнителя, образующего ребра жесткости.
Основные технологические операции при изготовлении имитатора:
- операция диффузионной сварки, предназначенная для соединения исходных листовых заготовок обшивок и наполнителя по заданному рисунку;
- операция закрутки полученного пакета и придания пакету аэродинамической формы с образованием спинки и корыта лопатки;
- размещение пакета между формообразующими матрицами с последующей подачей в полость между обшивками рабочей среды и осуществлением операции сверхпластической формовки.
Готовый имитатор характеризуется наличием замковой части и пера, в свою очередь включающего кромку, полость с расположенными в ней наклонными ребрами жесткости, разделяющими полость на пять ячеек, а также наличием, как было уже отмечено, сложного аэродинамического профиля (фиг.2, 3).
Готовый имитатор поступает на голографический контроль с сохраненной технологической зоной, расположенной по всему периметру изделия (фиг.4).
Предварительно осуществляется очистка контролируемой поверхности до металлического блеска с целью повышения отражательной способности, либо на поверхность наносится отражающее покрытие. Контролируемой поверхностью имитатора является поверхность спинки, восприимчивая к упругой деформации под воздействием давления газа, в отличие от поверхности корыта, невосприимчивой к такой деформации из-за необходимости преодоления обратного прогиба.
Имитатор закрепляется на жесткой раме установки 1 в вертикальном положении при помощи прижимной рамки. При этом спинка имитатора обращена к окну оптического блока интерферометра. Форма прижимной рамки соответствует форме технологической зоны изделия. Требование соответствия формы рамки форме технологической зоны является обязательным. Требуемая форма может быть придана рамке, в частности, посредством холодной гибки. Размеры рамки могут несколько отличаться от размеров технологической зоны изделия. Прижимная рамка фиксируется на жесткой раме при помощи винтов.
Расстояние от имитатора до выходного окна оптического блока интерферометра составляет ~ 1,5…2 м. Размеры рабочей поверхности стола 2,5×1 м.
В качестве газа для создания давления в полости имитатора используется аргон, что не исключает использования в этих целях другого газа, в том числе воздуха. Величина давления для первой экспозиции составляет 0,1 МПа. Осуществляется не менее трех экспозиций. Перепад давления между экспозициями 15±1 Па.
При работе установки применяется голографический метод двух экспозиций, согласно которому с помощью лазерного излучения на цифровую видеокамеру регистрируются голографические изображения контролируемого изделия, по количеству соответствующие различным стадиям процесса деформирования поверхности. Последующее компьютерное вычитание полученных цифровых голограмм приводит к получению картины интерференционных полос, связывающих разности оптических фаз с перемещениями поверхности изделия.
Путем цифровой обработки поле разности фаз может быть преобразовано в поле перемещений поверхности объекта, которые произошли в промежутке между экспозициями.
Обработка интерферограмм и получение качественных и количественных характеристик поля перемещений поверхности контролируемого изделия осуществляется с помощью компьютера с использованием программы MAX (Measurement and Automation Explorer) и IESPIM-2.2.
В результате голографического контроля имитатора и обработки полученных данных могут быть получены следующие характеристики:
а) поле относительных перемещений (форма деформированной поверхности как в двумерном, так и в трехмерном виде - псевдо 3D);
б) поле абсолютных перемещений относительно реперной точки;
в) значения перемещений в точках с заданными координатами
г) контурная карта поля перемещений поверхности объекта;
д) функция распределения перемещений по координате вдоль заданного сечения поверхности объекта;
е) функция первой производной от перемещений по координате в заданном сечении.
Объем операций по обработке информации, полученной в ходе измерений, не ограничивается указанными выше результатами. Он зависит от конкретных задач, стоящих перед операцией контроля.
Погрешность измерений при использовании предлагаемой установки для голографического контроля качества имитатора составила ~1,6%. Для сравнения погрешность измерений при использовании установки-прототипа для голографического контроля этого же имитатора составила 2%.
На поверхности 3-ей ячейки, то есть в средней части спинки, при всех значениях давления наблюдалась большая деформация, чем по краям спинки, на поверхности остальных четырех ячеек. Такой характер деформации соответствует ожидаемому результату, он объясняется наибольшим прогибом спинки в средней части, заложенным при пластической деформации и наличием соответствующего некоторого утонения обшивки в этом месте. Однако в процессе увеличения давления была выявлена большая деформация поверхности третьей ячейки по сравнению с поверхностью четвертой ячейки, тогда как по прогнозу они должны были деформироваться одинаково. В дальнейшем при разрушающем контроле имитатора, более конкретно по результатам рентгеноструктурного анализ образцов, вырезанных из ребер, формирующих указанные ячейки, была обнаружена некоторая неоднородность структуры исходный листовой заготовки заполнителя. Неоднородность структуры обусловила неодинаковую деформацию ребер и соответственно неодинаковую деформацию поверхности ячеек при воздействии давления, поданного в полость имитатора. Выявленные обстоятельства при невозможности их устранения могут быть учтены при задании запаса прочности изделия в процессе разработки или усовершенствования его конструкции.
Заявляемая установка для голографического контроля качества полых изделий, изготовленных посредством пневмоформовки, в том числе пневмоформовки в условиях сверхпластичности, а также полых изделий с наполнителем, образующим ребра жесткости, изготовленных посредством сверхпластической формовки и диффузионной сварки типа полой лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, на дату подачи заявки на полезную модель находится на стадии изготовления опытного образца.
Предполагается использование установки в ФГУП «Уфимское моторостроительное производственное объединение» для контроля полых вентиляторных лопаток ГТД при их серийном выпуске
Источники информации, принятые во внимание:
1. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, А.В.Ковалев и др.; под редакцией В.В.Клюева. 3-е изд. испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2005. 656 с.
2. Р.В.Сафиуллин, А.А.Круглов, О.А.Руденко, С.А.Харин, А.Н.Сайранов, М.А.Морозов, В.Б.Тимохов, В.А.Кропотов Разработка конструкции и технологии изготовления облегченной широкохордной лопатки вентилятора авиадвигателя из титанового сплава//журнал «Титан» 4(26)/2009, с.34
3. Е.Н.Петров, В.В.Родионов, Э.Н.Кузьмин, Р.Я.Лутфуллин, Р.В.Сафиуллин Р.В. Ячеистые конструкции. Снежинск.: Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, 2008. 176 с.
4. Патент РФ №2148792, МПК G01B 11/16, на изобретение «Способ определения очага деформации диффузно отражающих объектов», опубликовано 10.05.2000.