CC BY
230
УДК 620.179
А. А. Игнатьев, В.В. Г орбунов, С.И. Зайцев, С. А. Игнатьев
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
ДЕТАЛЕЙ ПОДШИПНИКОВ
Рассматривается автоматизированная система вихретокового контроля деталей подшипников как один из информационных каналов системы мониторинга процесса шлифования.
А.А. Ignatyev , V.V. Gorbunov, S.I. Zaitsev, S.A. Ignatyev
AUTOMOTIVE SYSTEM OF ELECTRICAL WIRLWIND CONTROLL
OF BEARING PARTS
Automotive systems of whirlwind electrical control of bearing parts as one of the informative channels of the systems of polishing process monitoring are discussed here in the article.
Обеспечение конкурентоспособности продукции подшипниковой промышленности, как на внутреннем, так и на международном рынке, связано с повышением качества выпускаемой продукции, достигаемым экономически оправданными средствами. Эксплуатационная надежность подшипников и затраты на их изготовление в значительной степени определяются шлифовальной обработкой колец подшипников, в ходе которой в основном форми-
114
руются точность размеров, качество поверхности и поверхностного слоя дорожек качения. Для производства подшипников характерны высокие режимы резания и относительно малые припуски на обработку. Шлифование, особенно высокопроизводительное, сопровождается интенсивными силовыми и тепловыми процессами в зоне резания, поэтому непостоянство условий обработки приводит к существенным отклонениям значений параметров точности и шероховатости дорожек качения, к изменению физико-механических характеристик поверхностного слоя, к появлению прижогов, внутренних напряжений и микротрещин, что уменьшает долговечность и другие эксплуатационные свойства подшипников [1]. Исследования отечественных и зарубежных авторов выявили спектр факторов, влияющих на качество шлифованной поверхности. В работах Д.Г. Евсеева, А.В. Королева, Е.Н. Маслова, С.Г. Редько, А.Н. Резникова и других ученых установлены основные закономерности формирования физико-механических свойств поверхностного слоя с учетом тепловых процессов в зоне резания, в том числе условия, приводящие к образованию различных дефектов поверхностного слоя. В работах Л.Н. Филимонова, Г.Б. Лурье, Л.В. Худобина, Л.В. Якимова, Ю.М. Кулакова и других авторов рассмотрено влияние на качество обработанной поверхности скорости вращения круга, его балансировки, неравномерности износа, засаливания и затупления круга, средств и способов подачи СОЖ, вибрации станочной системы.
Качество поверхностей качения деталей подшипников в значительной степени влияет на характеристики собственно подшипника, в частности, на его долговечность и уровень вибраций. Шлифование отличается от других операций механической обработки интенсивным локальным нагревом поверхности, что приводит к неоднородности структуры тонкого поверхностного слоя. Неоднородность поверхностного слоя способствует образованию и развитию очагов износа и разрушения деталей подшипников, поэтому процесс шлифования должен быть организован так, чтобы измененный поверхностный слой не выходил за пределы припуска на обработку и полностью удалялся к концу обработки. Эта задача решается применением средств автоматического управления режимами шлифования с контролем текущего припуска, а также применением средств послеоперационного контроля физикомеханических свойств поверхностного слоя обработанных деталей.
Автоматическое управление режимами шлифования с контролем текущего припуска, точнее автоматическое распределение режимов шлифования по припуску, реализуется приборами активного контроля размеров, получившими широкое распространение в подшипниковой промышленности [2]. При высокопроизводительном шлифовании дорожек качения колец подшипников активный контроль легко обеспечивает точность размеров, необходимую для селективной сборки подшипников. Поэтому настройка приборов активного контроля производится с целью достижения за минимальное время обработки требуемой точности формы и стабильности физико-механических свойств шлифованных поверхностей [3].
Выборочный контроль точности формы обработанных поверхностей осуществляется универсальными кругломерами и профилометрами, причем переналадка приборов занимает несколько минут. Выборочный контроль шлифовальных прижогов осуществляется травлением деталей в кислотосодержащих растворах с последующим визуальным выявлением пятен различного тона. Форма, размеры и расположение пятен на травленой поверхности позволяют судить о характере и причинах появления дефектов. Травление позволяет контролировать детали различных форм и размеров без переналадки оборудования, но является дорогостоящим, малопроизводительным и экологически вредным процессом. Кроме того, травление дает информацию лишь о грубых структурных изменениях в поверхностном слое, снижающих долговечность подшипников в десятки раз.
Для выявления состояний поверхностного слоя, предшествующих структурным изменениям, в подшипниковой промышленности для неразрушающего контроля шлифованных поверхностей применяются специально разработанные средства вихретоковой дефектоскопии. Метод вихревых токов применяется для выявления поверхностных и подповерхностных
дефектов изделий из электропроводных материалов [3-9]. Метод основан на измерении комплексного сопротивления катушки, переменное магнитное поле которой взаимодействует с контролируемым металлом. Вносимое контролируемым объектом комплексное сопротивление зависит, в том числе, от электропроводности и магнитной проницаемости поверхностного слоя, пронизываемого магнитным полем катушки. С увеличением магнитной проницаемости материала растет индуктивность катушки, а с увеличением электропроводности материала индуктивность уменьшается за счет размагничивающего действия вихревых токов. Часть энергии электромагнитного поля катушки расходуется на нагрев металла вихревыми токами, вызывая сдвиг фаз тока и напряжения катушки. Связь физико-механических и электромагнитных свойств тонких поверхностных слоев металлов, применяемых для изготовления подшипников, достаточна для выявления любых значимых для подшипников изменений состояния поверхностного слоя при использовании современных измерительных и вычислительных технических средств.
Вихретоковый метод контроля чувствителен к предприжоговому состоянию металла и в принципе поддается автоматизации. В известных приборах предусмотрены аппаратная амплитудно-частотная селекция сигналов вихретоковых преобразователей (ВТП) и ручная настройка режимов контроля, которую необходимо осуществлять при смене типа контролируемой детали. Многообразие факторов, изменяющих сигнал ВТП, исключает детерминированную связь частоты и амплитуды сигналов ВТП с состоянием поверхностного слоя деталей, вследствие чего для этих приборов характерен высокий процент принятия ошибочных решений, когда годные детали бракуются и наоборот.
Рассмотрим с точки зрения автоматизации основных функций вихретоковые приборы, применяемые в подшипниковой промышленности.
Приборы ПКО-3М применяются в ОАО «Саратовский подшипниковый завод» с 1975 г. для контроля дорожек качения авиационных подшипников, изготавливаемых из высоколегированных сталей, склонных к образованию шлифовальных прижогов. Недостатки приборов - низкая производительность и сложность наладки вследствие ручной настройки вихретокового преобразователя и сканирующего устройства.
Автоматы ДТ-407 (ОАО «ВНИПП», г. Москва) широко применяются в подшипниковой промышленности для контроля отсутствия трещин на цилиндрической поверхности роликов. Недостаток автоматов - низкая помехоустойчивость, ограничивающая чувствительность к мелким дефектам.
Приборы АПС-76 (НПО «НИИПодшипник», г. Минск) успешно применяются для контроля поверхностей шаров в составе автоматов «АУ1КО», позволяют выявлять раковины, трещины и прижоги.
Приборы АПС-79 (НПО «НИИПодшипник», г. Минск) применяются на Вологодском подшипниковом заводе для контроля дорожек качения на отсутствие прижогов. Использование приборов позволило полностью исключить травление колец общего потока. Недостаток приборов в том, что в них предусмотрена ручная настройка чувствительности и границ сортировки, которую необходимо осуществлять по эталонам при смене типа контролируемой детали. На практике в каждом цехе необходимо иметь 10-20 приборов и большое число сканирующих устройств с различными наладками. Учитывая, что цена одного трехканального прибора АПС-79 составляет $3000, а одного сканирующего устройства - 20-30 тысяч рублей, можно говорить об экономической нецелесообразности оснащения производства такими приборами.
Повышение эффективности вихретокового контроля достигается совершенствованием способов обработки сигналов на основе спектрального анализа и интерпретации результатов измерений, осуществляемых с помощью вычислительной техники. Пример такого подхода -автомат ДТ-415К (ОАО «ВНИПП», г. Москва) для контроля роликов на трещины и прижоги. В состав автомата входят механическое устройство сканирования, вихретоковый преобразователь, компьютер, а также крейтовая система, содержащая настраиваемые фильтры и поро-
говые устройства. Компьютер служит для вычисления и визуализации спектров сигналов от деталей с различными дефектами, а также для настройки фильтров и пороговых устройств. В ОАО «ВНИПП» совместно со специалистами ОАО «СПЗ» и СГТУ проведены испытания автомата. Выявлено, что спектры годных деталей, деталей с трещинами и деталей с прижогами существенно различаются. Однако нерациональная обработка сигналов вихретокового преобразователя приводит к тому, что сигналы от коротких единичных дефектов «размазываются» по спектру и становятся неотличимыми от помех. Кроме того, после завершения настройки автомата роль компьютера сводится к запоминающему устройству, в котором хранятся параметры настройки фильтров и пороговых устройств.
Реальным и эффективным средством повышения достоверности и производительности контроля является применение автоматизированных методов вихретокового контроля, реализующих статистическое распознавание дефектов поверхностного слоя средствами вычислительной техники [3,10]. Применение компьютера в системах контроля позволяет решить несколько взаимосвязанных задач: автоматизация управления процессом контроля различных деталей, эффективное распознавание дефектов и изменений физико-механических свойств контролируемой поверхности, адаптация к изменению свойств материала объекта контроля, накопление статистической информации о контролируемых деталях, корректировка программно-математического обеспечения (ПМО) и т.д. В результате появляется возможность по характеру исследуемого сигнала и его координатной привязке распознавать не только вид дефекта, но и его местоположение и размеры, набирать параллельно с работой в режиме контроля статистику измерений, документировать полученные результаты контроля деталей, давать графическую информацию о результатах контроля, программным путем обеспечивать практически любое усложнение алгоритма работы системы контроля, например, с целью выявления причин возникновения дефектов для выработки корректирующих воздействий на технологический процесс.
ОАО «Саратовский подшипниковый завод» на протяжении многих лет является крупнейшим в России производителем приборов активного контроля для шлифовальных станков. В настоящее время на заводе совместно с Саратовским государственным техническим университетом и НПЦ «СТОМА» (ФГУП «Алмаз», г. Саратов) разработана и изготовлена автоматизированная система вихретокового контроля (АСВК), предназначенная для выборочного контроля шлифованных поверхностей деталей подшипников различных типов (рис. 1). Конструкция АСВК учитывает объективно существующую в подшипниковой промышленности необходимость контроля одним прибором возможно большего количества типов деталей, технологического оборудования и технологических операций. При этом сложность и высокая стоимость прибора оправданы эффективностью его применения за счет высоких уровней и рационального соотношения информативности, универсальности и производительности контроля [3, 11]. Контроль работы нескольких десятков шлифовальных станков одним прибором обусловливает специальные требования к его структуре и ПМО. В состав АСВК входят персональный компьютер, блок контроля, включающий узел крепления контролируемой детали, универсальное сканирующее устройство с трехкоординатным шаговым приводом и ВТП, блок управления, содержащий источники питания шаговых двигателей, устройство сопряжения шагового привода и ВТП с компьютером. Все функции прибора осуществляются под управлением компьютера. Компьютер рассчитывает траекторию и управляет перемещением датчика по контролируемой поверхности, автоматически настраивает режимы работы вихретокового преобразователя, записывает сигналы преобразователя, а затем осуществляет математическую, в том числе статистическую, обработку результатов измерений и их визуализацию. Схема автоподстройки режима работы преобразователя содержит два контура регулирования, в один из которых входит компьютер. Запись регулирующего воздействия позволяет восстанавливать программным путем сигналы, длительность которых превышает
время регулирования. Это расширяет возможности компьютерной обработки сигналов ВТП с целью распознавания образов дефектов.
Рис. 1. Общий вид автоматизированной системы вихретокового контроля
Разработанный прибор отличается высокой чувствительностью и помехоустойчивостью при выявлении различных дефектов за счет сравнения образа контролируемой детали по информативным признакам с образами эталонных деталей: бездефектных и имеющих известные дефекты (рис. 2). Для этого выбраны информативные признаки, сформированы правила определения областей бездефектного состояния, правила идентификации вида дефекта. На экране монитора формируются развертка сигнала ВТП и два изображения контролируемой детали: контрольное и исследовательское. Первое указывает места расположения, размеры и характер дефектов, превышающих установленные уровни, второе содержит данные, необходимые для выявления происхождения неоднородностей с целью предотвращения изготовления деталей с недопустимой неоднородностью поверхностного слоя детали.
Параметры первого изображения содержатся в программе сканирования, параметры второго изображения могут изменяться оператором. Примеры типичных дефектов, возникающих при шлифовании колец подшипников и выявляемых прибором с ВТП, представлены на рис. 3 и 4. Время контроля одной детали зависит от размеров колец и составляет 10.. .40 с. Объем выборок составляет 2.4 детали. Переналадка прибора с одного кольца на другое заключается в выборе соответствующей программы.
Управление качеством шлифовальной обработки деталей подшипников по результатам автоматизированной вихретоковой дефектоскопии осуществляется путем настройки режимов шлифования, обеспечивающих высокую производительность и одновременно необходимую однородность поверхностного слоя, с последующим контролем технического состояния шлифовального оборудования по динамическим характеристикам и технологического процесса на основе статистической информации о состоянии поверхностного слоя деталей, обработанных на каждом станке [11]. Вихретоковый контроль позволяет с помощью прибора активного контроля, встроенного в станок, распределить режимы шлифования по припуску с учетом действительной глубины структурных изменений поверхностного слоя металла так, чтобы дефектный слой был полностью удален к концу обработки при минимальном времени обработки.
динамического состояния станка,
замене инструмента
или изменении режима обработки
Рис. 2. Схема обработки данных и формирования информационного канала о качестве поверхностного слоя деталей
Total passes-84 Current pass— 42 . □□ Current angle— 0.00 Contrast- -1.50 Brightness— 1 Sharpness— 0.930 D iuide 7.OO Linit zone— О Kquad- 1.ООО Ready. Graph: .
File :С:\11ROL\3 2 T |
Рис. 3. Вихретоковый образ неоднородной поверхности
Total passes—84 Bright ness— 1
Sharpness- 0.930
Current pass- 42.00 Diuide- 7.00 Ready.
Current angle- 0.00 Linit zone— О
Contrast- -1.50 Kquad- 1.ООО G raph: Original.
File :С:411ROLX32Z
Рис. 4. Пример выявления трещины экспериментальным сканирующим вихретоковым преобразователем
В процессе подготовки и проведения сертификации АСВК как средства неразрушающего контроля разработана методика метрологической поверки, изготовлены и аттестованы используемые для калибровки прибора стандартные образцы с искусственными дефектами, сформированными лазерным излучением, определены размеры выявляемых неоднородностей. Сопоставительный анализ значений параметров точности (отклонения размеров, гранности, волнистости) контролируемых поверхностей и результатов вихретокового контроля показывает, что существует корреляционная связь отклонений геометрической точности шлифованной поверхности и неоднородности электромагнитных параметров поверхностного слоя. Эта связь имеет значение в связи с тем, что автоматизированный вихретоковый контроль способен предупреждать об отклонениях технологического процесса, ведущих к потере геометрической точности деталей, и требует значительно меньших затрат на осуществление контроля одной детали по сравнению с другими измерительными средствами.
Приборы работают в цехе прецизионных подшипников ОАО «СПЗ» с февраля 2000 г. На первом этапе применения приборов достигнуто повышение качества обработки дорожек качения колец шариковых подшипников за счет выявления, наладки и ремонта оборудования, дающего относительно большую неоднородность шлифованных поверхностей. Проведенные испытания АСВК показали, что при соответствующей доработке ПМО практически реализуется автоматизированная идентификация различных дефектов при сравнении характеристик эталонных деталей и деталей с дефектами.
Автоматизированную систему контроля качества поверхностного слоя шлифованных деталей, базирующуюся на вихретоковом методе, целесообразно использовать в качестве информационно-измерительного канала системы мониторинга технологического процесса в комплексе с информационно-измерительным каналом динамического состояния станков (рис. 5) [11]. В системе мониторинга формируется база данных о качестве обработки деталей подшипников и динамическом состоянии шлифовальных станков.
Рис. 5. Применение АСВК в качестве одного из информационных каналов системы мониторинга процесса шлифования колец
Применение вихретокового анализа физико-механических свойств поверхностных слоев при мониторинге процессов шлифовальной обработки открывает новые возможности для совершенствования производства подшипников. Мониторинг технологического процесса, включающий оценку однородности физико-механических свойств поверхностей качения деталей подшипников, направлен на решение расширенного комплекса задач по обеспечению качества продукции и выполняет функцию своеобразной цепи обратной связи в системе управления качеством продукции. Эффективность мониторинга в значительной степени определяется степенью автоматизации получения и обработки информации от датчиков состояния станка, процесса обработки и деталей, то есть от мощности вычислительной техники и программного обеспечения. Особенности мониторинга технологического процесса проявляются в запаздывании формирования информации о состоянии его элементов и принятии решения о корректирующем воздействии, однако, автоматизация измерения определяющих параметров позволяет без существенной потери достоверности результатов измерения обеспечивать эффективное управление и заданное качество деталей подшипников.
В настоящее время приборный контроль однородности поверхностного слоя создает условия для оперативного управления технологическим процессом и позволяет гарантировать качество шлифовальной обработки колец подшипников, обеспечиваемое стабильностью технологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кулаков Ю.М. Предотвращение дефектов при шлифовании / Ю.М. Кулаков,
В.А. Хрульков, И.В. Дунин-Барковский. М.: Машиностроение, 1975. 144 с.
2. Михелькевич В.Н. Автоматическое управление шлифованием / В.Н. Михелькевич. М.: Машиностроение, 1975. 304 с.
3. Игнатьев А.А. Автоматизированная вихретоковая дефектоскопия деталей подшипников / А. А. Игнатьев, В.В. Горбунов, А.М. Чистяков // СТИН. 2002. № 4. С.17-19.
4. Соболев В.С. Накладные и экранные датчики (для контроля методом вихревых токов) / В.С. Соболев, Ю.М. Шкарлет. Новосибирск: Наука, 1967. 144 с.
5. Дорофеев А.Л. Электромагнитная дефектоскопия / А.Л. Дорофеев, Ю.Г. Казаманов. М.: Машиностроение, 1980. 280 с.
6. Ярошек А.Д. Токовихревой контроль качества деталей машин / А.Д. Ярошек, Г.С. Быструшкин, Б.М. Павлов. Киев: Наукова думка, 1976. 124 с.
7. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: справочник: в 2 кн. Кн. 2 / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.
8. Мужицкий В.Ф. Новые магнитные вихретоковые средства неразрушающего контроля и технической диагностики / В.Ф. Мужицкий // Контроль. Диагностика. 1999. № 5. С.5-9.
9. Яшан А. Современный многочастотный вихретоковый прибор и его применение для обнаружения дефектов в аустенитных сварных соединениях и определения твердости сталей / А. Яшан, Р. Беккер, М. Диске // Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования: сб. тр. Междунар. конф. / Харьков. гос. техн. ун-т радиоэлектроники. Харьков, 1998. С. 370-383.
10. Горбунов В.В. Статистическое распознавание неоднородностей шлифованной поверхности при вихретоковом методе контроля / В.В. Горбунов, А. А. Игнатьев, О.В. Волынская // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2002. С. 43-46.
11. Мониторинг станков и процессов шлифования в подшипниковом производстве / А. А. Игнатьев, М.В. Виноградов, В.В. Горбунов и др. Саратов: СГТУ, 2004. 124 с.
Игнатьев Александр Анатольевич -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
Горбунов Владимир Владимирович -
кандидат технических наук, главный менеджер наукоемких проектов отдела главного технолога ОАО «Саратовский подшипниковый завод»
Зайцев Сергей Иванович -
заместитель директора по науке НПЦ «СТОМА» ФГУП «Алмаз» (г. Саратов)
Игнатьев Станислав Александрович -
кандидат технических наук,
ассистент кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета
