CC BY
57
УДК 621.833
К.В. Королев, асп. 8-953-419-96-98 (8-920-741-33-68), kkv120386@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПОДГОТОВКИ МЕР ТОЛЩИНЫ НЕМАГНИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ НАСТРОЙКИ ТОЛЩИНОМЕРОВ
Разработаны предложения по совершенствованию существующих конструкций толщиномеров указанной группы. Выполнена модернизация толщиномера с целью повышения точности измерений. Представлена методика оценки позиционирования датчика на криволинейных и труднодоступных поверхностях.
Ключевые слова: толщиномер, магнитный отрывной метод, покрытие, глубина профиля, симметричный профиль, несимметричный профиль, поверхность.
Актуальной проблемой современного машиностроения является проблема определения толщины покрытия в связи с тем, что в последние годы обострилась конкуренция производителей товаров. При этом значительно выросли требования к качеству покрытий.
В соответствии с данными, представленными Бабаджановым Л. С. [1], прямые и косвенные потери от коррозии в промышленно развитых странах составляют 4.. .10 % национального дохода. Причем около 62 % всех потерь приходится на использование разнообразных защитных покрытий, из которых около 37 % приходится на лаки и краски.
Для измерения толщины покрытий применяются как разрушающие, так и неразрушающие методы. Расчеты показывают, что снижение погрешности измерений толщины покрытий с 10 до 5 % позволит уменьшить количество неправильно принятых в процессе контроля деталей с 5 до 2,6 %, а неправильно забракованных деталей - с 7,8 до 3,4 %.
Толщина покрытия характеризует геометрический размер физического тела - покрытия, в связи с чем толщинометрия покрытий отнесена к области измерений геометрических величин. При этом ее величина оценивается с помощью специальных приборов - толщиномеров.
Основной целью метрологического обеспечения измерений толщины покрытий являются единство, точность и достоверность, при достижении которых можно ожидать [2]:
- повышение качества покрытий за счет эффективности управления процессом нанесения различных покрытий и автоматизации этого процесса;
- обеспечение взаимозаменяемости деталей и узлов, имеющих покрытия;
- повышение эффективности экспериментов и испытаний, связанных с испытанием новых видов покрытий;
- обеспечение достоверности полученных результатов испытаний.
В связи с тем, что толщиномеры определяют величину покрытий косвенными методами, необходимо для уменьшения влияния различных факторов проводить настройку и калибровку приборов по мерам толщины покрытий, обладающих характеристиками, идентичными объекту контроля.
Все толщиномеры покрытий, подлежащие государственному контролю и надзору, проходят поверку, кроме того, особое внимание уделяется настройке толщиномеров покрытий, которая не заменяет поверку. Настройка проводится по предельным значениям диапазонов измерений и не гарантирует стабильности градуировочной характеристики в остальных точках диапазона измерений. В связи с этим толщиномеры проходят периодическую поверку с целью установления соответствия их метрологических характеристик на всем диапазоне измерения нормативным характеристикам, при этом для поверки применяются соответствующие метрологические средства измерений, способные воспроизводить и передавать размер единицы длины [3].
Для толщиномеров покрытий, работающих с использованием отрывного метода, следует принимать во внимание в первую очередь, паспортные данные на конкретный прибор.
В частности, для толщиномера модели МТ-41НЦ-М предел допускаемой основной погрешности устанавливают из условия
Адоп £ (0.05 • х +1.0) мкм,
где х - измеряемое значение, мм.
Кроме того, при проведении измерений должны учитываться как свойства контролируемой поверхности, так и ее геометрия. В соответствии с паспортными данными на прибор достоверность результатов измерений может быть гарантирована в том случае, если шероховатость контролируемой поверхности не будет превышать величину К^40 мкм. Причем расстояние от центра преобразователя до края контролируемой поверхности должно быть не менее 13 мм для того, чтобы обеспечивать покрытие зоны контроля магнитными полями. К учитываемым дополнительным факторам при контроле следует отнести относительную влажность воздуха, которая не должна превышать 80 % при температуре окружающего воздуха от +5 до +50 °С и ограничения на контроль, вводимые геометрическими параметрами контролируемой поверхности, требуют, чтобы радиус кривизны должен быть не меньше 30 мм.
Для этого необходимо провести анализ влияния радиуса кривизны АО = ОС = ОД1 = Я контролируемой поверхности на результаты измерений, используя расчетную схему (рис. 1), с учетом габаритных размеров первичного преобразователя ОД = ^, ВВ2 = а и ограничения при позиционировании АВ = 1мин.
Отсутствие в паспортных данных на существующие толщиномеры подобного типа сведений о глубине профиля О\С = И контролируемой поверхности не позволяет точно учесть влияние геометрии этой поверхности на результаты контроля.
б в
Рис. 1. Определение предельных значений параметров контролируемой поверхности: а - схема установки преобразователя на контролируемой поверхности; б - расчетная схема зависимости глубины профиля от радиуса кривизны при симметричном профиле контролируемой поверхности; в - расчетная схема зависимости глубины профиля от радиуса кривизны при несимметричном профиле контролируемой
поверхности
Исходя из условия перпендикулярности [4] установки толщиномера к контролируемой поверхности, определим границы области возможности
установки прибора с заданными габаритными размерами для контроля поверхности с определенной кривизной радиусом Я и глубиной профиля И.
Для определения зависимости указанных параметров как толщиномера, так и тестируемой поверхности, проведем анализ двух случаев изменения профиля поверхности: симметричный и несимметричный.
При симметричном расположении краев профиля контролируемой поверхности воспользуемся схемой на рис. 1, б.
Из треугольника ААОД1 определим зависимость, увязывающую параметры контролируемой поверхности с габаритами толщиномера:
Н = Я -
2
Я2 - (АДУі Л = Я '1 - )),
(1)
где а = 90° +ф + Р; Я - радиус кривизны контролируемой поверхности; И - глубина профиля.
Пользуясь расчетной схемой, из треугольников ААОВ и ААОД1 определим углы ф и Ь:
ф = 2' агсБІи Ь = агссоБ
Л
1мин V 2Я ,
V
2Я
(2)
(3)
у
При этом угол а с учетом зависимостей (2) и (3) будет следующим:
Л (
а = 90 + 2' агсБІи
‘мин
2 Я
+ агссоБ
V
2Я
(4)
у
Тогда формула (1) с учетом зависимости (4) примет вид
( ( (1 Л ‘мин
Н = Я' 1 - сОБ агсБІп
V V Я 2
+ 45° + у ' агссоБ
ууу
а после преобразования будет выглядеть в виде следующей зависимости:
Н = Я'
42
8
І
4
мин
Я
I
мин
Я
Ь+Я
- Я
(5)
Для упрощения процедуры последующего анализа введем следующие коэффициенты:
Кі
I
й,
4 _ "““/я , К 2 ~ ~/я , КИ = ^я ' (6)
Тогда уравнение (5) с учетом зависимостей (6) примет вид
1
К
Н
я. (
V
8
4 - К2 - Кі| '02 + К2-,/2 - К2).
(7)
В соответствии с уравнением (7) построим график зависимости Ки = / (К1, К2). При этом в качестве исходных данных для расчета выбе-
2
1
рем следующие пределы изменения значений относительных коэффициентов: К1 = 0...2 и К 2 = 0...2.
Анализ приведенного на рис. 2 графика показал, что изменение величины относительного позиционирования прибора практически не влияет на изменение величины относительной глубины профиля контролируемой поверхности. При этом на графике четко прослеживаются три области изменения Ки .
Рис. 2. Область значений величины относительной глубины профиля контролируемой поверхности при симметричном
профиле
При изменении величины относительного коэффициента диаметральных габаритов толщиномера К2= 0,5 видно его выраженное влияние на относительную глубину профиля Ки , причем, если величина коэффициента К1 находится в интервале от 0 до 1,5, то увеличение К2 приводит к резкому уменьшению значения Ки и как результат к уменьшению глубины контролируемого профиля И.
Средняя область графика практически неизменна по величине относительной глубины профиля тестируемой поверхности (изменение Ки по краям зоны не превышает 5 % при изменении коэффициента К 2 в пределах 0...0,5). В данной части области графика изменение коэффициентов К1 и К 2 практически не оказывает влияния на результаты измерения.
Кроме того, анализ третьей зоны графика зависимости (7) показывает увеличение коэффициента относительной глубины профиля контролируемой поверхности при изменении значений коэффициентов К1 и К2 .
Причем нарастание коэффициента К^ будет происходить в пределах от 1 до 1,3. При этом коэффициент К1 будет изменяться в пределах от 1,5 до 2, а коэффициент К2 стремится к своему максимальному значению, равному 2.
Следовательно, можно контролировать сложные поверхности только с учетом влияющих величин: глубины профиля, радиуса кривизны поверхности, габаритных размеров толщиномера. При этом наибольшее влияние на результаты измерений оказывают габаритные диаметральные размеры толщиномера. Незначительное влияние оказывают условия позиционирования прибора.
Поэтому при определении возможностей контроля толщины покрытия с точки зрения размещения прибора следует определять в основном значением коэффициента К 2. При этом коэффициент К1 выполняет роль
вспомогательного коэффициента.
При несимметричном расположении краев профиля контролируемой поверхности воспользуемся схемой на рис. 1, в.
Из треугольника ДА'О’АЗ найдем зависимость, увязывающую параметры контролируемой поверхности с габаритами толщиномера:
И = Я - (і + біп(А
2
(8)
где Д = у + у.
Пользуясь расчетной схемой (см. рис. 1, в), из треугольников ДА'О'В' и ДА2О'В2 определим углы у и у:
у = аг^
г а/ Л /2
а - Я
V
у = 2 - агсБІи
У
Ґ1 Л
‘мин
2 Я
(9)
(10)
Следовательно, получаем угол Д с учетом зависимостей (9) и (10):
А = arctg
ґ а/ ' /2
а - Я
V У
+ 2 - агсБІи
1мин
V 2Я У
(11)
Тогда формула (8) с учетом зависимости (11) примет вид
И = Я-
1 + БІИ
аг^
г а/ ' /2 а - Я
V У
+ 2 - агсБІи
I
мин
2 Я
УУ
а после преобразования - вид следующей зависимости:
И = Я-
1 -
4 -
\2
‘мин
Я
‘мин
Я
'2+Я - 2 - Я
(12)
Для упрощения процедуры последующего анализа введем следующие коэффициенты:
КЛ
I
мин/
й,
Я
К3
Я
Ки
(13)
Тогда уравнение (12) с учетом зависимостей (13) примет вид
Ки = 1 -(1 - Кз) - Ы 4 - К2 - К! )- ^ 2 + К 2 -,/ 2 - К 2). (14)
В соответствии с уравнением (14) построим графики зависимости Ки = / (Кь К 2, Кз). При этом в качестве исходных данных для расчета выберем следующие предельные значения относительных коэффициентов: К2 = 0...2 и К3 = 0...1.
Все расчеты будем производить для двух уровней значения величины относительного коэффициента К1: К1макс = 0,433 и К1мин = 0,13.
Анализ графиков на рис. 3 показал, что характер изменения функции КИ = /(КЬК2,К3) один и тот же. На изменение величины относительной глубины профиля измеряемой поверхности наименьшее влияние оказывает изменение коэффициента К1 . При этом на графиках также четко
прослеживаются три области изменения коэффициента Ки .
При К1макс = 0,433 (рис. 3, а) просматривается ярко выраженное влияние на относительную глубину профиля К^ величины относительного коэффициента линейных габаритов толщиномера при К3 - 0,2. Причем, если величина коэффициента К2 находится в интервале от 0 до 1, то увеличение К3 приводит к резкому уменьшению значения коэффициента Ки ,
т. е. уменьшению возможностей по контролю слоистой поверхности.
Средняя область графика практически неизменна по величине относительной глубины профиля (изменение Ки по краям зоны не превышает 9 %). В данной части графика изменение коэффициентов К3 и К 2 практически не оказывает влияния на результаты измерения.
Анализ третьей зоны графика зависимости (14) показывает увеличение коэффициента относительной глубины профиля поверхности при изменении значений коэффициентов К3 и К 2. При этом нарастание величины относительной глубины профиля Ки будет происходить в пределах от 1 до 2.
При рассмотрении Ки = / (К 2, К3) при К1мин = 0,13 (рис. 3, б) наблюдаются более резкие изменения трех областей. При этом отмечено
уменьшение средней зоны до пределов от 0 до 0,1 (при изменении граничных значений Кь по краям рассматриваемой области не более чем на 9 %).
Рис. 3. Область значений величины относительной глубины
профиля контролируемой поверхности при несимметричный профиле: а - при максимальном значении коэффициента и б - при минимальном значении коэффициента
Кроме того, наблюдается некоторый сдвиг этой области в сторону меньших значений. Очевидно, что наибольшее влияние на результаты измерений оказывают габаритные линейные размеры толщиномера, менее значительное влияние оказывают диаметральные размеры прибора. Практически никакого влияния на относительную глубину профиля поверхности не оказывают условия позиционирования толщиномера.
Сравнение зависимостей (7) и (14) показало их идентичность по структуре. При этом формула (7) является частным случаем зависимости
(14).
Список литературы
1. Измерения. Контроль. Качество. Неразрушающий контроль / Л.С. Бабаджанов [и др.]. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. 208 с.
2. Бабаджанов Л.С. Метрологическое обеспечение измерения толщины покрытий // Серия «Образцовые высокоточные средства измерений». М.: ВНИИКИ, 1990, № 47. С. 15-17.
3. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов (Теоретические основы и их практические применения) - М.: Машгиз, 1962. 855 с.
4. Сафронов Г.И. Магнитные и электромагнитные толщиномеры покрытий и их поверка // Измерительная техника, 1978, № 2. С. 23-27.
K. Korolev
Features of process of preparation of measures of the thickness of not magnetic coverings for adjustment devices for measurement of a thickness
The analysis of existing designs devices for measurement of a thickness the specified group, has allowed to develop offers on perfection of their design. Modernisation the device for measurement of a thickness for the purpose of increase of accuracy of measurements is executed. The technique of an estimation of positioning of the gauge on curvilinear and reote surfaces is developed.
Key words: the device for measurement of a thickness, magnetic of separation a method, a covering, depth of the profile, a symmetric profile, an asymmetrical profile, a surface.
Получено 28.12.10 г.
