CC BY
39
УДК 621.98.042
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ПОКРЫТИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДРОБЬЮ
© А.Ю. Дияк1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены основные методы определения степени покрытия при обработке дробью. Степень покрытия, являющаяся одним из важных параметров процесса упрочнения, может определяться несколькими путями. Мировой опыт в этой области включает в себя как аналитические, так и эмпирические методы, часто дающие лишь качественный результат. Использование современного метрологического оборудования для контроля шероховатости в исследовании процессов дробеобработки делает возможным получение более полной информации о процессах упрочнения. Ил. 7. Библиогр. 10 назв.
Ключевые слова: упрочнение; обработка дробью; степень покрытия; отпечатки; исследование поверхности.
PROMISING METHODS TO DETERMINE SURFACE COVERAGE UNDER SHOT PEENING A.Yu. Diyak
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article deals with the main methods of determining surface coverage degree under shot peening. The coverage degree as one of the important parameters of hardening can be determined in several ways. World experience in this area involves both analytical and empirical methods that often provide only qualitative results. The use of modern metrological equipment to control surface roughness when studying shot peening processes enables to obtain more complete information on hardening processes. 7 figures. 10 sources.
Key words: hardening; shot peening; surface coverage degree; indents; surface analysis.
Упрочнение поверхностным пластическим деформированием является эффективным средством улучшения ресурса изделий авиационной техники. Основным методом поверхностного упрочнения в ведущих авиастроительных державах является дробеударная обработка.
Отечественные авиапредприятия в последние годы столкнулись с необходимость сертифицировать выполняемые технологические процессы по стандартам, применяемым в мировой практике самолетостроения. Для успешной реализации плана выхода на мировой рынок авиационной техники необходимо решить ряд задач, имеющих комплексный характер.
Международные стандарты ^АЕ), действующие в области упрочнения дробью, предписывают контролировать сплошность обработки - однородное или полное покрытие обрабатываемой поверхности отпечатками дроби. Важным параметром, характеризующим сплошность покрытия и качество упрочнения деталей ударными методами, является степень покрытия [1].
Степень покрытия (Б, %) - величина сплошности покрытия обработанной поверхности отпечатками дроби, выраженная следующим отношением [2]:
5 = ■ 100%, ь
где Fo - площадь, покрытая отпечатками дроби на обработанном участке, F - площадь обработанного
участка.
Поверхность с малой степенью покрытия показана на рис. 1. Для обеспечения качественного упрочнения важно выяснить не столько степень покрытия после каждого прохода, сколько потребное время обработки, когда степень покрытия достигает уровня 100%, который считается достаточным и условно эквивалентным полному покрытию. Следует отметить, что исследование процесса дробеобработки невозможно выполнять, опираясь лишь на качественно-ориентированный подход определения степени покрытия.
Качественное и количественное определение степени покрытия осуществляют различными методами. Среди них есть как использующие вычислительную и оптоэлектронную технику, так и более простые методы.
Экспресс-методы отличает простота и наглядность результата. В БАЕ 2277 регламентирован экспресс-метод с использованием люминесцентных красок [3]. Перед обработкой поверхность образца покрывается люминесцентной краской йУЕБСАЫ 220-2 или йУЕБСАЫ 220-6. При этом обеспечивается сплошность и целостность лакокрасочного покрытия. Последующая обработка дробью нарушает покрытие, высохшая краска под ударами дробинок осыпается, а на участках, не подвергшихся внедрению инденторов, она остается нетронутой. В свете ультрафиолетовой
1Дияк Алексей Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 8246048656, e-mail: winday@irkut.ru
Diyak Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 8246048656, e-mail: winday@irkut.ru
лампы по светящимся областям лакокрасочного покрытия можно визуально оценить, достигнуто ли 100%-ное покрытие. Такая методика требует итерационного определения времени для получения 100%-го покрытия, предоставляя в процессе обработки возможность лишь выявить, достигнуто ли полное покрытие.
Экспресс-методы аппаратного автоматизированного определения степени покрытия. Производителями дробеобрабатывающего оборудования созданы специальные приборы для определения степени покрытия. Один из них - прибор Coverage Checker, созданный корпорацией ToyoSeiko co. ltd. (рис. 2) [4; 5], позволяет определить степень покрытия на любых поверхностях, как на наружных, так и внутренних по-
верхностях (рис. 3, 4). Видеомодуль устройства снимает поверхность и сопоставляет полученное изображение с базой данных тестовых изображений. Для надежной работы прибора необходимо произвести его «обучение» на эталонных поверхностях. Для того чтобы база была как можно полнее, необходимо изготовить образцы с известной степенью покрытия, и они должны быть изготовлены из тех же материалов, что и обрабатываемые детали. Образцы должны быть обработаны соответствующими фракциями дроби и с заранее известными режимами. Такой подход требует достаточно тщательной предварительной работы и применим лишь в условиях крупносерийного и массового производства в качестве средства контроля всех упрочняемых деталей.
а) б)
Рис. 1. Поверхность после обработки дробью диаметром 3 мм: а - позитивное изображение;
б - инвертированное изображение [6]
Рис. 2 Использование прибора Coverage Checker на тестовых пластинах «Алмена»
Рис. 3 Изображение, передаваемое прибором на компьютер
а) б) в)
Рис. 4. Фотографическое изображение обработанной поверхности и ее анализ: а - исходное изображение поверхности; б - результат обработки оптимизацией изображения; в - результат обработки изображения
при его распознавании по специальным алгоритмам
Сканирование обработанной поверхности оптическими методами. Получение фотографического изображения поверхности выполняют с помощью цифровой камеры, которую устанавливают на оптический микроскоп. Чтобы изображение было максимально детализированным, фотосъемку предпочтительнее производить, используя современные микроскопы, у которых есть возможность передачи информации на ПК. Результаты сканирования анализируют и обрабатывают, чтобы уменьшить количество полутонов изображения и убрать второстепенные детали (рис. 5). Изображение подвергают программной обработке и в результате получают контрастное изображение, используя которое определяют количество отпечатков, диаметры и степень покрытия [6]. Применяемые алгоритмы дают приемлемую точность, но требуют значительных мощностей и распределенных вычислений.
Метод визуального распознавания позволяет без специальных приборов при помощи стандартной вычислительной техники и программного обеспечения определить степень покрытия. Исходное изображение (рис. 5,а) получают с помощью сканера или фотокамеры и для упрощения переводят из цветного в черно-белое. В любом графическом редакторе изображение обработанной поверхности подвергается редактированию. Отпечатки, различимые визуально, закрашиваются окружностями черного цвета. После того, как все отпечатки закрашены, оставшаяся часть поверхности, нетронутая дробью, закрашивается белым цветом. В результате получается высококонтрастное изображение (рис. 5,б), которое практически не имеет полутонов. Вся информация содержится в черных об-
ластях. Анализ изображения позволяет представить соотношение белого и черного тонов в виде гистограммы (рис. 5,в). При этом количественное соотношение черного и белого, заложенное в гистограмме, позволяет однозначно определить степень покрытия. Рассчитанное значение совпадает с результатами, полученными при автоматизированной программной обработке. Время, затрачиваемое на расчеты степени покрытия таким методом, когда количество отпечатков, покрывающих поверхность детали, незначительно, весьма невелико. При упрочняющей дробеобра-ботке с характерным для нее микрорельефом поверхности и множественными ударами визуальный метод трудноприменим, так как диаметры отпечатков малы и наблюдается их значительное перекрытие. Неоспоримым преимуществом метода визуального распознавания является отсутствие необходимости вычисления площадей отпечатков и точных размеров контрольной площадки.
Профилографический метод. Представляется возможным измерить степень покрытия с помощью профилометров. Такие приборы позволяют оценить шероховатость обработанной поверхности и получить семейство кривых, образующих сетку на обработанной поверхности. Авторы метода [7] предлагают анализировать полученные профилограммы (рис. 6), выявляя точки экстремума, и при наличии близкорасположенных областей с точками экстремума на соседних кривых определять таким образом границы отпечатков. Подход требует сложных алгоритмических решений и значительных вычислительных ресурсов.
в)
Рис. 5 Фотографическое изображение обработанной поверхности и ее анализ: а - исходное изображение поверхности; б - результат обработки изображения в ручном режиме; в - гистограмма обработанного
изображения
ю
-ю
-го
-зо
40
-50
м
Г~\ ------ п —— Л 1 Л
1 / \/
у Ы V / У / У
V
1000
2000
3000 мт
4000
5000
Рис. 6. Профилограмма поверхности после дробеобработки
Иное использование профилометров предполагает регрессионный анализ на основе параметров шероховатости обработанной поверхности [8]. Полученные математические модели позволяют рассчитать степень покрытия. Недостатком такого подхода является косвенный характер выявленной закономерности и частный характер решения.
Кривые, построенные профилометром, можно обработать в CAD-системе и по ним создать поверхностную модель обработанной поверхности [9; 10]. Такое решение требует большого количества профи-лограмм, причем шаг измерений напрямую влияет на точность исследования и определения степени покры-
тия. Обработка этих кривых (например, в Unigraphics) с привлечением стандартного математического и программного аппарата этой системы может привести к неточным результатам. Математические методы, заложенные в подобных программах, не предусматривают создание поверхностей с микрорельефом, имеющим непериодический характер.
Появление трехмерных дифракционных профилометров существенно упрощает задачу. Такой прибор позволяет получать трехмерную карту поверхности детали, которую можно анализировать и обрабатывать в любой системе автоматизированного проектирования (рис. 7).
Рис. 7. Трехмерная профилограмма обработанной поверхности
Несмотря на существующее разнообразие методов по определению степени покрытия при дробеоб-работке, их применение в условиях производства затруднено. Для того чтобы обеспечить высокую точность результатов, требуется как сложное оборудование для исследования поверхности, так и значительные вычислительные мощности, необходимые для реализации вычислительных алгоритмов. Оценка применимости того или иного метода в конкретных условиях должна проводиться по критериям точности и скорости выполнения расчета. С этой точки зрения наибольший интерес представляет метод трехмерной профилометрии, который создает цифровую копию обработанной поверхности с нанометрической точностью. Такой цифровой слепок поверхности позволяет
проводить исследования для определения не только степени покрытия, но и других характеристик дробео-бработки.
Исследование проводится при финансовой поддержке правительства Российской Федерации (Ми-нобрнауки России) по комплексному проекту 2012218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университета» согласно Постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218.
Статья поступила 27.05.2014 г.
Библиографический список
1. Standart SAE International AMS 2430. Shot peening, automatic [Электронный ресурс]. URL: http://standards.sae.org/ams2430
2. Пашков А.Е. Формообразование длинномерных панелей самолетов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 1998. № 3. С. 110-116.
3. Standart SAE International 2277. Shot peening coverage determination automatic [Электронный ресурс]. URL: http://standards.sae.org/j2277_201304
4. Toyo Seiko's new coverage checker is successful in field // The Shot Peener magazine. 2011. V. 25. I. 1. [Электронный ресурс]. URL: http://www.shotpeener.com/library/detail.php?anc=2011105
5. K. Hattori. Coverage measurement innovation from determination to numerical analysis // The Shot Peener magazine. 2012 V. 26. I. 3. [Электронный ресурс]. URL: www.theshotpeenermagazine.com
6. Application of computer vision methods to estimate the coverage of peen formed plates / L.C. Vieira, R.H.Z. de Almeida, F.P.R. Martins, A.T. Fleury // Journal of achievements in materi-
als and manufacturing engineering. 2010. V. 43. I. 2.
7. US Patent 5235517. Measurement of the shot peening coverage by automated analysis of peened surface line traces / R.A. Thompson, М.А. Tascillo [Электронный ресурс]. URL: http://www.shotpeener.com/library/detail.php?anc=1993012&key word=patent
8. US Patent 5581483. Measurement of shot peening coverage by correlation analysis of surface line data / R.A. Thompson, М.А. Tascillo, V.A. Skormin [Электронный ресурс]. URL: http://www.everypatent.com/comp/pat5581483.html
9. Leising C. Shot peened surface characterization using 3D-мetrology // Products finishing. 2012, 1 March [Электронный ресурс]. URL: http://www.pfonline.com/articles/shot-peened-surface-characterization-using-3d-metrology
10. US Patent 6415044 B1. Non-destructive inspection method for an impact treated surface / R.S. Simpson, D.K. Cohen [Электронный ресурс]. URL: http://www.shotpeener.com/library/detail.php?anc=2002001&key word=non+destructive+inspection
