CC BY
12
УДК 669.01 DOI: 10.309777BUL.2219-5548.2020.88.L23
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ
ДЕТАЛЕЙ
111 2 Глушкова Д.Б. , Воронков А.И. , Демченко С.В. , Викторова Е.В. ,
"Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет,
НПП «Укринтех»
Аннотация. При повышении долговечности и надежности изделий большую роль играет контроль свойств деталей, неразрушающий экспресс-контроль - определение твердости. Оборудование для измерения твердости очень разнообразно, оно постоянно модифицируется и совершенствуется. Используют габаритные, портативные, стационарные и переносные твердомеры. Для повышения точности измерений необходимо соблюдать рад требований к контролируемым изделиям и твердомерам (калибровка, поверка твердомера и мер твердости). В работе исследованы возможности различных методов измерения твердости и твердомеров, проведены сравнительные испытания образцов и мер твердости, изготовленных из различных материалов, при тестировании различными инденторами. Проведен химический и металлографический анализ материалов мер и исследованных образцов. Даны рекомендации по повышению точности измерений твердости деталей, предусматривающие определенный алгоритм проведения испытаний и использование статистических данных для каждого материала. Ключевые слова: твердость, твердомер, меры твердости.
Введение
Постоянная необходимость совершенствования технологических процессов в машиностроении включает два направления. Первое -это разработка новых материалов, сочетающих в себе различные свойства, например, высокий коэффициент трения с низкой интенсивностью изнашивания, высокую прочность с достаточной пластичностью. Для систем, работающих в экстремальных условиях, необходимы материалы с особыми свойствами - коррозионно-, износо-, радиационно-устойчивые.
Второе направление - это современные технологии обработки, с помощью которых можно обеспечить в деталях требуемое сочетание необходимых свойств.
Анализ публикаций
В комплексе проблем повышения надежности и долговечности машин особое место занимает вопрос своевременного и постоянного контроля свойств. Определение твердости позволяет проведение 100 % контроля деталей шахтного оборудования. Испытания не являются разрушающими, замеры можно производить непосредственно на изделии.
Полученные результаты и обсуждение
Постоянно разрабатывается и совершенствуется достаточно широкий спектр оборудования для измерения твердости. Возможно измерить твердость крупногабаритных дета-
лей на специализированных твердомерах с большим рабочим пространством, которые проектируют и изготавливают специально для таких задач (рис. 1).
Рис. 1. Специализированный твердомер
В тех случаях, когда выпуск крупных деталей мелкосерийный, вариант с крупногабаритными твердомерами не оправдан экономически — срок его окупаемости становится неразумно большим. Причина этого в высокой стоимости приобретения прибора и отсутствии массовой загрузки измерительных операций.
Для ряда экспресс-измерений твердости используют портативные твердомеры. Они выпускаются двух видов в зависимости от применяемого преобразователя: ультразвуковые (иС1 метод) и динамические (метод Лейба) (рис. 2). Для определения значений твердости методом иС1 диагонали отпечатка не определяют оптически, как это принято в классических способах. Твердость определяют косвенным методом, посредством фиксирования изменения ультразвуковой частоты и расчетом (рис. 2, а - фотография, в -схема). Аналогично определение значений твердости методом отскока (Лейба) проводят расчетом отношения скоростей бойка, нахо-
дящегося внутри датчика, до и после удара (рис. 2, б - фотография, г - схема). Таким образом, полученные значения твердости -это результат преобразования значений сигналов от датчика в величину твердости по заданному алгоритму.
Для получения корректных и достоверных результатов следует соблюдать следующие требования к контролируемому изделию:
- контроль массы изделия;
- контроль толщины изделия (на участке контроля);
- контроль шероховатости поверхности (на участке контроля).
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КАТУШКА
Рис. 2. Фотография и устройство датчиков портативного твердомера
Для получения значений твердости заданного уровня точности твердомер должен быть откалиброван по применяемой шкале на специальных мерах твердости. Меры твердости, на которых прибор калибруется, должны иметь свидетельства о поверке. Далее, после калибровки, следует получить аналогичное свидетельство о поверке уже на прибор. Таким образом, можно гарантировать точность, работоспособность и применимость прибора.
Когда все нюансы настройки прибора соблюдены, на стандартных мерах твердости (рис. 3) прибор показывает значения в требуемом интервале погрешности. Абсолютная погрешность измерения портативным твердомером изменяется в зависимости от диапазона измеряемой величины, и с увеличением значения твердости эта погрешность растет (для твердомера ШТ ТКМ - 359, например, от 90 до 150 НВ - ±10 НВ, от 150 до 300 НВ - ±15 НВ, от 300 до 450 НВ - ±20 НВ). При этом относительная погрешность с увеличением номинального значения твердости уменьшается (от 90 до 150 НВ она составляет
6,67-11,11 %; от 150 до 300 HB 5-10 %; от 300 до 450 HB соответственно 4,44-6,67 %).
Рис. 3. Стандартные меры твердости для калибровки
Был проведен эксперимент: изготовили меры твердости из материала, отличающегося от традиционного материала калибровочных мер. Для подтверждения должного качества и постоянной твердости изготовленных мер по всей поверхности их твердость была измерена на нескольких стационарных твердомерах по разным шкалам. Меры были измерены на стационарном комплексе «Ernst
в
г
Eagle 3000» (рис. 4). Твердость СМТП также была измерена на стационарном приборе «Qness Q10 A+» по шкале Виккерса. Измеренная твердость в трех точка была равна: 187 HV10; 187 HV10; 186 HV10. Можно сделать вывод, что мера имеет равномерную твердость по всей рабочей поверхности. На стационарном твердомере проводили определение твердости по различным шкалам при разной нагрузке (рис. 5).
Далее проводили измерение твердости на том же материале портативными твердомерами различных производителей (табл. 1). При многократном повторении измерений значения разницы твердости «известная-измеренная», полученные на одном приборе, меняются в зависимости от материала контроля (табл. 2). Как видно из данных табл. 3, все твердомеры показывают разные результаты в близком диапазоне значений.
мера твердости
отпечаток
комплекс
результаты
Рис. 4. Процесс измерения твердости на стационарном комплексе «Ernst Eagle 3000»
Рис. 5. Стандартная мера твердости предприятия (СМТП)
Таблица 1 - Значения твердости, полученные портативными твердомерами на СМТП ПОРТАТИВНЫЕ ТВЕРДОМЕРЫ, МЕРЫ 200НBW и 160 HBW
Таблица 2 - Значения твердости, полученные портативными твердомерами на различных материалах СМТП
Параметры Истинное Константа ТД ТЕМП-4 ТКМ-459С НВ
Сталь значение НВ НВ НВ
208 195 225 215
Сталь 34ХН1М № 1 330 317 365 310
363 342 380 350
160 174 150 170
Сталь 35 235 241 218 240
№ 2 330 325 317 342
439 430 425 410
Сталь 40 145 140 164 138
№ 3 351 345 357 347
Таблица 3 - Абсолютная и относительная погрешности измеренных значений твердости портативными твердомерами
Название твердомера Мера, HB Среднее измеренное значение, НВ Абсолютная погрешность, НВ Относительная погрешность, %
Proceq 160 143 17 10,63
Equastat 3 200 162 38 19,00
Proceq 160 135,8 24,2 15,13
Equotip 200 162 38 19,00
Emst 160 156 4 2,50
Computest 200 188 12 6,00
Emst 160 156 4 2,50
Dynotest 200 182 18 9,00
Emst 160 147 13 8,13
HandyEsatest 200 188 12 6,00
160 135 25 15,63
200 172 28 14,00
208 215 -7 3,37
34ХНМ 330 310 20 6,06
363 350 13 3,58
UIT ТКМ-459 160 170 -10 6,25
Сталь 35 235 240 -5 2,13
330 342 -12 3,64
439 410 29 6,61
Сталь 40 145 138 7 4,83
351 347 4 1,14
208 195 13 6,25
34ХНМ 330 317 13 3,94
363 342 21 5,79
160 174 -14 8,75
Константа ТД Сталь 35 235 241 -6 2,55
330 325 5 1,52
439 430 9 2,05
Сталь 40 145 140 5 3,45
351 345 6 1,71
208 225 -17 8,17
34ХНМ 330 365 -35 10,61
363 380 -17 4,68
160 150 10 6,25
Темп-4 Сталь 35 235 218 17 7,23
330 317 13 3,94
439 425 14 3,19
Сталь 40 145 164 -19 13,10
351 357 -6 1,71
Следует также отметить, что каждая мера была протестирована на стационарном твердомере при разной нагрузке, различными ин-денторами по стандартным шкалам.
Был сделан химический анализ материалов мер и металлографические исследования образцов. На каждую меру был изготовлен паспорт, включающий все необходимые данные.
Пример паспорта на меру твердости предприятия представлен на рис. 6.
Харьковский национальный автомобил ь но-до рожн ы и университет Кафедра технологии
металлов и материаловедения
СЮО-«НПП «Укринтех»
UK^ilNTECHa
паспорт
универсальной образцовой меры твёрдости из стали 45 химического состава; 0,43 % С. 0,75 % Мп. 0,25 % 5Гг Э и Р < 0,35 % Термическая обработка - нормализация. Микроструктура стали - феррит и перлит.
200 HBW 10/3000/10
88 4RBW
Шарив «10 мм 200 HBW 10 / 3000
При указанном поведении приборов в процессе их работы гарантировать достоверность полученных данных в пределе допустимых погрешностей невозможно. Тем не менее, можно минимизировать погрешность при измерении твердости и повысить точность измерения, выполняя следующие предписания:
- твердомер должен быть поверен и иметь свидетельство о поверке;
- поверенные стандартные меры твердости должны быть укомплектованы свидетельством о поверке и паспортом на них;
- поверенные СМТП, которые изготовленные из того же материала, что и контролируемая деталь, должны тоже иметь свидетельство и паспорт со значениями твердости (рис. 7);
- записанные в твердомер шкалы для различных контролируемых материалов по стандартным шкалам.
Тогда твердомер будет измерять твердость материала более корректно и с наименьшей допустимой погрешностью (табл. 4).
Рис. 6. Паспорт на СМТП
Таблица 4 - Показания динамического твердомера ШТ ТКМ-359М после проведения
калибровки на различных мерах
№ Мера Мера Мера СМТП
замера 375 HB 205 HB 106 HB 225 НВ
1 375 217 102 231
2 375 225 98 220
3 375 216 98 215
4 375 210 107 230
5 375 211 103 224
6 374 219 105 214
7 375 217 106 216
Среднее значение 375 217 103 222
Выводы
Если на предприятии нет возможности изготовить меры из контролируемого материала, можно рекомендовать такой алгоритм калибровки прибора и измерения: прибор необходимо проверить на аналогичном материале (со схожими габаритами изделия, значениями твердости в близких диапазонах и схожим химическим составом) с известной твердостью и выяснить, насколько он завышает или занижает эти значения твердости. Желательно набрать статистику измерений результатов и вывести среднюю погрешность прибора на данном материале. После этого уже с учетом такой погрешности проводить измерения.
Литература
1. Тушинский Л.И. Теория и технология затвердевания металлических сплавов / Л. И. Тушинский. - Новосибирск: Наука, 1990. - 306 с.
2. Проников А.С. Надежность машин / А.С. Про-
ников. - М .: Машиностроение, 1978. - 592 с.
3. Ро!к, Т.А., Глушкова, Д.Б., Тарабанова, В.П. Вплив хiмiчного складу на твердеть i зносо-стшшсть деталей // Вюник НТУ «КП1». - Хар-шв: НТУ «КП1», 2012. - №63. - С. 92-98.
References
1. Tushinsky L.I. Theory and technology of hardening of metal alloys. - Novosibirsk: Science, 1990. - 306 p.
2. Pronikov A.S. Reliability of machines. - Moskov:
Mashinostroenie, 1978. - 592 p.
3. Roik T.A., Glushkova D. B., Tarabanova V.P. The
influence of chemical composition on the hard-
ness and wear resistance of parts // Bulletin of NTU «KPI». - Kharkov: NTU «KPI», 2012. -№ 63. - Р. 92-98.
Глушкова Диана Борисовна - д.т.н., заведующий кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: 097-481-15-93, diana@khadi.kharkov.ua
Воронков Александр Иванович - д.т.н., проф. кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: +038-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Костина Людмила Леонидовна - к.т.н., доцент кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: 066-150-89-72, kostina4991@gmail.com Воронова Елизавета Михайловна - доцент кафедры иностранных языков, тел+038-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua
Демченко Сергей Владимирович - ассистент кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: 097-525-85-13, diana@khadi. kharkov. ua Викторова Елена Викторовна - инженер кафедры технологии металлов и материаловедения, тел.: 097-525-85-13, diana@khadi.kharkov.ua Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 25, ул. Ярослава Мудрого, г. Харьков, 61002, Украина.
Вдосконалення методiв експрес-контролю деталей
Анотаця У пгдвищеннг довговгчностг й надш-ност! виробгв велике значення мае контроль вла-стивостей деталей, неруйтвний експрес-контроль - визначення твердост1. Устаткування для вимгрювання твердост1 дуже р1зноман1тне, воно постшно модиф1куеться та вдосконалюеться. Використовують габаритт, портативт, стацгонарт та переносн твер-дом1ри. Для пгдвищення точностг вим1рювань необх1дно дотримуватися низки вимог до кон-трольованих виробгв i конструкцш. Твердом1ри (калгбрування, повiрка mвердомiра i заходiв твер-достi). У робоmi дослiдженi можливосmi ргзних меmодiв вимiрювання mвердосmi та mвердомiрiв, проведет порiвняльнi випробування зразюв i за-ходiв mвердосmi, виготовлених з ргзних ма-mерiалiв, у процесi тестування разними тден-торами. Проведено хiмiчний i меmалографiчний анализ маmерiалiв заходiв i до^джених зразтв. Наведено рекомендацИ щодо тдвищення точ-носmi вимiрювань mвердосmi деталей, що перед-бачають певний алгоритм проведення випробу-вань i використання статистичних даних для кожного маmерiалу.
Ключовi слова: твердють, mвердомiр, мiри mвердосmi.
Глушкова Дiана Борийвна - д.т.н., завщувач кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: 097-481-15-93, diana@khadi.kharkov.ua Воронков Олександр 1ванович - д.т.н., проф. кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: +038-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua
Костша Людмила Леонадвна - к.т.н., доцент кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: 066-150-89-72, kostina4991@gmail.com Воронова Елiзавета Михайлiвна - доцент кафедри шоземних мов, тел+038-707-37-29, diana@ikhadi.kharkov.ua
Демченко Сергш Володимирович - ассистент кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: +038-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Викторова Елена Викторовна - iнженер кафедри технологи металiв та матерiалознавства, тел.: +038-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Харшвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет, 25, вул. Ярослава Мудрого, м. Харшв, 61002, Украша.
Improving express control of details Abstrast. With an increase in the durability and reliability of products, an important role is played by the control of the properties of parts, non-destructive express control - the determination of hardness. The equipment for measuring hardness is very diverse, it is constantly being modified and improved. Dimensional, portable, stationary and portable hardness testers are used. To increase the accuracy of measurements, it is necessary to comply with a number of requirements for controlled products and hardness testers (calibration, calibration of hardness testers and hardness measures). The work investigated the possibilities of various methods of measuring hardness and hardness testers, conducted comparative tests of samples and hardness measures made from various materials, when tested with various indenters. A chemical and metallographic analysis of the materials of the measures and the studied samples was carried out. Recommendations are given to improve the accuracy of measurements of the parts hardness, providing for a specific testing algorithm and the use of statistical data for each material. Key words: hardness, hardness tester, measures of hardness.
Hlushkova D. - Doct. Sc., Chef of Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Voronkov A. - Doct. Sc., Professor, Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-92, diana@khadi.kharkov.ua Kostina L. - PhD, Associate Professor, Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-92, kostina4991@gmail.com Voronova E. - PhD, Associate Professor, Department of Foreing Languages, tel: 057-707-37-29, diana@khadi.kharkov.ua Demchenko S. - Assistant Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-92, diana@khadi.kharkov.ua Victorova E. - Engineer Department of Technology of Metals and Materials Science, tel: 057-707-37-92, diana@khadi.kharkov.ua Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudrogo str., Kharkiv, 61002, Ukraine.
