CC BY
41
Машиностроение. Строительство. Материаловедение. Металлообработка
УДК 681.518.3
СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ СЛОЕВ БИМЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ЕГО ПРОКАТКИ С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин
Кафедра «Радиоэлектронные средства бытового назначения»,
ГОУВПО «ТГТУ»
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: биметалл; контроль качества; микропроцессорная измерительная система.
Аннотация: Рассмотрен способ контроля прочности сцепления слоев биметалла в процессе его прокатки на основе микропроцессорной измерительной системы.
Большие перспективы по применению в различных отраслях промышленности для автоматизированного контроля получили микропроцессорные измерительные системы (МИС). Они позволяют с высокой точностью и производительностью не только измерять различные параметры, но и вычислять сложные математические зависимости и производить их анализ. Разработка и создание методов и средств автоматизированного неразрушающего контроля (НК) на базе микроконтроллеров для непрерывного контроля характеристик качества многослойных материалов в процессе их производства является важной задачей.
Авторами разработана микропроцессорная измерительная система контроля прочности соединения слоев биметалла в процессе его эластической деформации. Обобщенная схема прокатки биметалла с МИС приведена на рис. 1.
В состав МИС входят бесконтактные аналоговые преобразователи температуры 1-3, усилители 4-6, ограничители 9 и 10, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 7, точечный источник тепловой энергии 8 и микроконтроллер (МК) 11. Данная МИС позволяет реализовать способ изготовления биметалла с контролем прочности соединения слоев. Способ заключается в следующем. Предварительно подготовленные составляющие биметалла подают в клеть 13 прокатного стана. Генератор импульсов 12 вырабатывает импульсы электрического тока с частотой / = 0,07...2,5 кГц, которые подаются через валки 14 в зону деформации, амплитудное значение плотности тока при этом составляет 3 = (5... 10)-105 А/см2 при длительности импульсов /имп = (0,2...5)-10-3 с.
При заданных значениях скорости прокатки V, радиуса рабочего валка прокатной клети, общей толщины заготовки Ьн биметалла, относительной степени деформации при прокатке е, нижняя частота следования импульсов тока, необходимого для проработки участка биметаллической ленты при непрерывной ее прокате, определяется по зависимости
/и =
ФЬи RB
(1)
Для полного использования электронно-дислокационного взаимодействия в электропластическом эффекте длительность импульсов тока /имп должна быть не менее (0,2...5)-10-3 с [1]. Тогда верхняя граница частотного интервала определяется на основании установленной длительности импульсов тока /имп с помощью соотношения
1
/в =-
(2)
Qtимп
где Q - скважность импульсов на выходе генератора, которая принимается равной не менее двух.
Для контроля прочности соединения слоев биметалла измеряют первым преобразователем температуры 1 избыточную температуру биметалла АТ при выходе его из зоны пластической деформации. Контроль температуры осуществляют в моменты времени между импульсами электрического тока, поступающего с генератора 12. Биметалл на выходе из зоны пластической деформации дополнительно нагревают точечным источником тепловой энергии 8 и измеряют вторым преобразователем температуры 2 избыточную температуру Т2 нагрева поверхности биметалла в точке, расположенной на расстоянии х от точечного источника тепловой энергии по линии его движения. Далее измеряют третьим преобразователем температуры 3 избыточную температуру Т3 нагреваемой поверхности биметалла по линии параллельной линии движения точечного источника тепловой энергии на заданном расстоянии г. Информация с генератора импульсов электрического тока 12, точечного источника тепловой энергии 8 и преобразователей температуры 1-3 через ограничители 9-10 и усилители сигналов 4-6 поступает на АЦП 7, а затем - в микроконтроллер 11 .
v
Известно также, что под действием импульсного электрического тока тепловыделения в зоне пластической деформации определяются по формулам
АQ = 12 Кобщ'имп = 3 )2 ^общ^имп, АТ =^, (3)
где I - сила тока, А; Лобщ - электрическое сопротивление участка биметалла, находящегося в зоне пластической деформации, Ом; ¿имп - время действия импульса тока, с; 3 - плотность импульсного тока, А/м2; £ = г' - площадь участка биметалла, находящегося в непосредственном контакте с одним из валков, м2; с - удельная теплоемкость, Вт-с/(м3-К); V - объем биметалла, находящегося между валками, в котором происходит пластическая деформация, м3.
Объем биметалла в зоне пластической деформации определяют как
V = V = 2 = ^2 , (4)
где Ьн - общая толщина биметаллической ленты на входе в валки, м; Ьк - общая
толщина биметаллической ленты на выходе из валков, м; 5^ - площадь участка
деформации, м2; г - ширина прокатываемой биметаллической ленты, м.
Участок биметалла можно представить в виде трех последовательно включенных сопротивлений
Кобщ = К1 + К2 + К , (5)
РудА Руд2 ^2
где Щ = —------- - сопротивление плакирующего слоя, Ом; Щ =-------------
£ £
сопротивление основания, Ом; К - сопротивление контакта слоев биметалла, Ом; Руд1, Руд2 - удельное сопротивление соответственно плакирующего слоя и основания, Ом-м.
Откуда, сопротивление контакта слоев биметалла определяется как
(
R - ^общ - (R1 + R2 ) - ^общ ■
а сопротивление материала из выражений (3)
Руд1^1 + Руд2^2
S
(6)
_ АТ^ (7)
Кобщ 2 . (7)
3 )2 ¿имп
Известно также, что при нагреве поверхности полубесконечного в тепловом отношении тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура поверхности в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения со скоростью, равной скорости перемещения источника, определяется формулой [3]
Т2 =—1-, (8)
2п1х
где Т2 - избыточная предельная температура нагреваемой поверхности полубес-конечного изделия в точке, перемещающейся вслед за источником по линии его движения, К; q - мощность источника, Вт; 1 - усредненный коэффициент теплопроводности тепловой системы, состоящей из плакирующего слоя и основания, Вт/(м-К); х - расстояние между точками контроля температуры и центром пятна нагрева поверхности исследуемого изделия сосредоточенным источником энергии, м.
Л
S
Из формулы (8) получаем усредненный коэффициент теплопроводности двухслойной тепловой системы
1 = -
q
2я72 х
(9)
Известно также, что при нагреве поверхности полубесконечного тела подвижным точечным источником энергии избыточная предельная температура этого тела в точке, перемещающейся вслед за источником со скоростью источника, определяется формулой
Т ( r ) = —exp 2p1r
( r - х ) v
2a
(10)
где г - расстояние от точки измерения температуры твердого тела до пятна нагрева
VI 2 х + у ;
а - усредненный коэффициент температуропроводности тепловой системы, состоящей из плакирующего слоя и основания, м2/с.
При движении термоприемника по линии Б со скоростью V, равной скорости движения источника тепла, предельная избыточная температура определяется формулой
Тз =
2я1д/х2 + у2
ехр
х2 + у2 - х I v
2a
(11)
q
где у - расстояние от точки регистрации температуры до линии движения источника тепла, м.
Из формулы (11) определяем усредненный коэффициент температуропроводности двухслойной тепловой системы
a =
I
х2 + у2 - х I v
2ln-
хТ
(12)
Удельная теплоемкость двухслойной системы определяется из выражения
с = 1
a
(1з)
Тогда с учетом соотношением (3) - (13) сопротивление контакта слоев биметалла определяется как
R =
" "
DTq ln хТ2 lbHez
Т3А/ х2 + у2
Е(рудЛкж1 + руд2^исх2 )
2pT2 (Jlz? Wn Ж (Vх2 + У2 -
zl
(14)
Прочность соединения слоев определяется по графику (рис. 2), построенному экспериментально в ходе испытаний биметалла на прочность соединения его
х
о, кг/см2
Рис. 2. График зависимости прочности соединения слоев биметалла при различных значениях электрического сопротивления контакта его слоев
слоев. Для каждой партии полученного биметалла измеряют прочность соединения слоев известными разрушающими методами, предварительно измерив электрическое сопротивление участка пластической деформации. Данные графика заносятся в память МК, который на их основании и измеренных значений сопротивления R производит оценку прочности соединения слоев биметалла.
Разработанная МИС позволяет обмениваться данными с ПК и выводить необходимую информацию на устройства внешнего отображения информации. В данной системе используется микроконтроллер семейства PIC16F87x, который имеет следующие характеристики [4]: высокоскоростную RISC архитектуру, все команды выполняются за один цикл, тактовая частота 20 МГ ц, Flash память программ (8к х 14 слотов), память данных (ОЗУ, 368 х 8 байт), EEPROM память данных (256 х 8 байт), многоканальное 10 разрядное АЦП, последовательный синхронный порт MSSP (ведущий/ведомый режимы SPI и IS), ведомый 8-разрядный параллельный порт PSP с поддержкой внешних сигналов.
Таким образом, применение разработанной МИС при прокатке биметаллических лент с использованием дополнительного воздействия в зоне пластической деформации импульсного тока большой плотности позволило повысить производительность контроля, улучшить качество биметаллических лент вследствие повышения прочности сцепления слоев, а также повысить выход годного материала путем уменьшения количества брака по местным отслоениям плакирующего слоя.
Список литературы
1. Москвитин, С. П. Исследование влияния электропластического эффекта при холодной прокатке биметаллов / С.П. Москвитин, А.П. Пудовкин // XII научная конференция ТГТУ. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 38-40.
2. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы / Ю.В. Баранов, О.А. Троицкий, Ю.С. Аврамов, А. Д. Шляпин. -М. : МГИУ, 2001. - 844 с.
3. Пат. 2005117108 А Российская Федерация, МПК7 G 01B 7/06, G 01N 25/00. Способ бесконтактного неразрушающего контроля толщины, теплофизических свойств и пористости металлического каркаса двухслойных ленточных материалов / Ю.В. Плужников, А.В. Колмаков, А.П. Пудовкин, В.Н. Чернышев, А.П. Лаврентьев, И.Г. Горчаков, А.И. Дьяконов ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн.
ун-т. - № 2005117108/28 ; заявл. 03.06.2005 ; опубл. 10.12.2006, Бюл. № 34. -
2 с. : ил.
4. Справочник по семейству микроконтроллеров / пер. ООО «Микро-Чип». -М., 2002. - Режим доступа : www.microchip.ru/files/d-sheets-rus/PIC16_31.pdf.
Ways of Control over Durability of Bimetal Layers Cohesion in the Course of Rolling
S.P. Moskvitin, A.P. Pudovkin
Department «Radio-Electronic Home Appliances» TSTU
Key words and phrases: bimetal; microprocessor measuring system; quality control.
Abstract: The way of control over durability of bimetal layers cohesion in the course of rolling on the basis of microprocessor measuring system is considered.
Kontrollweise der Haltbarkeit der Kupplung der Schichten des Bimetalles im Laufe seines Walzens
Zusammenfassung: Es ist die Kontrollweise der Haltbarkeit der Kupplung der Schichten des Bimetalles im Laufe seines Walzens aufgrund des Mikroprozessormeßsystems untersucht.
Moyen du contrôle de la rigidité de l’adhésion des couches du bimétal lors du laminage
Résumé: Est examiné le moyen du contrôle de la rigidité de l’adhésion des couches du bimétal lors du laminage à la base du système de mesure à microprocesseur.
