УДК 620.179.14
ТОЛЩИНОМЕТРИЯ ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛЯХ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ
А.А. Лухвич, А.Л. Лукьянов, Я.И. Шукевич, А.К. Шукевич, М.Н. Полякова, В.В. Мосякин
Обычно толщиномеры градуируются по плоским эталонам. Однако на практике чаще встречаются объекты контроля с более сложной поверхностью. В таких случаях неизбежно появление дополнительной систематической погрешности. Используя модели деталей ракетного двигателя, оценена указанная погрешность и показано, что ее можно практически исключить для развертывающихся поверхностей и существенно уменьшить при обработке результатов для неразвертывающихся поверхностей.
Ключевые слова: магнитодинамический метод, толщина, никель, радиус кривизны, информативный сигнал, эталоны, систематическая погрешность.
Основная общая особенность всех неразрушающих методов контроля — это косвенный характер измерения, что на практике требует специальных, метрологически аттестованных образцов (эталонов) для градуировки. Проблема эталонов возникает в связи с тем, что задача по контролю толщины покрытий, как и все задачи дефектоскопии, относится к обратным задачам, решение которых встречает серьезные трудности [1-3]. Поэтому, как правило, решают прямые задачи для эталонов, а полученные результаты используют для градуировки. Практически все метрологически аттестуемые эталоны покрытий или их имитаторы имеют плоские поверхности [4, 5]. Различие геометрии эталонов и объекта контроля приводит к практически неизвестной дополнительной погрешности при определении измеряемого параметра. Эта систематическая погрешность в некоторых случаях может быть устранена полностью или частично при обработке сигнала, полностью исключить ее можно только при наличии набора соответствующих эталонов, как это имеет место при контроле толщины покрытия на проволоке [6]. Тем не менее актуальным являются определение величины указанной погрешности, а также разработка методов ее устранения или минимизации. Этот вопрос будет рассмотрен на примере камер сгорания ракетных двигателей (рис. 1) применительно к толщинометрии никелевых покрытий магнитодинамическим методом.
Проведенные исследования показали, что магнитодинамический метод толщинометрии и приборы типа МТЦ (МТНП-1) с магнитом диаметром 5-8 мм обеспечивают диапазон измерений слоя никеля до 700 мкм и полную отстройку от влияния структурных свойств покрытий на результат измерения [7]. Прибор МТНП-1 сертифицирован с основной погрешностью ±3 % и зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений РФ [8].
Задача контроля никелевых покрытий камер сгорания не сводится к случаю измерения их толщины на неферромагнитном основании. Реально это трехслойная структура: никелевое покрытие — бронзовая прослойка —
Александр Александрович Лухвич, доктор техн. наук, профессор, заведующий лабораторией металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси, Минск. Тел. (1037517) 284-23-07. Е-шаП:1аЬ1@1аркЬа8-пе1Ьу
Андрей Леонтьевич Лукьянов, научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (1037517) 284-24-16.
Ярослав Игоревич Шукевич, магистр техн. наук, аспирант Беларусского национального технического университета. Тел. (1037517) 286-73-39.
Анатолий Киприянович Шукевич, старший научный сотрудник лаборатории металлофизики Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (1037517) 284-24-16.
Марина Николаевна Полякова, ведущий инженер ОАО "Металлист-Самара". Тел. (846) 246-90-36.
Валерий Васильевич Мосякин, метролог ОАО "Металлист-Самара". Тел. (846) 246-75-55.
ферромагнитный корпус со сложной геометрией. Первичное намагничивающее поле преобразователя, обеспечивающее требуемый диапазон измерения слоя никеля и его намагничивание в зоне контроля до состояния, близкого к
Прокладка
Конус
Цилиндр
Оболочка
Z I i i i
■■i t
Рис. 1. Объекты исследования (1—8 — расчетные точки).
намагниченности насыщения, одновременно намагничивает и внутренний слой корпуса камеры. Это приводит к появлению дополнительной систематической погрешности при измерении толщины никеля, если толщиномер градуировался по плоским эталонам. Очевидно, что в общем случае эта погрешность зависит как от толщины бронзовой прослойки, так и от толщины никелевого покрытия.
Функциональные возможности прибора МТНП-1 позволяют измерять, запоминать и корректировать величину информативного сигнала по заданному алгоритму с целью минимизации дополнительной погрешности (настройка нуля). Установлено, что метод достаточно эффективен в случае развертывающихся поверхностей.
В магнитодинамическом методе толщинометрии информативным сигналом служит поток индукции, который создает в месте измерительного элемента (катушка индуктивности) намагниченный участок — информативный (контролируемый) объем. Так как информативный параметр — интеграл от намагниченности по информативному объему, то изменение формы этого объема изменяет и значение информативного параметра (это используется при определении геометрических параметров объекта контроля [9]). При толщинометрии покрытий форма информативного объема определяется формой свободной поверхности покрытия. Эту форму в окрестности любой точки можно однозначно характеризовать двумя главными радиусами кривизны (или кривизной). Степень влияния кривизны поверхности на информативный сигнал определяется отношением радиуса информативной зоны к радиусу (радиусам) кривизны — с возрастанием этой величины возрастает и степень влияния. Кроме этого, изменение информативного сигнала зависит от того, устанавлен преобразователь на вогнутую или выпуклую поверхность. Очевидно, в первом случае сигнал будет возрастать, а во втором — уменьшаться. В случае, когда радиусы кривизны в
информативной зоне имеют разные знаки (не развертывающаяся поверхность), заранее трудно указать характер влияния кривизны.
Рассмотрим в качестве примеров задачи по контролю никелевых покрытий на моделях камер сгорания двух типов двигателей, выпускаемых в настоящее время. Решение будем искать методом компьютерного моделирования. При моделировании использован метод конечных элементов и пакет конечноэлементного анализа Comsol версии 3.5а для вычисления информативного сигнала, а пакет Microsoft Excel и TableCurve2D — для обработки результатов.
Никелевое покрытие на внутренней поверхности цилиндра и усеченного неферромагнитного конуса. Рассматриваемые линейчатые конусы и цилиндры относятся к развертывающимся поверхностям и поэтому характеризуются в любой точке только одним радиусом кривизны, значение которого и влияет на информативный сигнал. Геометрические параметры модели: внутренний радиус и длина цилиндра — 30 и 20 мм соответственно, параметры усеченного конуса: минимальный и максимальный радиусы — 30 и 53,88 мм соответственно, длина — 110 мм. По ТУ толщина покрытия должна быть в пределах 100—300 мкм (рис. 1а).
В качестве информативной зоны во всех случаях был выбран участок поверхности длиной 30 мм, боковая поверхность которого расположена под углом 90° к продольной оси. В этом случае любая точка поверхности в информативной зоне характеризуется одним главным радиусом, значение которого, в случае конуса, меняется при перемещении точки расчета вдоль поверхности. При этом свободная поверхность покрытия любой толщины будет цилиндром (h = AR) или конусом (h = ARcosa) (a — половина угла при вершине конуса).
Результаты моделирования приведены на рис. 2 (расчеты проводили в точках, координаты которых соответствуют технологической карте контроля покрытий), при этом кривую намагничивания никеля задавали таблично.
и конуса. Я — радиус конуса в соответствующей расчетной точке.
Из рисунка видно, что информативный сигнал Е действительно определяется не только толщиной покрытия, но и геометрией поверхности, в данном случае радиусом кривизны. Полученные зависимости описаны приведенными ниже формулами:
для конических поверхностей —
Е = 1 х 10-8к3 - 7 х 10-5Л2 + 0,0185^ + 0,0215,
(1)
для цилиндрических —
F = 8 х 10-
1 - 6 х 10-5h2 + 0,0176h + 0,0177,
и для плоских —
Е = 9 х 10-8к3 - 6 х 10-5к2 + 0,017к + 0,0277.
(2)
(3)
2,5
2
6 5
Для всех функций (кроме рис. 3), используемых в данной работе, достоверность аппроксимации (г2) составляет не менее 0,9983. Это дает возможность, используя приведенные формулы, достаточно надежно вычислить информативные сигналы для любой толщины покрытия. Качественно полученные результаты можно объяснить следующим образом: при установке преобразователя на плоскую поверхность наконечник касается поверхности объекта, а между экраном и поверхностью существует зазор примерно 1 мм. При установке преобразо-
ю р:
ь.
1,5
1
0,5
4
-* 3
2
30
35
40 45 R, мм
50
55
Рис. 3. Влияние радиуса кривизны на
информативный сигнал для конуса. Номера
графиков соответствуют толщине никеля:
1 — 30, 2 — 80, 5 — 130, 4 — 180, 5 — 230,
6 — 280 мкм.
вателя на вогнутую (выпуклую) поверхность этот зазор будет уменьшаться (увеличиваться), что приведет к соответствующему перераспределению магнитного потока и изменению информативного сигнала.
Как следует из рис. 2 и приведенных формул, переход от плоской поверхности к вогнутой, с такой же толщиной покрытия, вызывает увеличе-
Таблица 1 ние сигнала, что воспринимается как определения толщины завышенное значение толщины. При
Погрешность покрытия, обусловленная
изменением
этом максимальное относительное изменение информативного сигнала составляет в рассматриваемом случае примерно 10 %. В пересчете на толщину, с учетом нелинейного характера зависимости, погрешность становится существенно большей, как это видно из табл. 1.
Оба параметра определяются по градуировочному графику для плоской поверхности. Как следует из табл. 1, такие результаты, могут носить только оценочный характер и не пригодны для количественного измерения.
ради уса конуса
Fx 106 , Вб hR, мкм h , мкм p (hR - h )/ h , R % p
0,5 1,0 1,5 1,9 25 78 155 270 23 67 130 210 8 16 19 28
Примечание: к — истинная толщина для плоской поверхности; кК — кажущаяся толщина для конуса максимального радиуса.
1
В поисках метода коррекции информативного сигнала рассмотрим ег
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.