2.Рассчитываем наибольший и наименьший предельные размеры параметров шлицевого отверстия:

Рис.12 Поле допуска d_к калибра-пробки

Используя схему 7 из ГОСТ 7951-80 рассчитываем предельные размеры калибра-пробки по нецентрирующему наружному диаметру:

Рис.14 Поле допуска D_k калибра-пробки

Dk max=Dmin

Dk min=Dmin

Рассмотрим Акустический и Вихретоковый методы неразрушающего контроля.

2.3.1 Акустический метод неразрушающего контроля качества

Известно много акустических методов НК, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону от контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект. Исторически методы прохождения применяли только для обнаружения несплошностей, меняющих параметры сквозного сигнала вследствие образования за дефектом акустической тени. Поэтому их называли «теневыми». Однако затем эти методы начали использовать для контроля прочности, пористости, структуры и других параметров материала, не связанных с наличием тени. Поэтому теневой метод - частный случай метода прохождения. Акустический вид НК основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте. Чаще всего используют упругие волны ультразвукового диапазона (с частотой колебаний свыше 50 кГц), этот метод называют ультразвуковым. Этот вид контроля применим ко всем материалам, хорошо проводящие акустические волны.

Эхо-метод основан на регистрации эхо-сигналов от дефектов. На экране обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс, импульс, отраженный от противоположной поверхности (дна) объекта контроля и эхо-сигнал от дефекта. Время прихода импульсов пропорционально глубине залегания дефекта и толщине объекта контроля.

Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для обнаружения неоднородности в изделии, определения их координат, размера и характера путём излучения импульсов ультразвуковых колебаний, приёма и регистрации отраженных от неоднородности эхо-сигналов.

Структурная схема дефектоскопа общего назначения для ручного контроля по сравнению с упрощенной схемой содержит ряд дополнительных систем, обеспечивающих удобство эксплуатации и точность измерения (рис. 9).

Рис. 16. Структурная схема эхо-дефектоскопа.

Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрического напряжения, возбуждающий ультразвуковые колебания в электроакустическом преобразователе 3, который излучает их в объект контроля. Отраженные от дефекта ультразвуковые сигналы принимаются тем (совмещенная схема) или другим (раздельная схема электроакустического преобразователя), трансформируются в электроакустические импульсы и поступают на вход усилителя 1. Коэффициент его усиления регулируется во времени с помощью системы временной регулировки чувствительности 4, благодаря чему компенсируется ослабление ультразвукового импульса в объекте контроля. Усиленный до определенной величины сигнал поступает на индикатор 6 - электронно-лучевую трубку и автоматический сигнализатор дефектов (регистрирующее устройство) 2. Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа.

Одновременно с выпуском генератора импульсов (или с некоторым заданным запаздыванием) он приводит в действие генератор развертки 9 ЭЛТ. Развертка позволяет различить по времени прихода сигнал от объектов отражения ультразвука, расположенных на разном расстоянии от ЭЛТ, например сигналы от дефектов отличить от данного сигнала.

1. Горизонтальная развертка типа А (рис. 10) синхронизирована с перемещением импульса в изделии. Отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально амплитуде принятого эхо-сигнала. Сигнал 1 соответствует зондирующему импульсу, сигнал 2 -- донному сигналу; между ними располагается эхо-сигнал 3 от дефекта.

Рис 17. Горизонтальная развертка электронно-лучевой трубки

Синхронизатор также управляет работой блоков временной регулировки чувствительности и автоматический сигнализатор дефектов. Измерительное устройство 5 обрабатывает сигналы, поступившие от усилителя, с учетом времени поступившего сигнала от синхронизатора и выдаёт цифровую информацию на ЭЛТ или на отдельное табло.

Генератор зондирующих импульсов содержит два основных элемента: колебательный контур, включающий в себя ЭЛТ, пьезопреобразователь, и электронную схему, обеспечивающие генерацию коротких радиоимпульсов той или иной формы. В колебательном контуре параллельно или последовательно пьезоэлементу включены индуктивность и активное сопротивление. Несущая частота импульсов подстраивается индуктивностью. Обычно генерируются ударные экспоненциальные затухающие импульсы-колебания, хотя энергетически более рациональной их формой является колоннообразная. В приборе регулируется амплитуда и длительность генерирующих импульсов.

Система временной регулировки чувствительности предназначена для генерирования регулирующего сигнала определенной формы, с помощью которого изменяется во времени усиление усилителя высокой частоты. Система временной регулировки чувствительности компенсирует ослабление импульса, обусловленного дифракционным расхождением и затуханием. Исходя из этого, закон изменения усиления должен быть обратным закону убывания амплитуд отраженных сигналов от одних и тех же дефектов по мере их удаления от преобразователя. Эти законы разные для отражателей различной формы и размеров, поэтому идеальную систему временной регулировки чувствительности создать нельзя.

Индикатором принятых сигналов служит, как правило, ЭЛТ. Чаще всего на вертикально отклоняющие пластины падают длинные до необходимой величины полезные сигналы, а на горизонтально отклоняющиеся - напряжение развертки. Развертку синхронизируют с частотой зондирующих посылок. Необходимую длительность развертки определяют: скорость звука в материале и максимальная толщина объекта контроля

При большой толщине объекта контроля сигналы от близкорасположенных друг к другу отражателей плохо различимы для линии развертки. С целью преодоления этого недостатка многие дефектоскопы снабжены схемой задержки развертки, с помощью которой запуск развертки осуществляют не зондирующим импульсом, а первым отраженным от поверхности объекта контроля сигналом, или сигналом, произвольно регулируемым во времени. Рассмотренную систему развертки «время-амплитуда» называют разверткой типа А.

Синхронизатор 8 представляет собой автоколебательную импульсную систему. Его обычно выполняют по схеме мультивибратора.

Частоту генерирующих синхронизатор - запускающих импульсов выбирают в зависимости от задач контроля в пределах от 50 до 8000 Гц. Так как частота синхронизатора определяет период следования зондирующих посылок, то с точки зрения увеличения скорости контроля её желательно выбирать возможно большей. Однако она ограничивается затуханием ультразвука и толщиной объекта контроля, поскольку необходимо, чтобы импульс, излученный в объекте контроля полностью затух до поступления следующей посылки.

Система автоматической сигнализации дефектов (АСД) предназначена для автоматической фиксации моментов обнаружения дефекта. Её можно рассматривать как частный случай регистратора. Система АСД дает звуковой или световой сигнал при выявлении дефекта, что позволяет повысить надежность полученных результатов.

Устройство для измерения расстояния до дефекта, дна объекта контроля или упругого отражателя - глубиномер, который измеряет время пробега импульса до отражения.

Пьезоэлементы. Пьезоэлектрические материалы - материалы, обладающие пьезоэффектом, используются для изготовления пьезоэлементов (пьезопластин), служащих в акустических приборах НК для преобразования электрических колебаний в упругие и упругих колебаний в электрические.

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) - устройство, предназначенное для преобразования электрической (акустической) энергии в акустическую (электрическую). Принцип работы преобразователя основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили контактные преобразователи. Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном пьезопреобразователе (рис. 11, а) приклеена или прижата с одной стороны к демпферу 2, с другой - к протектору 3. Пьезопластину, демпфер и протектор, склеенные между собой, называют вибратором. Вибратор размещен в корпусе 6. С помощью выводов 7 пьезопластину соединяют с электронным блоком дефектоскопа. Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает передачу упругих колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию 5 и наоборот. Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн.

В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рис. 11, б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8. Эти преобразователи предназначены для возбуждения в основном сдвиговых (поперечных) и поверхностных волн, а также продольных волн, наклонных к поверхности контролируемого объекта. Вибратор контактных раздельно-совмещенных преобразователей (рис. 11, в) состоит из двух призм 8 с приклеенными к ним пьезопластинами 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Он служит для предотвращения прямой передачи сигналов от излучающей пьезопластины, подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю электронного блока дефектоскопа.

Конструкция искателей(рис. 18)

а) нормальный б)наклонный в)раздельно-совмещенный

Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте. Противоположные поверхности пьезопластины покрыты металлическими (обычно серебряными) электродами для приложения электрического поля. Во избежание пробоя область по краям пластины не металлизируют. Формой электродов определяются работающие участки пьезопластины. На высоких частотах (20...30 МГц) присоединенная масса электродов смещает резонансную частоту пьезопластины в область более низких частот.

Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины, управления добротностью преобразователя и защиты пьезопластины от механических повреждений. Материал и форма демпфера должны обеспечивать достаточное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера без возвращения их к пластине. Ослабление колебаний пьезопластины тем сильнее, чем лучше согласованы характеристические импедансы материалов пьезопластины и демпфера.

Демпферы обычно изготавливают из искусственных смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью, необходимой для получения требуемого характеристического импеданса. Для уменьшения многократных отражений демпфер выполняют в виде конуса, либо тыльную поверхность демпфера выполняют непараллельной пьезопластине, либо в материал демпфера вводят рассеиватели.

Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, согласования материала пьезопластины с материалом контролируемого изделия или средой, улучшения акустического контакта при контроле контактным способом. Материал протектора должен обладать высокой износостойкостью и высокой скоростью звука, которая определяет необходимую его толщину. Последняя обычно выбирается равной 0,1...0,5 мм. Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, бериллий, сталь, твердые сплавы, керамику, а также материалы на основе эпоксидных смол с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, корундовый порошок) и т.п.

Для обеспечения стабильности акустического контакта протектор делают из эластичного материала с большим затуханием ультразвука и волновым сопротивлением, близким к сопротивлению контактной жидкости, например из пленки полиуретана. Такой протектор облегает неровности поверхности изделия и способствует устранению интерференции в слое онтактной жидкости, т.е. основной причины нестабильности контакта.

Для улучшения передачи ультразвука от пьезопластины в иммерсионную жидкость используют четвертьволновые протекторы, обеспечивающие просветление границы пьезопластина - жидкость.

Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, полиамидоимид, деклон, эпоксидные компаунды), что позволяет при относительно небольших углах падения в получить углы преломления б до 90°. Высокое затухание ультразвука в призме обеспечивает ослабление не вошедшей в изделие волны, которое увеличивается в результате многократных отражений. Для улучшения этого эффекта в призме часто предусматривается ловушка, удлиняющая путь отраженных колебаний. На пути этих колебаний располагают зоны небольших отверстий, грани призмы выполняют ребристыми или приклеивают к ним материалы с приблизительно одинаковым характеристическим импедансом, но со значительно большим затуханием.

Для того чтобы в изделие проходили волны только одного типа, угол падения (наклона призмы) делают либо небольшим (при этом поперечные волны практически не возбуждаются), либо в интервале между первым и вторым критическим углами. В этом случае при переходе из призмы в изделие излучаемые пьезопластиной продольные волны трансформируются в поперечные. Для пары оргстекло - сталь эти условия выполняются при углах в < 7° и 28° < в < 58°. Призмы с малыми углами используют обычно в раздельно -- совмещенных, а с большими углами - в наклонных преобразователях. Кроме того, призмы с углами 27 и 60° используют для возбуждения головной волны и поверхностной волны Рэлея соответственно.

Для возбуждения наклонных к поверхности продольных волн призмы делают с углами 18...24°. Такие преобразователи применяют для контроля сварных соединений из аустенитных сталей. Поперечные волны в изделиях в этом случае являются источником помех.

Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные (с переменным углом ввода) преобразователи, в которых с помощью простого механизма пьезоэлемент перемещают по окружности полуцилиндра либо изменяют его положение внутри призмы или локальной ванны.

В раздельно-совмещенных преобразователях призма должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в толщинометрии важно, чтобы время прохождения колебаний сквозь призму не зависело от температуры, поэтому в этом случае призму изготовляют, например, из плавленого кварца, имеющего малые температурные коэффициенты линейного расширения и изменения скорости ультразвука.

Корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования от электромагнитных помех, поэтому корпус из пластмассы металлизируют.

Электрические контакты выполняют пайкой легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание их располяризации. Для соединения преобразователя с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий кабель (микрофонный или коаксиальный). Часто для согласования с электронным блоком дефектоскопа внутри корпуса преобразователя размещают трансформатор, катушку индуктивности, резистор, а иногда и предварительный усилитель.

Промышленность выпускает преобразователи различных типов для работы с дефектоскопами общего назначения. Параметры и характеристики их следующие: частота максимума преобразования, полоса пропускания частот, коэффициент преобразования, ширина диаграммы направленности И₁, угол ввода б, фокусное расстояние F, диаметр выявляемого дефекта d_отр, минимальная H_min и максимальная Н_max глубина его залегания (при работе с определенным дефектоскопом), срок службы, габаритные размеры и масса.

2.3.2 Вихретоковый метод неразрушающего контроля качества

Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихревого токового преобразователя и объекта. В качестве преобразователя используют обычно индуктивные катушки (одну или несколько). Синусоидальный (или импульсный) ток, действующий в катушках ВТП, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует а катушки преобразователя, наводя в них ЭДС или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или ее сопротивление, получают информацию о свойствах объекта и о положении преобразователя относительно него.

ЭДС (или сопротивление) преобразователя зависит от многих параметров объекта контроля, т.е. информация, представляемая сигналом преобразователя, является многопараметровой. Это определяет как преимущество, так и трудности реализации вихретоковых методов (ВТМ). С одной стороны, ВТМ позволяют осуществить многопараметровый контроль; с другой, требуются специальные приемы для разделения информации об отдельных параметрах объекта. При контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим, поэтому это влияние необходимо подавлять.

Особенность вихретокового контроля в том, что его можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров).

Одна из особенностей ВТМ состоит в том, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность газовой среды, радиоактивные излучения, загрязнение поверхности объекта контроля непроводящими веществами.

Простота конструкции преобразователя - еще одно преимущество ВТМ.

ВТМ основаны на возбуждении вихревых токов, а поэтому применяются в основном для контроля качества электропроводящих объектов: металлов, сплавов, графита, полупроводников.

В дефектоскопии с помощью ВТМ обнаруживают дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине, например разнообразные трещины, расслоения, закаты, плены, раковины, неметаллические включения.

Принцип действия и схема прибора

Сигнал, полученный от блока 2 ВТП, возбуждаемого генератором 1, усиливается усилителем 3 и детектируется амплитудным детектором 4, а постоянное напряжение детектора 4 подается на индикатор 5. Характерная особенность блока 2 в этой схеме - наличие компенсатора, позволяющего смещать точку компенсации в положение, требуемое по условиям подавления влияния мешающего фактора. Схема прибора показана на рисунке 16:

Рис. 19. Схема прибора

Классификация и применение вихретоковых преобразователей (ВТП)

По рабочему положению относительно объекта контроля преобразователи делят на проходные, накладные и комбинированные.

Накладные ВТП обычно представляют собой одну или несколько катушек, к торцам которых подводится поверхность объекта (рис.17). Катушки таких преобразователей могут быть круглыми коаксиальными (рис. 11, а), прямоугольными (рис. 17, б), прямоугольными крестообразными (рис. 11, в), с взаимно перпендикулярными осями (рис. 17,г) и др.

Рис. 20. Различные виды накладных ВТП

Накладные преобразователи выполняют с ферромагнитными сердечниками или без них. Благодаря ферромагнитному сердечнику (обычно ферритовому) повышается абсолютная чувствительность преобразователя и уменьшается зона контроля за счет локализации магнитного потока. Проходные ВТП делят на наружные, внутренние, погружные. Отличительная особенность проходных ВТП в том, что в процессе контроля они проходят либо снаружи объекта, охватывая его (наружные, рис.18, а - в), либо внутри объекта (внутренние, рис. 18, г, д), либо погружаются в жидкий объект (погружные, рис. 18, е, ж).

Рис. 21. Различные виды проходных ВТП

Обычно проходные ВТП имеют однородное магнитное поле в зоне контроля, в результате чего радиальные смещения однородного объекта контроля не влияют на выходной сигнал преобразователя.

Комбинированные преобразователи представляют собой комбинацию накладных и проходных ВТП.

Особую разновидность представляют собой экранные ВТП, отличающиеся тем, что их возбуждающие и измерительные обмотки разделены контролируемым объектом.

По виду преобразования параметров объекта в выходной сигнал ВТП делят на трансформаторные и параметрические. В трансформаторных, имеющих как минимум две обмотки (возбуждающую и измерительную), параметры объекта контроля преобразуются в напряжение измерительной обмотки, а в параметрических, имеющих, как правило, одну обмотку, - в комплексное сопротивление. Преимущество параметрических ВТП заключается в их простоте, а недостаток, который в трансформаторных ВТП выражен значительно слабее, в зависимости выходного сигнала от температуры преобразователя.

По способу соединения обмоток различают абсолютные и дифференциальные ВТП. Выходной сигнал абсолютного ВТП определяется абсолютным значением параметров объекта, а дифференциального - приращениями этих параметров. На рис. 19 приведены схемы проходных трансформаторных ВТП (а - дифференциальный, б - абсолютный).

а) б)

Рис. 22. Различные схемы трансформаторных ВТП

Накладными ВТП контролируют в основном объекты с плоскими поверхностями и объекты сложной формы. Эти преобразователи применяют также, когда требуется обеспечить локальность и высокую чувствительность контроля. Наружными проходными ВТП контролируют линейно-

протяженные объекты (проволоку, прутки, трубы и т.д.); применяют их и при массовом контроле мелких изделий. Внутренними проходными ВТП контролируют внутренние поверхности труб, а также стенки отверстий в различных деталях.

Трансформаторные ВТП обычно включают по дифференциальной схеме. При этом возможны схема сравнения со стандартным образцом и схема «самосравнения». В первом случае рабочий и образцовый ВТП не связаны индуктивно и имеют независимые измерительные и возбуждающие обмотки. Во втором возбуждающая обмотка часто служит общей для двух измерительных. При включении ВТП по дифференциальной схеме повышается стабильность работы прибора. Однако в ряде случаев измерительную обмотку включают последовательно с компенсатором, представляющим собой регулятор амплитуды и фазы напряжения. При этом компенсатор выполняет роль образцового ВТП: когда рабочий ВТП контролирует стандартный образец, то компенсатором устанавливается требуемое напряжение компенсации. Такая схема позволяет устранить нестабильность, связанную с разогревом стандартного образца вихревыми токами.

Чувствительность проходных преобразователей к дефектам изделий

Определение чувствительности ВТП к дефектам объекта представляет собой сложную задачу даже в случае дефектов простой геометрической формы. Чувствительность проходного преобразователя к дефектам определяется многими факторами: параметрами дефекта, значением обобщенного параметра контроля, формой объекта, параметрами преобразователя, током возбуждения и положением объекта в нем.

Для прутков, проволоки, труб и других объектов круглого сечения наиболее характерны узкие продольные дефекты. Они оказывают такое же влияние на преобразователь, как бесконечно узкий и бесконечно длинный разрез глубиной h. На рис. 14 показаны три типа дефектов ( дефект типа А: h-глубина поверхностного дефекта; дефект типа В: д - глубина залегания дефекта под поверхностью; дефект типа С: t/h - относительная ширина (раскрытие) поверхностного дефекта).

Рис.23. Типы дефектов и их параметры

Заключение

Перспективы развития неразрушающего контроля тесно связаны с применением вычислительной техники и роботизацией производственных процессов. Особое значение вычислительная техника имеет для новых разрабатываемых средств, что позволяет автоматизировать наиболее сложный и ответственный этап контроля - принятие достоверного решения.

5. Васильев А.С. Основы метрологии и технические измерения / А.С. Васильев. - М.: Машиностроение, 1988. 367 с.

6. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика / В.В. Клюев . - М.: Машиностроение, 2003. 327 с.

7. Марков Н.Н. Конструкция, расчет и эксплуатация контрольно-измерительных инструментов и приборов: Учебник для техникумов по специальности «Производство контрольно-измерительных инструментов и приборов» / Н.Н. Марков, Г.М. Ганевский. - М.: Машиностроение, 1993. - 416 с.: ил.