В
В мире НК
Guest
Обнаружение дефектов шлифования зубчатых колес и шариков подшипников методом анализа магнитных шумов Баркгаузена
Об авторах
Сотрудники Конструкторского отдела Школы инженерного и системного проектирования (School of Mechanical and Systems Engineering) Университета Ньюкасла (Newcastle University), Великобритания:
Необходимо войти для просмотра
Шау Брайан A.
Начальник отдела, доктор наук.
Мурси Вайдхианасасами
Научный сотрудник, доктор наук.
Введение
Выявление дефектов шлифования есть первичная задача контроля качества в производстве зубчатых колес и подшипников. В большинстве отраслей как метод контроля качества широко используется метод кислотного травления, который позволяет обнаружить дефекты шлифования только на поверхности компонентов. Травление не выявляет повреждения под поверхностью, а также не определяет степень тяжести повреждений, что необходимо для оценки пригодности заготовки для переточки с целью удаления поврежденного слоя. Необходим также опытный специалист для обнаружения слабых или не очень серьезных повреждений. Кроме того, повсеместно растет озабоченность из-за экологических проблем, связанных с утилизацией большого количества химических веществ, используемых при проверке травлением. Следовательно, существует необходимость в альтернативном методе для определения дефектов шлифования. В настоящее время растет интерес к использованию метода анализа магнитных шумов Баркгаузена (МШБ) для обнаружения шлифовальных дефектов, поскольку он потенциально позволяет обнаружить шлифовальные дефекты различной степени тяжести и предоставляет возможность быстрой проверки без необходимости какой-либо специальной подготовки поверхности. Метод МШБ (при анализе низких частот) также способен обнаруживать дефекты под поверхностью на глубине до 300 мкм [1-3].
В статье приводятся результаты некоторых исследований, которые показывают возможность применения метода анализа МШБ высокой частоты для обнаружения дефектов шлифования зубьев реальных зубчатых колес и шариков подшипников. Также показана важность оптимизации настройки устройств, измеряющих МШБ, для достижения наилучшей чувствительности выявления шлифовальных дефектов разной степени тяжести. Приводятся некоторые результаты измерений МШБ, проведенных на цилиндрических зубчатых колесах и шариках подшипников со шлифовальными повреждениями различной степени тяжести. В настоящей публикации рассматриваются преимущества метода МШБ над кислотным травлением, особо подчеркивается более высокая чувствительность метода МШБ в части обнаружения шлифовальных дефектов малой и средней степени тяжести.
Методика выполнения работы
В данном исследовании использовались прямозубые шестерни диаметром 160 мм с модулем, равным 8, закаленные токами высокой частоты и прошедшие лазерное упрочнение поверхности (LSP). Эти шестерни были отшлифованы для достижения эвольвентного профиля зубьев. В процессе шлифования шестерен возникли различные повреждения по неизвестным причинам. В исследовании также были использованы шарики подшипников диаметром 1 дюйм (2,54 см) и 2,86 см, которые были обработаны с использованием различных методов финишной обработки. Эти шарики предположительно имеют различные приповерхностные повреждения в виде изменения микроструктуры и остаточных напряжений.
Измерения МШБ высокой частоты были использованы для понимания влияния микроструктурных изменений и остаточного напряженного состояния, вызванных шлифованием/процессами финишной обработки, на поверхность материала. Измерения МШБ высокой частоты выполнялись при частоте возбуждения 125 Гц, а сигналы МШБ в диапазоне частот 70-200 кГц был считаны и проанализированыс помощью системы Microscan/Rollscan производства компании Stresstech Oy, Финляндия. Датчик МШБ для контроля поверхности зуба состоит из специально изогнутых ферри-товых полюсных наконечников, которые соприкасаются с боковой поверхностью зуба по линии (рис. 1а). Этот датчик обеспечивает довольно неплохую повторяемость сигнала МШБ на большинстве боковых поверхностей зубьев с различными размерами и геометрией. Тем не менее, мы считаем, что геометрия полюсных наконечников может быть дополнительно оптимизирована для точного соответствия профилю зуба для повышения проникновения магнитного поля. Но это будет специальный сенсор для конкретного типа шестерен, в отличие от сенсора общего назначения, использованного в работе.
Оптимизация электромагнита для поверхности шарика
В ходе исследования авторы пришли к выводу, что оптимизация геометрии электромагнитных полюсных контактов очень важна для повышения чувствительности метода МШБ, что было доказано при контроле шариков подшипников. Сначала измерения МШБ на некоторых шариках были сделаны с помощью плоского датчика МШБ общего назначения (рис. 1б). Но было обнаружено, что ответный сигнал МШБ был недостаточно хорош. Профиль сигнала МШБ (рис. 2а) показывает наличие острых пиков из-за неэффективного проникновения магнитного поля и помех от утечки магнитного поля. Это связано с влиянием плохого контакта между рабочей поверхностью ферритных полюсных контактов и поверхностью шарика.
На этом основании был сделан вывод о необходимости совершенствования конструкции датчика и практики измерений. Для обеспечения наилучшего контакта с поверхностью шарика рабочая поверхность ферритных полюсных контактов была выполнена с соответствующей кривизной. Кроме того, было разработано и изготовлено специальное приспособление для позиционирования датчика и шарика таким образом, чтобы измерения МШБ могли быть выполнены при вращении шарика во все стороны. Было установлено, что доработка ферритных полюсных контактов и использование специального приспособления для позиционирования значительно улучшили ответный сигнал МШБ, а также его повторяемость (рис. 26). При сравнении рис. 2а и 2б видно, что пиков можно избежать, а уровень сигнала повысить благодаря лучшему позиционированию датчика с искривленной рабочей поверхностью относительно поверхности шарика и использованию специального приспособления.
Для анализа были использованы такие параметры МШБ, как значения эффективного напряжения, умноженные на 200 (отображается в системе Rollscan), и средний профиль всплесков сигналов. Средний сигнал МШБ рассчитывался путем выпрямления и усреднения 12 всплесков сигнала, профиль МШБ рассчитывался путем скользящего осреднения со сглаживанием по 20 точкам. Поскольку профили МШБ должны быть более или менее симметричны по обе стороны гистерезиса должным образом размагниченного образца, для удобства сравнения уместно использовать один профиль МШБ, соответствующий половине цикла намагничивания.
Несмотря на то, что измерения МШБ высокой частоты, как известно, очень чувствительны к изменениям приповерхностных свойств материала и принимая во внимание необходимость быстрой проверки в реальных условиях производства, мы использовали МШБ высокой частоты в данном исследовании для обнаружения повреждения поверхности. Тем не менее, для обнаружения повреждений, находящихся глубоко под поверхностью, может потребоваться использовать МШБ низкой частоты. Мы также работаем над этим вопросом [3].
Результаты и комментарии
Контроль рабочей поверхности зуба
Измерения МШБ высокой частоты проводились на различных зубчатых колесах со шлифованными зубьями, закаленных токами высокой частоты (ТВЧ). В табл. 1 приведены минимальные и максимальные значения уровня МШБ (эффективное напряжение, умноженное на 200) для различных зубчатых колес и номера зубьев, подозрительных с точки зрения наличия дефектов, в зависимости от уровня МШБ и на основе наблюдения результатов кислотного травления каждого зубчатого колеса. Видно, что есть большие различия в уровне МШБ даже в пределах одного зубчатого колеса, что является указанием на наличие повреждений различной степени тяжести в разных зубьях. Обнаружены шлифовальные повреждения на левой боковой поверхности зубьев всех шестерен (кроме IH2), в то время как правая боковая поверхность большинства шестерен (за исключением IH6 и IH49) представляется нормальной. В нормальных, неповрежденных зубьях шестерен, уровень МШБ колеблется в пределах 30-50 единиц. Эта разница обусловлена в первую очередь небольшими изменениями поверхностных остаточных напряжений, вызванных шлифованием.
Необходимо войти для просмотра
Об авторах
Сотрудники Конструкторского отдела Школы инженерного и системного проектирования (School of Mechanical and Systems Engineering) Университета Ньюкасла (Newcastle University), Великобритания:
Необходимо войти для просмотра
Шау Брайан A.
Начальник отдела, доктор наук.
Мурси Вайдхианасасами
Научный сотрудник, доктор наук.
Введение
Выявление дефектов шлифования есть первичная задача контроля качества в производстве зубчатых колес и подшипников. В большинстве отраслей как метод контроля качества широко используется метод кислотного травления, который позволяет обнаружить дефекты шлифования только на поверхности компонентов. Травление не выявляет повреждения под поверхностью, а также не определяет степень тяжести повреждений, что необходимо для оценки пригодности заготовки для переточки с целью удаления поврежденного слоя. Необходим также опытный специалист для обнаружения слабых или не очень серьезных повреждений. Кроме того, повсеместно растет озабоченность из-за экологических проблем, связанных с утилизацией большого количества химических веществ, используемых при проверке травлением. Следовательно, существует необходимость в альтернативном методе для определения дефектов шлифования. В настоящее время растет интерес к использованию метода анализа магнитных шумов Баркгаузена (МШБ) для обнаружения шлифовальных дефектов, поскольку он потенциально позволяет обнаружить шлифовальные дефекты различной степени тяжести и предоставляет возможность быстрой проверки без необходимости какой-либо специальной подготовки поверхности. Метод МШБ (при анализе низких частот) также способен обнаруживать дефекты под поверхностью на глубине до 300 мкм [1-3].
В статье приводятся результаты некоторых исследований, которые показывают возможность применения метода анализа МШБ высокой частоты для обнаружения дефектов шлифования зубьев реальных зубчатых колес и шариков подшипников. Также показана важность оптимизации настройки устройств, измеряющих МШБ, для достижения наилучшей чувствительности выявления шлифовальных дефектов разной степени тяжести. Приводятся некоторые результаты измерений МШБ, проведенных на цилиндрических зубчатых колесах и шариках подшипников со шлифовальными повреждениями различной степени тяжести. В настоящей публикации рассматриваются преимущества метода МШБ над кислотным травлением, особо подчеркивается более высокая чувствительность метода МШБ в части обнаружения шлифовальных дефектов малой и средней степени тяжести.
Методика выполнения работы
В данном исследовании использовались прямозубые шестерни диаметром 160 мм с модулем, равным 8, закаленные токами высокой частоты и прошедшие лазерное упрочнение поверхности (LSP). Эти шестерни были отшлифованы для достижения эвольвентного профиля зубьев. В процессе шлифования шестерен возникли различные повреждения по неизвестным причинам. В исследовании также были использованы шарики подшипников диаметром 1 дюйм (2,54 см) и 2,86 см, которые были обработаны с использованием различных методов финишной обработки. Эти шарики предположительно имеют различные приповерхностные повреждения в виде изменения микроструктуры и остаточных напряжений.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 1. Датчики МШБ производства Stresstech Oy, Финляндия для измерения: а - на боковой поверхности зуба шестерни; б - плоский датчик общего назначения
Рис. 1. Датчики МШБ производства Stresstech Oy, Финляндия для измерения: а - на боковой поверхности зуба шестерни; б - плоский датчик общего назначения
Измерения МШБ высокой частоты были использованы для понимания влияния микроструктурных изменений и остаточного напряженного состояния, вызванных шлифованием/процессами финишной обработки, на поверхность материала. Измерения МШБ высокой частоты выполнялись при частоте возбуждения 125 Гц, а сигналы МШБ в диапазоне частот 70-200 кГц был считаны и проанализированыс помощью системы Microscan/Rollscan производства компании Stresstech Oy, Финляндия. Датчик МШБ для контроля поверхности зуба состоит из специально изогнутых ферри-товых полюсных наконечников, которые соприкасаются с боковой поверхностью зуба по линии (рис. 1а). Этот датчик обеспечивает довольно неплохую повторяемость сигнала МШБ на большинстве боковых поверхностей зубьев с различными размерами и геометрией. Тем не менее, мы считаем, что геометрия полюсных наконечников может быть дополнительно оптимизирована для точного соответствия профилю зуба для повышения проникновения магнитного поля. Но это будет специальный сенсор для конкретного типа шестерен, в отличие от сенсора общего назначения, использованного в работе.
Оптимизация электромагнита для поверхности шарика
В ходе исследования авторы пришли к выводу, что оптимизация геометрии электромагнитных полюсных контактов очень важна для повышения чувствительности метода МШБ, что было доказано при контроле шариков подшипников. Сначала измерения МШБ на некоторых шариках были сделаны с помощью плоского датчика МШБ общего назначения (рис. 1б). Но было обнаружено, что ответный сигнал МШБ был недостаточно хорош. Профиль сигнала МШБ (рис. 2а) показывает наличие острых пиков из-за неэффективного проникновения магнитного поля и помех от утечки магнитного поля. Это связано с влиянием плохого контакта между рабочей поверхностью ферритных полюсных контактов и поверхностью шарика.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 2. Сигнал МШБ от шарика подшипника с датчиком с плоскими (а) и изогнутыми ферритовыми полюсами (6)
Рис. 2. Сигнал МШБ от шарика подшипника с датчиком с плоскими (а) и изогнутыми ферритовыми полюсами (6)
На этом основании был сделан вывод о необходимости совершенствования конструкции датчика и практики измерений. Для обеспечения наилучшего контакта с поверхностью шарика рабочая поверхность ферритных полюсных контактов была выполнена с соответствующей кривизной. Кроме того, было разработано и изготовлено специальное приспособление для позиционирования датчика и шарика таким образом, чтобы измерения МШБ могли быть выполнены при вращении шарика во все стороны. Было установлено, что доработка ферритных полюсных контактов и использование специального приспособления для позиционирования значительно улучшили ответный сигнал МШБ, а также его повторяемость (рис. 26). При сравнении рис. 2а и 2б видно, что пиков можно избежать, а уровень сигнала повысить благодаря лучшему позиционированию датчика с искривленной рабочей поверхностью относительно поверхности шарика и использованию специального приспособления.
Для анализа были использованы такие параметры МШБ, как значения эффективного напряжения, умноженные на 200 (отображается в системе Rollscan), и средний профиль всплесков сигналов. Средний сигнал МШБ рассчитывался путем выпрямления и усреднения 12 всплесков сигнала, профиль МШБ рассчитывался путем скользящего осреднения со сглаживанием по 20 точкам. Поскольку профили МШБ должны быть более или менее симметричны по обе стороны гистерезиса должным образом размагниченного образца, для удобства сравнения уместно использовать один профиль МШБ, соответствующий половине цикла намагничивания.
Несмотря на то, что измерения МШБ высокой частоты, как известно, очень чувствительны к изменениям приповерхностных свойств материала и принимая во внимание необходимость быстрой проверки в реальных условиях производства, мы использовали МШБ высокой частоты в данном исследовании для обнаружения повреждения поверхности. Тем не менее, для обнаружения повреждений, находящихся глубоко под поверхностью, может потребоваться использовать МШБ низкой частоты. Мы также работаем над этим вопросом [3].
Результаты и комментарии
Контроль рабочей поверхности зуба
Измерения МШБ высокой частоты проводились на различных зубчатых колесах со шлифованными зубьями, закаленных токами высокой частоты (ТВЧ). В табл. 1 приведены минимальные и максимальные значения уровня МШБ (эффективное напряжение, умноженное на 200) для различных зубчатых колес и номера зубьев, подозрительных с точки зрения наличия дефектов, в зависимости от уровня МШБ и на основе наблюдения результатов кислотного травления каждого зубчатого колеса. Видно, что есть большие различия в уровне МШБ даже в пределах одного зубчатого колеса, что является указанием на наличие повреждений различной степени тяжести в разных зубьях. Обнаружены шлифовальные повреждения на левой боковой поверхности зубьев всех шестерен (кроме IH2), в то время как правая боковая поверхность большинства шестерен (за исключением IH6 и IH49) представляется нормальной. В нормальных, неповрежденных зубьях шестерен, уровень МШБ колеблется в пределах 30-50 единиц. Эта разница обусловлена в первую очередь небольшими изменениями поверхностных остаточных напряжений, вызванных шлифованием.
Необходимо войти для просмотра