Пьезозондирующее измерительное устройство

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Красиков Евгений Павлович, студент 1 курса, 18 лет; Дзюба Алексей Алексеевич, выпускник колледжа, 24 года мастер производственного обучения КГБОУ СПО «АГК». Наставник: Тишин Владимир Владимирович, преподаватель спец. дисциплин высшей квалификационной категории
1ое, 2ое и 3е место: II место
Город: г. Барнаул
Место учебы: Алтайский государственный колледж

Наставник: Тишин Владимир Владимирович, преподаватель спец. дисциплин Высшей квалификационной категории

Ученики: Красиков Евгений Павлович, студент 1 курса, 18 лет; Дзюба Алексей Алексеевич, выпускник колледжа, 24 года мастер производственного обучения КГБОУ СПО «АГК».

Город: г. Барнаул

Название колледжа: Краевое государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Алтайский государственный колледж»

Название промышленного предприятия: ОАО «Алтайский завод прецизионных изделий».

Название объединения технического творчества: Центр по научно-технической работе

Название изобретения или изделия: Пьезозондирующее измерительное устройство.

Описание сути и значимости изобретения:

В машиностроении приоритетная роль отводится вопросам оптимального выбора метода и средств измерения для контроля точности параметров изделия.

При измерении макроотклонений наружных металлических поверхностей применяются различные средства измерения: микрометры, штангенциркули, измерительные головки, микроскопы и др.

Макроотклонения определяются как отклонения формы реальной поверхности или реального профиля от геометрической формы поверхности или геометрического профиля.

Для цилиндрических деталей в поперечном направлении это могут быть овальность и огранка, в продольном – конусность, бочкообразность, корсетность, для плоской поверхности – непрямолинейность и неплоскостность.

Обычно при рассмотрении отклонения формы исключают шероховатость. В действительности же отклонение формы и шероховатость, заданные для одной и ой же поверхности взаимосвязаны и допуск на форму детали налагает ограничения и на шероховатость. Шероховатость образует микрорельеф поверхности и определяется как совокупность неровностей с относительно малыми шагами. Обычно шероховатость возникает в результате образования следов технологическим инструментом и имеет относительно постоянный средний показатель микронеровности.

Однако, в процессе износа у детали на поверхности могут быть непреднамеренные повреждения, такие как: глубокие риски, коррозионные изъявления, сколы, вмятины от случайных ударов, воздушные пузыри (литейный брак).

Как правило, произвести замер глубины повреждения затруднительно, используя традиционные средства измерения. К тому же данные повреждения часто имеют незначительные изменения геометрических параметров. (Рисунок 1)

В результате обзора было обнаружено, что в современных измерительных приборах широко используются пьезоэлектрические преобразователи.

Известно, в пьезокристаллах наблюдается прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при внесении пьезоэлектрического кристалла в электрическое поле в кристалле возникают механические напряжения, под действием которых кристалл деформируется.

Смещения, возникающие в пьезопластинке при наложении на неё статистического электромагнитного поля, ничтожны. Однако их можно увеличить в тысячи, а энергию колебаний в миллионы раз, если воспользоваться переменным электрическим полем. Для этого следует использовать явление резонанса, т.е. подобрать частоту наложенного электрического поля равной одной из собственных частот механических колебаний пьезоэлектрика.

Предлагается использовать колебания пьезокерамической пластины в рамках обратного пьезоэффекта для воздействия на сканирующий элемент измерительного устройства (зонд).

Изменение величины напряжения на электродах пьезокристалла позволит регулировать величину движения зонда для определения глубины точечного повреждения поверхности детали.

Методика применения измерительного устройства:

Представленная на рисунке 2 схема демонстрирует метод измерения, имеет пьезоэлемент 1, неподвижный и подвижный электроды 2, 3 к которым подаётся импульсное напряжение, направление которого выбирается положением переключателя S2. Величина напряжения отслеживается по вольтметру и определяет величину удельной деформации пьезокристалла – (Зависимость Δh (мкм) от U (В) получена экспериментом). Подвижный электрод перемещает зонд 4 до соприкосновения с поверхностью измерения, при этом наблюдается свечением светодиода. Изменением положения ручки латра Т1 регулируется напряжение. При измерении отклонения размера у детали или глубины точечного повреждения производится тарировка зонда калибром номинального размера 12, с помощью гайки микроподачи 8 до загорания светодиода, при отключенном напряжении на пьезокристалл.

Затем для снятия с калиброванной плиты 10 калибра номинального размера 12 переключатель S2 переводится в альтернативное положение изменив направление импульсного тока подаваемого на пьезоэлемент, тем самым происходит деформация уменьшения Δh что даёт возможность пружине 16 поднять зонд 4 и освободить калибр.

Для измерения величины износа поверхности детали 13 или глубины локального повреждения детали 14, переключатель S2 устанавливается в положение «Выключено» устанавливается деталь 13 или 14 имеющая первоначально до износа поверхности размер соответствующий размеру калибра 12. Затем ручкой ЛаТра Т1 постепенно увеличивается напряжение до загорания светодиода.

По вольтметру наблюдается значение напряжения и определяется соответствующая величина перемещения зонда 4, которая фактически будет являться величиной отклонения размера от номинального значения в следствии износа или изъявления.

При разработке и производства пьезозондирующего измерительного устройства проведено исследование пьезоэлектрического преобразователя используемого в приборе. Результаты измерительного устройства сведены в таблицу.

Пьезозондирующее измерительное устройство создано с целью проведения тонких замеров глубины поражения наружных поверхностей металлических деталей с точностью до 1,5 мкм, а также измерения отклонения размеров.

Отличительной особенностью предлагаемого прибора является замена традиционных механических преобразователей, используемых, к примеру, в измерительных головках, на пьезоэлектрический элемент, работающий в условиях обратного пьезоэффекта и позволяющий в перспективе использовать автоматический режим контроля с применением ЭВМ, для массового и дистанционного контроля деталей.

В рамках апробации прибора произведена серия замеров следующих деталей:

1. Игла распылителя форсунки КАМАЗ (проверка конусности).

2. Плунжер, плунжерной пары ТНВД КАМАЗ (проверка конусности).

3. Поверхность концевой меры длины калибра (проверка глубины коррозионного изъявления).

4. Металлическая пластина (замер толщины).

5. Присадочная поверхность головки блока автомобиля Тойота (проверка неплоскостности).

Технология проведения замеров отклонения поверхностей у деталей и глубины точечных повреждений рекомендована для внедрение в производство на ОАО «АЗПИ». В конце 2011 года данная методика заявлена в ФГУ ФИПС для рассмотрения с целью получения патента.