Министерство  образования и науки Российской Федерации 

Магнитогорский  государственный технический 

Университет им. Г. И. Носова 

                                                   Кафедра физики 
 
 
 
 

                       КУРСОВАЯ РАБОТА 

По дисциплине: ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ 

На тему:Контроль микротопографии поверхности стали методом муаровых полос 

Исполнитель: Пономарева Мария Викторовна студент 4 курса  гр. АД-06

Руководитель: Бахматов Юрий Федорович 
 
 
 
 

Магнитогорск 2010

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Одной из главных задач в металлургии  является коренное улучшение качества листового проката и, в частности  холоднокатаного листа. Более высокое качество холоднокатаного листа дает большую экономию металла и повышает эффективность его использования.

     Формоизменение  холоднокатаной стали при прокатке сопровождается неравномерностью изменения  размеров полос по толщине и ширине, однако наиболее значительные отклонения от плоскостности проявляются в виде волнистости и коробоватости готовой продукции. Неплоскостность является важнейшей качественной геометрической характеристикой тонколистового проката, оказывающей существенное влияние на последующий процесс его обработки в машиностроении. Проблема контроля неплоскостности листов и полос актуальна, и ее решение во многом определяет решение задачи по улучшению качества листовой продукции.

     Для большинства процессов обработки  металлов давлением определение параметров формоизменения теоретическим путем возможно лишь при введении упрощений в граничные условия. Поэтому повышается значение экспериментальных методов исследования. Наибольшее применение в настоящее время получили методы муаровых полос, хрупких покрытий, голография и др.

     В силу большой информативности и  экспериментальной доступности  наибольшее развитие получил метод  муаров, основанный на эффекте геометрической интерференции мелких линейных (или  нелинейных) растров, совмещение которых  создает картину муаровых полос. Если один из растров деформируется вместе с объектом исследований, то при совмещении с недеформированным по картине муаровых полос судят о величине перемещений и деформаций. 
 
 
 
 
 
 
 

Представление реального профиля  как совокупность профилей четырех видов

       Поверхность обработанной детали  не является идеально ровной  и геометрически правильной. Она  отличается от номинальной (заданной  чертежом) микро- и макрогеометрическими  отклонениями. Микрогеометрические  отклонения определяют нанопрофиль  и профиль шероховатости поверхности, макрогеометрические - характеризуют профили волнистости и планшетности. Между этими видами погрешностей нет четкого физического различия, однако условно их можно разделить по отношению шага L_в к значению отклонения Н_в от номинального контура. Неровности, для которых отношение L_в/ Н_в < 40, относят к шероховатости, при 1000 > L_в/ Н_в > 40 - к волнистости, при L_в/ Н_в > 1000 - к планшетности.

     Все профили поверхности получаются после прохождения исходного  профиля через определённый фильтр. Важнейшими характеристиками профильных фильтров являются:

     1. коротковолновая и длинноволновая  границы, помечаемые индексами  ″_s″ и ″_c″, соответственно;

     2. видом фильтра.

     Существующие  стандартные профильные фильтры  позволяют ввести единую терминологию для четырёх видов фильтров и для четырёх соответствующих видов профиля, приведённых в таблице 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Табл.1

 

       
 
 

Муаровый  эффект

 

     Муар - это картина, состоящая из чередующихся темных и светлых полос, возникающая при наложении двух или более сеток (решеток Френеля), состоящих из линий, точек или иных геометрических элементов. Явление это обусловлено ограниченной разрешающей способностью устройства наблюдения, будь то человек или камера. При наложении двух систем линий интенсивность света по поверхности изображение меняется, и  это изменение интенсивности и является причиной возникновения муаровой картины.

     На  рис.1 показаны картины муаровых полос, возникающие при наложении двух сеток прямых параллельных линий одинакового шага, повернутых на небольшой угол одна относительно другой (рис.1.а), а также имеющих небольшую разность в шаге, наложенных параллельно (рис.1.б).

     а) б)

Рис. 2  Муаровый эффект

     При параллельном наложении двух систем прямых параллельных линий, имеющих небольшую разность в шаге, центр светлой муаровой полосы совпадает с точкой, в которой совмещаются светлые линии обеих сеток.

     Центр темной муаровой полосы совпадает с  точкой, в которой темная линия одной сетки перекрывает светлую линию другой. Средняя интенсивность проходящего или отраженного света непрерывно меняется от первой точки ко второй (в зависимости от величины зазора). Расстояние между центрами двух соседних темных (или светлых) муаровых полос является шагом полос.

     Муаровый  эффект может быть использован при  исследовании перемещений и деформаций сложных механизмов и конструкций.

     Известно  несколько методов муаровых полос, применяемых к исследованию перемещений  и деформаций, различающихся видом сеток, используемых для образования картин муаровых полос, и характером решаемых задач:

1. сетка наносится непосредственно на исследуемую поверхность детали (метод с нанесением сетки);
2. нанесенная на экране сетка отражается от зеркальной поверхности исследуемого объекта (метод отражения);
3. сетка с помощью проекционного устройства проецируется на поверхность исследуемого объекта (проекционный метод);
4. муаровая картина получается с помощью сетки, наложенной на поверхность исследуемого объекта, и теней или отражений этой сетки, в этом случае исследуется профиль поверхности (теневой метод);
5. используется изображение сетки, искаженное в результате преломления при прохождении света через прозрачную исследуемую деталь.

Физические  основы контроля

Границы применяемости метода муара

     При определении параметров неплоскостности  холоднокатаных листов возможность  получения муаровой картины от интерференции растра с его теневым изображением на искривленной поверхности полосового металла зависит от кривизны исследуемой поверхности.

Смещение  линий исходного растра относительно его теневого изображения на некоторую  величину происходит за счет "оптического  рычага" между исходным растром  и исследуемой поверхностью и  пропорционально величине зазора у и углу проекции растра.

     Форму неплоскостности листа опишем синусоидой y=Asinώx. При проектировании растра на поверхность металла перпендикулярно гребню синусоиды получается искаженное изображение линий растра. Величина искажения зависит от угла проекции растра угла α между направлением источника света и перпендикуляром к поверхности исходного растра, а также от направления фиксирования муаровой картины — угла β (см. рис. 3).

      Таким образом, между собой интерферируют два  растра: один — исходный, состоящий из семейства параллельных прямых линий, другой — теневой, искаженный поверхностью металла, состоящий из семейства синусоидальных кривых с амплитудой А_i.

      При угле проекции 0,788 рад (β=0) изображение искаженных линий растра соответствует по форме и размерам поперечному сечению исследуемой поверхности. При увеличении или уменьшении угла проекции амплитуда А_i, искаженного изображения линий проектируемого растра будет больше или меньше амплитуды поперечного сечения исследуемой поверхности А. Этим самым увеличивается или уменьшается кривизна искаженных линий растра, а следовательно, и угол сдвига между линиями искаженной и проектируемой сетками растра (для одной и той же точки поверхности).

     Зависимость изменения величины амплитуды искаженной линии проектируемого растра от угла проекции α  и угла фиксирования β выражается уравнением

        (1)

     Если  угол сдвига между линиями исходного  и искаженного растра (φ) превышает 0,525 рад, шаг муаровых полос соизмерим с шагом растра и муаровый эффект пропадает:

     0 <φ <30  (2)

     Связь между величиной искажения полос  растра с условием (2) представлена в  выражении:

     0< tgφ= y’= А_i cos ώx 0,577. (3)

     Выражение (3) содержит условие получения муаровой картины на всей исследуемой поверхности  по максимальной величине А_i

     У синусоиды максимальное φ при , значит

        (4)

     Тогда при выполнении условия (4) муаровая картина будет получена на всей исследуемой  искривленной поверхности.

     Минимальный угол проекции, при котором муаровая картина существует, ограничивается равенством

     A_i=a  (5)

     где а — шаг проектируемого растра.

     В этом случае искаженные и проектируемые  линии растров имеют минимальное  число точек пересечения.

     Из  уравнений (1), (3), (5) выразим область  допустимых значений угла проекции а для получения муаровой картины всей искривленной поверхности:

       (6)

     Принимая  во внимание выражение (4), можно рассчитать максимально допустимое значение кривизны искаженных линий растра в точке  , при котором вся исследуемая поверхность дает муаровую картину

         (7)

     Если  же значение максимальной кривизны искаженных линий растра превышает указанный предел, то муаровая картина отражает только часть исследуемой поверхности. В этом случае следует искать точку кривой, где выполняется условие (2).

     Из  уравнения (3) следует:

                 (8)

     Когда , муаровая картина образуется на всей искривленной поверхности. Если же , то необходимо определять значение x, при котором условие (2) выполняется.

     По  найденному значению х определяется кривизна, от значения которой до максимального значения кривизны искаженных линий растра наблюдается муаровая картина. Чем больше максимальная кривизна искаженной линии растра, тем меньше площадь (область А, рис. 4) исследуемой поверхности охватывает муаровая картина, так как тем раньше, следуя от вершины поверхности, угол сдвига достигает критического значения.