Оптико-компьютерные методы анализа формовочных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат технических наук Лоптев, Андрей Викторович

• Лоптев, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лоптев, Андрей Викторович

Введение.

Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования.

1. Анализ влияния гранулометрического состава формовочных материалов на технологические смеси.

2. Анализ технологических решений определения гранулометрии в смежных областях.

Выводы по первой главе.

Глава II. Анализ оптико-цифровых характеристик гранулометрического состава формовочных материалов.

1. Компьютерный метод определения гранулометрического состава формовочных материалов.

2. Основные принципы определения глинистой составляющей в свежих песках

3. Основные факторы влияющие на оптические свойства оборотных смесей и методы их нейтрализации.

Глава III. Исследование компьютерно-оптического метода контроля гранулометрического состава формовочных материалов.

1. Компьютерный метод определения гранулометрического состава в свежих формовочных материалах.

1.1. Описание условий сканирования песка и обработки изображения.

1.2. Исследование влияния основных параметров сканирования на стабильность результатов определения гранулометрического состава песка.

1.3. Исследование влияния различных методов распределения частиц по горизонтальной поверхности рабочего стола.

2. Оптический метод определения глинистой составляющей в формовочных смесях.

Выводы по третьей главе.

Глава IV. Практическое применение компьютерного и оптического метода контроля формовочных материалов.

Компьютерный метод определения гранулометрического состава оборотных смесей.

Отладка оптического метода определения содержания глинистой составляющей в свежих песках.

Отладка оптического метода определения содержания глинистой составляющей в оборотных смесях.

Определение степени регенерации оборотных смесей.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-компьютерные методы анализа формовочных материалов»

Литейное производство на протяжении многих тысяч лет оставалось ремеслом, производили в основном цельнолитые законченные изделия, с использованием цветных сплавов. Невысокая температура заливки позволяла применять для форм природные формовочные пески. Рецепты «приготовления» и происхождение формовочных материалов хранились в тайне и передавались по наследству.

Позже с развитием машиностроения, литейное производство стало его заготовительной базой. «Природные» формовочные смеси по прочностным и огнеупорным свойствам не удовлетворяли запросам литейщиков, в результате чего появилась необходимость применения кварцевых песков с добавкой бентонита или глины так называемых синтетических смесей.

Литейное производство, несмотря на свою древность, до сих пор успешно конкурирует с другими, относительно молодыми видами заготовительных производств т.к. позволяет с минимальными затратами получать изделия сложной конфигурации. Однако, на практике, это становиться возможным только при условии высокого качества выпускаемого литья.

За последние десятилетия у нас имеет место тенденция сосредоточение всех мер по ликвидации брака на заключительных этапах технологического процесса. В то же время зарождение дефекта может происходить на всех стадиях, начиная с подготовки исходных материалов и смесеприготовления. Именно на начальных этапах возможно своевременно и с минимальными затратами провести серию мероприятий по его предупреждению.

В условиях массового производства с учетом колебания внешних условий, таких как качество поставляемых материалов и кадров недостаточно подобрать удачный технологический процесс, необходимо эффективно им управлять. Однако, эффективное управление невозможно без своевременной коррекции всех этапов управления [2]. Это обстоятельство обусловлено спецификой такого сложного объекта управления как литейное производство и заключается в возвращении к одному из предыдущих этапов управления. Дело в том, что все решения, принимаемые на предыдущих этапах, приближенные, опираются на старую информацию и отражают состояние объекта лишь в прошедшие моменты времени [1, 57].

Реализация коррекции этапов управления и образует адаптивную систему управления, которая приспосабливается к изменяющимся свойствам среды и объекта. Благодаря функционированию системы коррекции, система управления все время приводится в соответствие с изменяющимися средой и объектом управления. В результате система управления как бы эволюционирует вместе с объектом и средой, но так, чтобы все время хорошо выполнялись цели управления.

В свою очередь коррекция управления затруднена отсутствием своевременной информации об основном компоненте формовочной смеси - огнеупорном наполнителе из-за несовершенства средств контроля. Современные методы контроля основных параметров песков от которых зависит расход [1, 57] дорогостоящих синтетических связующих, чья активная экспансия продолжается до сих пор, относительно громоздки. Время определения глинистой составляющей и гранулометрического состава уходит не менее двух с половиной часов. За такое длительное время смесь, в условиях массового производства, пройдет несколько технологических операций и может оказаться причиной брака. Именно поэтому современные лабораторные исследования позволяют руководить процессом, а не управлять.

Стоит отметить, что в смежных областях для создания эффективных методов контроля аналогичных объектов широко применяется компьютерная техника, в частности в металлографии для анализа микрошлифов, в коксохимической промышленности для анализа пористости кокса, в медицине для анализа составляющих крови и пр. Основным преимуществом этих методов кроме оперативности является возможность получения достоверной количественной информации о размерах частиц и соотношение компонентов различной природы.

Настоящая работа посвящена созданию оперативных оптико-компьютерных методов контроля свежих формовочных песков, оборотных смесей и разработке средств для их реализации.

Заключение диссертации по теме «Литейное производство», Лоптев, Андрей Викторович

Выводы к четвертой главе

В данной главе проведены испытания компьютерного метода определения гранулометрического состава формовочных материалов и оптического метода определения количества глинистых частиц в свежих песках и оборотных смесях в условиях близких к производственным. По полученным данным можно сделать следующие выводы:

1. Расхождения результатов определения среднего размера зерна и коэффициента однородности стандартным и компьютерным методами статистически незначимы.

2. Репрезентативной является выборка не менее 300 зерен.

3. Ошибки компьютерного и стандартного методов определения гранулометрического состава песка сравнимы.

4. Анализ оборотных смесей целесообразно производить при верхнем и нижнем порогах сегментации изображения соответственно 180 ± 10 и 10 ± 5.

5. Компьютерный метод проверен на песка Басьяновского, Милле-ровского, Лебединского месторождений и оборотных смесях Куш-винского завода прокатных валков и Нижнетагильского котельно-радиаторного завода. Расхождение между результатами определения стандартным и компьютерным методом статистически незначимы.

6. Испытания установки ГРАНИТ-2 производились на песках Басьяновского месторождения потребляемых «УралВагонЗаводом». Выявлено некоторое повышение точности определения глинистой составляющей по сравнению со стандартным методом.

7. Линейная зависимость применима при построении тарировочных графиков для обогащенных, кварцевых песков и оборотных смесей.

8. Оптимальные условия термической обработки оборотных смесей: температура - 1000 ± 50°С, фракционный состав пробы - 0,32-0,4, время выдержки в печи - 10± 0,5 минут.

9. Построены тарировочные прямые для оборотных смесей Кушвин-ского завода прокатных валков и Нижнетагильского котельно-радиаторного завода.

Заключение

В результате исследований проведенных, д.т.н. Бергом П.П., д.т.н. Жуковским С.С., д.т.н. Ф.С. Квашей, д.т.н. Гуляевым Б.Б. и др., были определены основные связи между структурой формовочных материалов и качеством процесса получения отливок в песчаных формах. Доминирующую роль здесь играет гранулометрический состав и количество глинистой составляющей, особенно при использовании единых формовочных смесей. Серьезным препятствием для стабилизации свойств единых смесей, как указывается во всех работах, является отсутствие оперативных методов контроля структуры формовочных материалов. Применяемые в настоящее время методы контроля основаны на механических, относительно длительных процессах отмывания и рассеивания. Модернизация методов свелась лишь к автоматизации некоторых операций, однако, общее время определения основных характеристик формовочных материалов осталось прежним.

В то же время анализ решений аналогичных задач идентификации сыпучих материалов в других практических сферах деятельности выявил широкое использование компьютерных и оптических средств их анализа. Однако, эти средства пригодны для химически однородных сыпучих материалов, которыми формовочные материалы не являются.

В настоящей работе на основании комплексного исследования процесса прохождения светового потока через слой формовочного материала впервые установлены особенности влияния их структуры на эффективные оптические свойства. Исследования цифровых изображений обогащенных и кварцевых песков позволили установить, что обсчет изображения необходимо производить вращающимся вокруг центра тяжести отпечатка отрезком, определяя эффективный диаметр каждой частицы. Определены параметры сканирования формовочных песков: степень увеличения - 400%; качество изображения не менее 300 точек на дюйм; в качестве подложки необходимо использовать засвеченную фотобумагу; шумы изображения подавляются варьированием нижнего порога сегментации для свежих песков в пределах 80±10 ед., верхний порог - 254 ед. и верхнего порога сегментации для оборотных смесей пределах 180±10 ед., нижний порог - 5±3 ед. Разработаны устройства для равномерного распределения частиц формовочного материала по поверхности рабочего стола сканера.

Впервые исследованы изменения интенсивности светового потока при прохождении через слой формовочного песка, установлено доминирующее влияние на оптическую проводимость количественного содержания глинистой составляющей в формовочном материале и химического состава. Определены оптимальные условия определения оптических свойств: фракционный состав пробы песка (0,2-0,32мм для свежих песков и 0,32-0,4мм для оборотных смесей), толщина просвечиваемого слоя Змм. Установлена достаточная надежность использования линейной зависимости при построении та-рировочных графиков.

Методом планирования эксперимента были получены параметры предварительной обработки оборотный смесей, с целью минимизации ошибки определения. Оптимальные параметры термической обработки: температура печи 1000°С, время выдержки 10 мин.

В результате проведенных исследований впервые использована современная вычислительная техника, в частности планшетные сканирующие устройства, для реализации компьютерного метода определения гранулометрического состава формовочного песка, создан оптический метод определения количества глинистой составляющей и инструментальные средства их реализации, защищенные 2 патентами на изобретение.

Производственная апробация методов подтвердила повышение точности определения глинистой составляющей по сравнению со стандартным методом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лоптев, Андрей Викторович, 2004 год

1. Жуковский С.С. Прочность литейной формы. М.:Машиностроение, 1989. -с. 8-9.

2. Растригин JI.A. Современные принципы управления сложными объектами. Изд. «Советское радио», 1980 г.

3. Formstoffe und Formverfahren Е. Flemming, W. Tilch , Leipzig 1993 r.

4. ГОСТ 29234.3-92 Определение гранулометрического состава формовочного песка.

5. ГОСТ 29234.1-91 Определение глинистых частиц

6. Берг П.П. Формовочные материалы и смеси. Изд. «МАШГИЗ» 1944 г.

7. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. «Машиностроение», 1973 г.

8. Либерман З.М. Сборник трудов ВИАСМ., изд. «Стройиздат», вып.1 1967 г.

9. Рабинович Ф.И. Кондуктометрический метод дисперсионного анализа. Изд. «Химия, 1970г.

10. Ю.Туманский А.Л. Формовочные пески. М.:Машгиз, 1956. — 236 с.

11. Формовочные пескки промышленных карьеров СССР / под ред. И.П. Его-ренкова. М.:Машгиз, 1960. 242 с.

12. Романовский С.Н. Седиментологические основы литологии. Л.:Недра, 1977.-408 с.

13. З.Колмогоров А.Н. О логарифмически-нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении // Докл. АН СССР, 1949. т. 65, №6. с. 693-696.

14. Ватутин С.А., Бирюков А.В., Кылатчанов P.M. Гранулометрия геоматериалов. Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ние, 1989. 173 с.

15. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1074. 280 с.

16. Коузов П.А., Скрябина Л.Я. Методы определения физико-механических свойств промышленных пылей. Л.:Химия, 1983. 413 с.

17. Берг П.П. Формовочные материалы. М.:Машгиз, 1963, 407 с.

18. Гриффите Дж. Научные методы исследования осадочных пород. М.:Мир, 1971.-420с.

19. Хазан Г.Л., Лебедихин А.В. Определдение статистических характеристик полидисперсного материаола по результатам ситового анализа // Известия ВУЗов. Горный журнал. 1980. №4. с. 125-127

20. Лебедихин А.В. Оптимизация и стабилизация свойств формовочных смесей на основе исследования гранулометрического состава песков и глин. Автореферат, Свердловск, 1981.

21. Хазан Г.Л., Лебедихин А.В., Чудновский И.Д. Разработка алгоритмов АСУ смесеприготовлением // Автоматизация процессов литья и обработки давлением, 1979. с. 47-51

22. Гуляев Б.Б. Формовочные процессы. Л.:Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987. 264 с.

23. Степанов А.А., Кузнецов B.C., Гуляев В.Б. Распределение зерен в формовочных песках // Литейное производство, 1974, №9. с. 22-24

24. Степанов А.А., Абрамов Н.П. Опыт оценки зернового состава формовочных песков. ЛДНТП, 1982.

25. Хазан Г.Л. Инструкция по комплекту «Экспресс». Свердловск, 1989. 56 с.

26. Хазан Г.Л., Яшин О.В. Оперативная обработка на ЭВМ результатов ситового анализа // Информационный листок №1007-95

27. Немец Ф. Ключ к определению минералов и пород.(пер. с чешек. М., Недра, 1982)

28. К. С. Шифрин. Рассеяние света в мутной среде. ГИТЛ, М-Л, 1951.

29. А.Е. Алексенский, В.Ю. Осипов, Н.А. Крюков, В.К. Адамчук, М.И. Абаев, С.П.Вуль, А.Я. Вуль. Оптические свойства слоев ультрадисперсного алмаза, полученных из водной суспензии .//Письма в ЖТФ.-1997, т 23, №22, с.39-43

30. Сакович Г.В., Губаревич В.Д., Бадаев Ф.З. и др.// ДАН СССР Сер. Физическая химия. 1990. т.310. №2 с. 402-404.

31. И. Я. Слоним Определение размера частиц по светорассеянию. // Оптика и спектроскопия. 1960, - т.8, в.1.37. «Modern Casting», 1973, №12, р.34-35.38.«Foundry», 1974, №1, p. 42-45.39.«Giesserei», 1974,61, №21, p. 639-642.

32. Просяник Г.В. и др. Изготовление стержней по нагреваемой оснастке. М., «Машиностроение», 1970г.41.«Foundry», 1970, №1, р. 29.42. «Foundry», 1970, №2, р. 117.43.«Modern Casting», 1970, №11, р.36-38.44.«Литейное производство», 1969, №10. С. 44-45.

33. Проспект фирмы "Leica", 2000г.

34. Проспект ЦНИИ КМ "Прометей", 2000г.

35. Проспект фирмы "Karl Zeiss, Jena", 2000г.

36. Проспект фирмы "Cambridge Instruments", 2000г.

37. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений: Пер с англ. М.: Радио и связь, 1986 - 400 е., ил.

38. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. М: Мир, 1982. -Кн.2 - 480с., - ил.

39. Садыков С.С. Цифровая обработка и анализ изображений Ташкент: НПО "Кибернетика" АН РУз - 1994 - 193 с.

40. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. М: Сов. радио, 1979 - 312 е., ил.

41. Андрианов Д.Е., и др. Обработка УЗИ-снимков. Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях: Тез. докл. 7-го Международного научно-технического семинара / Под ред. И.А. Цветкова. М.: НИЦПрИС, 1997. с. 50 - 51

42. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М: Металлургия, 1976. -272 с.

43. Рыжов П.А. Математическая статистика в горном деле. Москва, «Высшая школа», 1973г., 92-94 с.

44. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986

45. Ф.С. Кваша. Стабилизация состава и свойств песчано-глинистых формовочных смесей., М.: МГИУ, 2003 г.

46. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 1978

47. Беляев И.Ф., Андрианов А.К. Вакуумная плавка благородных металлов // Тр. ИФМ УНЦ АН СССР, 1979, № 28.

48. Валисовский М.В. Пригар на отливках. М.: Машиностроение, 1983.

49. Кайнарский И.С., Динас. М.: Стройиздат, 1981.

50. Лясс A.M. Быстротвердеющие формовочные смеси. М.: Машиностроение, 1978

51. Мэцашек И., Ветиипса А. Теоретические основы литейной технологии: Пер. с чеш.Киев: Вищашк., 1981

52. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения: справочник. М.: Радио и связь, 1987.

53. Вуколов Н.И., Михайлов А.Н. Справочник по знакосинтезирующим индикаторам. М.: Радио и связь, 1987.бб.Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М.: Советское радио, 1970.

54. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов/ Г.Г. Климков Ю.М. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. -М.: Советское радио, 1978.

55. Кузнецов Ю.Я., и др. Методы спектрального анализа :Учебное пособие. -М.: Издательство МГУ, 1991.

56. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

57. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989.

58. Справочник по радиоэлектронике. В трех томах/ Под ред. А. А. Куликовского. Том 3. М : Энергия, 1976.

59. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Сов. Радио, 1979.

60. Ким В., Ярославский Л.П. Ранговые алгоритмы обработки изображений / Ин-т проблем передачи информ. АН СССР. Рук.деп. в ВИНИТИ 30.05.1985 г. N 3793-85. - М„ 1985

61. Yaroslavsky L.P. Rank filters as an instrumentation tool for image enhancement. 1994. 4p.

62. Дэвид Г. Порядковые статистики. М.: Наука, 1979.

63. Беликова Т.П., Ярославский Л.П. Использование адаптивных амплитудных преобразований для препарирования изображений // Вопросы радиоэлектроники, сер. Общетехническая. 1974, вып. 14.

64. Pitas I., Venetsanopoulos A. Nonlinear order statistic filters for image filtering and edge detection/ Signal Processing. 1986. Vol.10. - N 4.

65. Лакедемонский A.B., Кваша Ф.С. и др. «Дефекты отливок и способы их предотвращения», М., Машгиз, 1972.80. «Формовочные материалы и технология литейной формы», справочник под ред. Жуковского С.С.

66. Жуковский С.С., Лясс A.M. «Формы и стержни из холоднотвер-деющих смесей», М.» Машиностроение, 1978.

67. Позднев Ю.Д., Кваша Ф. С. и др. Оптимальные составы единых формовочных смесей для улучшения качества поверхности чугунных отливок, М., 1968.

68. Шацких М. И. Формовочные и стержневые смеси. Л., 1968.

69. Степанов Ю.А. и др. Формовочные материалы, М., 1969.

70. Бабко А.К. Фотометрический анализ. Методы определения неметаллов М.: Химия, 1974.-360с.

71. Бабко А.К. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура. -М.: Химия, 1968 -387с.

72. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений /Коренман И.М.; Ред. А.К.Бабко-М.: Химия, 1970.-343с

73. Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений /Коренман И.М.-2-е перераб. и доп. изд.-М.: Химия, 1975.-360с

74. Грицков А. Фотометрия, спектрофотометрия и колориметрия. София: Унив. изд-во "Св. Кл. Охридски" Сор. 2000

75. Качин С. В. Твердофазная колориметрия : Учеб. пособие М-во общ. и проф. образования РФ. Краснояр. гос. ун-т; Качин С. В. и др. Красноярск 1997

76. Кривошеев, Марк Иосифович Цветовые измерения М. И. Кривошеев, А. К. Кустарев М.: Энергоатомиздат 1990

77. Мамина Л.И. Формовочные материалы Учеб. Пособие, Краснояр. гос. акад. цв. металлов и золота Красноярск: ГАЦМИЗ 1995

78. Илларионов И. Е. Формовочные материалы и смеси .Чуваш, гос. ун-т им. И. Н. Ульянова. Чебоксары: Изд-во при Чуваш, гос. ун-те 1995

79. Дорошенко С. П. Формовочные материалы и смеси. Прага: Высшая школа: СНТЛ 1990

80. Сафронов В.А. Современные формовочные материалы для изготовления песчаных форм и стержней Науч.-техн. симпоз.междунар. выст. "Интер-литмаш-88", Москва, 10-19 сент. 1988 г. М.: Б. и. 1988

81. Конашко И.Г. Организация эффективного обеспечения литейного производства сырьевыми материалами, Киев: УкрНИИНТИ 1983

82. Ашуров М.Х. и др. Цифровая обработка изображения в активационной радиографии ВТСП-керамики, Ташкент

83. Юрина Н.А. Оптико-структурный машинный анализ в биологии и медицине Сб. науч. тр. Ун-т дружбы народов им. Патриса Лумумбы; Отв. ред. Н. А. Юрина. М.: УДН 1984 (вып. дан. 1985)

84. Бондарев И.Н. Структура индивидуальных макромолекул в смесях полимеров: Анализ изображения: Автореф. дис. . канд. физ.-мат. наук :0200.04 М. 1999

85. Туманов И.Н. Морфология и структурно-семиотический анализ средств изображения двухмерных и средств создания трехмерных искусств., Волгогр. гос. пед. ун-т Волгоград: Перемена 1997

86. Яншин В.В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы. Учеб. пособие для вузов. М: Машиностроение 1995

87. Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 т. Т. 5. Двухфазные течения. Дисперсные потоки и пористые среды М.: Изд-во МЭИ 2002

88. Амеличева T.M. Механика дисперсных сред в технологических процессах Дис. канд. физ.-мат. наук : 01.02.05 М. 1996

89. Берестнев Д. П. Дисперсионные и флуктуационные характеристики неоднородных волноведущих элементов устройств СВЧ и оптического диапазонов. Автореферат. Нижегород. гос. ун-т им. Н. И. Лобачевского Нижний Новгород 1995

90. Водно-дисперсионные лакокрасочные материалы Тез. докл. совещ., янв. 1988 г., г. Ленинград Черкассы: Отд-ние НИИТЭхима 1987

91. Барсуков А.Б. Дисперсионные свойства двухкамерных ускоряющих структур на Н-волнах А. Б. Барсуков Серпухов: ИФВЭ 1986

92. HZ. Levelink H.G., Berg H.V., Frank E "Giesserei", 62,1975, №5

93. Levelink H.G., Berg H.V. "Giesserei-Praxis", 1974, №11114. "British Foundrymen", 66,1973, №2

94. Аксенов П.Н., Трухов А.П., Кваша Ф.С. и др. в сб. «Научно-технический прогресс в автомобильной промышленности», М., МАМИ, 1976г.