Система для определения остаточных напряжений 1-го рода

 

Изобретение относится к устройствам для исследования качества поверхностей деталей машин и может быть применено в точном машиностроении и для научно-исследовательских работ. Цель изобретения - повышение точности определения остаточных напряжений 1-го рода путем учета изменения температуры образца и электролита в процессе травления. Система содержит электролитическую ванну 1 для травления образца 2, последовательно соединенные металлическую пластину 7, выполняющую роль катода, стабилизированный источник тока 5, приспособление 3 для механического крепления образца, устройство для перемешивания электролита, а также устройство для автоматизации записи кривой деформации образца в процессе электролитического травления, включающее пружинную пластину 4, жестко закрепленную одним концом на приспособлении 3 и имеющую другим концом подвижный контакт с исследуемым образцом 2, тензометрический мост 8, наклеенный на пружинную пластину 4, стабилизированный источник напряжения для питания тензометрического моста, усилитель 9 напряжения в измерительной диагонали тензометрического моста 8 и самописец 10 с каналом отметчика времени. К каналу отметчика времени самописца 10 подключен генератор 11 электрических колебаний. В частотозадающие цепи генератора 11 включен термочувствительный элемент 12, погруженный в электролит 6, причем термочувствительный элемент 12 прикреплен к лопасти 13 устройства для перемешивания электролита, расположенной в межэлектродном зазоре. Повышение точности определения остаточных напряжений 1-го рода достигается введением в данную систему генератора электрических колебаний и термочувствительного элемента. 6 ил., 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (я)5 С 25 F 7/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 ь"

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4684003/02 (22) 25.04.89 (46) 07.08.91. Бюл, М 29 (71) Институт сверхтвердых материалов АН

УССР (72) В;А,Ляшко, Ф.П.Смагленко и M.Ì.Ïîтемки н (53) 621.357.035 (088,8) (56) Технологические остаточные напряжения. Под ред. А.В.Подзея. М.: Машиностроение, 1973, с, 147 — 151.

Разработать и освоить на предприятиях

Минуглепрома УССР технологический процесс механической обработки направленных деталей и оборудования угольной промышленности, обеспечивающей повышение производительности в 1,3-1,4 раза:

Отчет ИСМ АН УССР по теме 1822, гос. рег.

М 01828061586, 1984, с. 34 — 38. (54) СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 1-ГО РОДА (57) Изобретение относится к устройствам для исследования качества поверхностей деталей машин и может быть применено в точном машиностроении и для научно-исследовательских работ. Цель изобретения— повышение точности определения остаточных напряжений 1-го рода путем учета изменения температуры образца и электролита в процессе травления. Система содержит электролитическую ванну 1 для травления образца 2, последовательно соединенные металлическую пластину 7, выполняющую роль катода, стабилизированный источник 5 тока, приспособление 3 для механического крепления образца, устройство для перемешивания электролита, а также устройство для автоматизации записи кривойдеформа1668493

2 табл.

10 ции образца в процессе электролитического травления, включающее пружинную пластину 4, жестко закрепленную одним концом на приспособлении 3 и имеющую другим концом подвижный контакт с исследуемым образцом 2. тензометрический мост 8,, наклеенный на пружинную пластину 4, стабилизированный источник напряжения для питания тензометрического моста, усилитель 9 напряжения в измерительной диагонали тензаметрического моста 8 и самописец 10 м каналом отметчика времени. К каналу отметчика времени самописца

Изобретение относится к устройствам для исследования качества поверхностей деталей машин и может быть применено в точном машиностроении и для научно-исследовательских работ.

Цель изобретения — повышение точности определения остаточных напряжений 1го рода путем учета изменения температуры образца и электролита в процессе травления. ,На фиг.1 показана общая схема системы; на фиг.2 — устройство для перемешивания электролита с укрепленным термочувствительным элементом; на фиг.3 — диаграммная лента самописца с записью кривой деформации и меток канала отметчиков времени; на фиг,4 — график зависимости деформации от времени; на фиг.5-график зависимости деформации от глубины травления; на фиг.6 — рафик, построенный на основании экспериментальных данных, на котором нанесены на температурные зоны значения длины меток канала отметчика времени и кривая деформации.

Система (фиг,1 и 2) состоит из ванны 1 для электролитического травления образца . 2, неподвижно укрепленного одним концом в приспособлении 3 для механического крепления и имеющего другим концом подвижный контакт с консольной частью пружинной пластины 4, основание которой жестко укреплено в приспособлении 3.

Злектролитическое травление образца 2 обеспечивается подключением его в электрическую цепь из последовательно соединенных стабилизированного источника 5 тока, приспособления 3, электролита 6 и металлической пластины 7, являющейся катодом.

Деформация образца 2 регистрируется устройством для автоматизации записи кри20

10 подключен генератор 11 электрических колебаний. В частотозадающие цепи генератора 11 включен термочувствительный элемент 12, погруженный в электролит 6, причем термочувствительный элемент 12 прикреплен к лопасти 13 устройства для перемешивания электролита, расположенной в межэлектродном зазоре. Повышение точности определения остаточных напряжений

1-го рода достигается введением в данную систему генератора электрических колебаний и термочувствительного элемента. 6 ил., вой деформации, включающим тензометрический мост 8, наклеенный на пружинную пластину 4, усилитель 9 напряжения в измерительной диагонали тензометрического моста, самописец 10, имеющий канал отметчика времени, к входу которого подключен генератор 11 электрических колебаний, а также стабилизированный источник напряжения для питания тензометрического моста (не показан), В частотозадающие цепи генератора 11 подключен термочувствительный элемент

12, прикрепленный к лопасти 13 устройства для перемешивания электролита, перемещающейся в межэлектродном зазоре.

Устройство для перемешивания электролита включает реверсивный электродвигатель 14 с электрическими цепями его управления, в которые включены концевые переключатели 15 и 16, резьбовой вал 17, укрепленный на выходном конце вала электродвигателя 14, и лопасть 13, перемещающуюся по резьбовому валу 17 вверх и вниз между двумя направляющими (не показаны) в межэлектродном зазоре.

Система работает следующим образом.

В начале работы в электролитическую ванну заливают электролит соответствующего химического состава. Исследуемый образец 2 устанавливают в приспособлении 3 так, чтобы обеспечить подвижный контакт с консольным концом пружинной пластины 4, причем части приспособления 3, погруженные в электролит, и образца 2, не подлежащие травлению, покрывают изоляционным материалом (например, лаком). После высыхания лака приспособление 3 с образцом 2 опускают в ванну 1, причем приспособление

3 и катод 7 ориентируют так, чтобы обеспечить свободное перемещение лопасти 13 между ними, 1668493

30 ток пера канала отметчика времени 35

45

Устанавливают концевые переключатели 15 и 16 так, чтобы обеспечить реверс электродвигателя 14 при достижении лопастью 13 верхней и нижней рабочих точек в межэлектродном зазоре. Включают электродвигатель 14.

Прогревают тензометрический мост 8, усилитель 9, самописец 10 и генератор 11 электрических колебаний до достижения стабильных температурных режимов, Стабилизированный источник 5 тока включают после того, как образец 2 и приспособление 3 достигнут температуры электролита, и начинают процесс травления, который контролируют визуально по диаграммной ленте самописца 10. Причем перо канала отметчика s âöåíè чертит метки, соответствующие опорной частоте генератора

11, определяемой температурой термочувствительного элемента.

В процессе травления лопасть 13 возвратно-поступательно перемещается между исследуемым образцом 2 и катодом 7, осущест;;ляя перемешивание электролита в ванне 1, Термочувствительный элемент 12, находящийся в постоянном тепловом контакте с электролитом, в процессе травления изменяет свою температуру в соответствии с колебаниями температуры электролита в межэлектродном зазоре, влияет на характеристики частотозадающих цепей генератора 11 электрических колебаний, вызывает изменение частоты генерируемых колебаний, а значит, изменяет расположение месамописца l0 (фиг.3).

Процесс электролитического травления осуществляют до тех пор, пока перо самописца 10 не начнет чертить прямую линию.

Зная температурную характеристику термочувствительного элемента 12, например характеристику температура — сопротивление для термосопротивления или путем тарировки генератора (т.е. построения характеристики температура электролита — частота генератора), по диаграммной записи самописца 10 (фиг.4) строят график деформация — глубина травления с учетом меток канала отметчика времени (фиг,5). Так как расположение меток канала отметчика зависит от температуры электролита, полученный график учитывает изменение скорости травления образца с изменением температуры электролита в процессе травления, а значит, обеспечивает повышение точности расчета остаточных напряжений 1-го рода в соответствии с расчетными формулами известных методик. Общая глубина стравленного слоя определяется по изменению массы образца. Оценка изменения температуры элект5

25 ролита осуществляется на основании изменения расстояния между метками канала отметчика времени, тарировочной характеристики генератора температура электролита — частота генератора путем измерения расстояния между метками самописца до начала травления и между всеми последующими и сопоставления полученных значений с тарировочным графиком.

Так как процесс травления происходит достаточно медленно, а электролит постоянно перемешивается, в электролитической ванне обеспечивается равномерный нагрев электролита и его тепловое равновесие с погруженным образцом, то при повышении температуры электролита температурные градиенты на поверхности образца можно считать пренебрежимо малыми, и его температурная деформация является равномерной по обьему.

Абсолютная величина температурной деформации определяется коэффйциентом линейного расширения материала образца . и в направлении деформации пружинной пластины с тензодатчиками может быть определена иэ формулы . где !0 — размер образца до начала травления; а — коэффициент линейного расширения;

Л о — приращение температуры электролита.

Таким образом, величина деформации образца, обусловленная только растравливанием поверхностного слоя, может быть определена как

y> =y — аЖ; где у1 — .величина деформации образца, обусловленная только растравливанием поверхностного слоя; у — величина деформации, зарегистрированнаяя самописцем (фиг.4).

Коэффициент линейного расширения является величиной порядка 10 5. Это позволяет оценить абсолютную величину температурной деформации образца размером

2 — 5 мм при нагреве его на 60 С как 1,2 — 3 мкм и рекомендовать оценивать эту составляющую деформации при существенных линейных размерах образцов и большом диапазоне изменения температуры электролита в процессе травления.

Известно, что п=Сге, "

1668493

hö =hр — 1 е" (2) где h — высота стравленного в единицу времени слоя;

С2 — коэффициент, величина которого определяется в зависимости от способа определения высоты стравленного слоя (взвешиванием или микрометрированием).

Если разбить график (фиг.4) на участки, между которыми происходит одинаковое приращение температуры электролита, то величина стравленного в единицу времени слоя на каждом из них определяется как

Ь-C2e -{1) ,kTi где i — комер участка. а приращение относительно предыдущего участка равно, |/h1 — 1 =еи(т -т) — 1 ) или

Суммирование по всем участкам разбивки с учетом времени травления, т.е. величина стравленного слоя, определяется как

) h=hr(tt+e " g ti), (3)

1=2

Где h1 — величина слоя, стравленного на первом участке разбивки в единицу времени;

bT — приращение температуры между участками разбивки;

h — число участков разбивки на графике;

t1 — длительность |-го участка разбивки.

Величину экспоненциального члена в(2) можно определить из уравнения е ко h — h1t1 1

h(t — t1 где t полное время травления при использовании в качестве первого для hi приближения любого числа, меньше чем h/t.

На следующем этапе проводят проверку точности расчетов на основе (2), просуммировав,, h) tt и получив расчетное

l =1 значение величины стравленного i-го слоя

h, Если расчетное значение Ь существенно отличается от измеренного, то расчеты повторяют итерационно, выбирая всякий раз уточненное значение h1.

Из (2) следует, что при разбивке графика деформаций на участки, изменение величины температуры между которыми одинако5

bo, нет необходимости определять абсолютное значение температуры электролита. Достаточно определить ее относительное изменение, Так как метки канала отметчика времени на ленте самописца регистрируют изменение температуры электролита в том же масштабе времени, что и кривую деформации образца, то перейти от графика (фиг.4) к графику (фиг.5) можно простым сопоставлением значений деформации образца (с ленты самописца и значений стравленного слоя, рассчитанных по формуле (2), соответствующих одной температуре.

В том случае, когда в данной системе используют генератор электрических колебаний, в котором возможна раздельная регулировка частоты следования колебаний и их длительности, термачувствительный элемент можно устанавливать как в цепи регулировки частоты, так и в цепи регулировки длительности колебаний, Во втором случае изменение температуры электролита в межэлектродном зазоре будет вызывать изменение длительности генерируемых колебаний, что также обеспечивает повышение точности определения остаточных напряжений 1-ro рода.

Данная система была реализована на основе известного устройства для определения остаточных напряжений 1-ro рода. В качестве источника тока для электролитического травления используют стабилизатор постоянного тока П138.

Измерительный мост состоит из двух тензореэисторов типа 2ПКП-20-100ГА (сопротивлением по 100 Ом), наклеенных на пружинную пластину, и двух сопротивлений по 100 Ом, B качестве самописца используют самопишущий быстродействующий прибор Р327-1, К входу канала левого отметчика времени самописца Р327-1 подключают высокочувствительное поляризованное реле

РП-4, отрегулированное так, чтобы обеспечить замыкание необходимой пары контактов под управлением генератора электрических колебаний. Указанный генератор модернизирован путем установки в цепь, задающую длину импульса, вместо постоянного сопротивления последовательно соединенных термочувствительного резистора типа Т8М, изменяющего свое сопротивление от 4 до 2 кОм при повышении температуры окружающей среды от 20 до

40 С и постоянного сопротивления 1,5 кОм.

Устройство для перемешивания электролита выполнено на базе реверсивного электродвигателя. РД-09 с редукцией 1/478, обеспечивающей вращение резьбового вала диаметром 10 мм (шаг резьбы 1,5 мм) со скоростью 2,5 об/мин, что соответствует ли1668493

ЛР. а а Ыр Ла Ni

40 где h P — потеря веса образца в процессе травления;

Ь вЂ” ширина образца; а — глубина стравленного слоя; 45

1 — длина рабочей части образца;

N — длина графика травления в делениях самописца;

ha- скорость травления образца, мм/дел; 50

p — плотность, В данном случае ЛР = 0,1759 г; Ь = 6,7 мм; I =27,25 мм;р =0,00448 г/мм; N = 10, откуда

55 а = 0215 мм, Л а = 0,0215 мм/дел. нейной скорости возвратно-поступательного перемещения лопасти 5,75 мм/мин. Конструктивная ширина лопасти составляет 5 мм, что достаточно для надежного крепления термосопротивления генератора элект- 5 рических колебаний.

В качестве конкретного примера использования системы рассмотрим расчет остаточных напряжений 1-го рода в образце пластинчатай формы размерами 32 6,7 3,3 10 мм из титана ВТ6 после шлифования.

В этом случае модуль упругости равен

12500 кгlмм, плотность 4,48 г/см, длина рабочей части образца при травлении (т.е. не покрытая лаком) 27,25 мм. При этом ис- 15 пользуется электролит следующего состава:

100 мл дистиллированной воды, 8 г хромоаого ангидрида, 20 r поваренной соли, 20 r бромистого калия, 10 мл этилового спирта.

Материал катода — нержавеющая сталь, 20 плотность тока 45 А/дм .

В процессе травления температура электролита дополнительно контролируется ртутным термометром, зарегистрируется ее изменение от 20 до 41 С. Температурная 25 деформация образца не учитывается ввиду его малых линейных размеров и небольшого диапазона изменения температуры.

Величина деформации образца, координаты опорных точек графика и длина ме- 30 ток канала отметчика времени приведены в табл.1.

Коэффициент чувствительности системы регистрации деформации hf= 0,00027 мм/дел, Скорость травления образца, рас- 35 считанная из предположения равномерности травления, определяется ho формуле

Величина остаточных напряжений рассчитывается по программе на 3ВМ. Результаты расчетов сведены в табл.2.

При расчете остаточных напряжений с использованием предлагаемого прибора на основании таблицы экспериментальных данных строят график (фиг.6), на котором наносят разметки на температурные эоны, значения температуры в каждой зоне, значения длины меток канала отметчика времени и кривая деформации у.

В соответствии с (2) и (4) методом последовательных приближений для h> получают значение 0,014 и е < = 1,22.

Тогда по формуле (2) скорость травления в каждой зоне равна h2 = 0,017 ммlмин;

Ьз" 0,021 мм/мин; h4 = 0,025 мм/мин, Величина слоя, стравленного в пределах каждой температурной эоны, равна

t1-h ) = 0,014 мм; t2-h2 = 0,017 мм; сз-Ьз = 0,084 мм; t4-h4 = 0,1 мм, Расчет остаточных напряжений проводится по той же программе.

Сопоставление данных табл.2 показывает, что точность определения остаточных напряжений в данной системе выше по сравнению с известной на 25 (на примере точки, лежащей на глубине 0,004 мм), причем повышение точности достигается для части образца, наиболее важной с точки зрения условий эксплуатации — приповерхностной зоне.

Формула изобретения

Система для определения остаточных напряжений 1-го рода, содержащая электролитическую ванну для травления образца с электролитом, последовательно соединенные катод в виде металлической пластины, стабилизированный источник тока, приспособление для крепления образца, устройство для перемешивания электролита с лопастью и устройство для автоматизации записи кривой деформации образца е процессе электролитического травления, включающее пружинную пластину, жестко закрепленную одним концом на приспособлении для механического крепления образца, тензометрический мост, смонтированный на пружинной пластине, стабилизированный источник напряжения для питания тензометрического моста, усилитель напряжения и самописец с каналом отметчика времени, отличающаяся тем, что с целью повышения точности определения остаточных напряжений 1-го рода путем учета изменения температуры образца и электролита в процессе травления, она снабжена генератором электрических колебаний и термочувствительным элементом, причем к каналу отметчика времени само1668493

Таблица 1

Таблица 2 писца подключен генератор электрических колебаний, соединенный с термочувствительным элементом, расположенным в ванне, причем термочувствительный элемент б прикреплен к лопасти устройства для перемешивания электролита, расположенной в межэлектродном зазоре.

1668493

1 мкм

1668493

Составитель С. Пономарева

Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Редактор А. Козориз

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2631 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР l 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5