Твердомер

 

Изобретение относится к определению механических характеристик материалов, в с частности к устройствам для измерения твердости. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения трения между кареткой и нажимным элементом . Ручной твердомер содержит корпус с опорной пятой и расположенные на нем грибок, шток с опорным кольцом, каретку-с индентором, датчики усилия и глубины, соединенные между собой пружинами, причем каретка и шток с опорным кольцом выполнены из отдельных, чередующихся и непосредственно не связанных между собой секторов, имеющих на нажимном элементе общую поверхность скольжения. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛ ЧИС МЧЕСКИХ

РЕСПЧЬЛИК

s G 01 N 3/42! ОСУДЛРСГВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕ)- ИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4832140/28 (22) 29,05.90 (46) 30.10.92. Бюл. N 40 (71) Опытный завод экспериментального и энергетического оборудования Научно-производственного обьединения "Энергия" (72) M.Á, Бакиров, Б.И. Грибов и А.П. Клименок (56) 1. Зая.вка ФРГ ¹ 2539661, кл. G 01 N 3/42, 1975.

2. Патент ФРГ N 2609628, кл. G 01 М 3/44, 1976. (54) ТВЕРДОМЕР (57) Изобретение относится к определению механических характеристик материалов, в

Изобретение относится к области исследования механических свойств материалов и может быть использовано для определения широкого набора характери- стик твердости сталей и сплавов изделий практически любой формы и размеров в ла- бораторных и промышленных условиях.

Известна конструкция ручного твердомера, содержащая корпус с опорной пятой, связанный пружиной с установленным на нем грибком. Внутри корпуса размещен шток с опорным кольцом. соединенный с грибком с помощью пружины.

Внутри штока с опорным кольцом установлена каретка с индентором, связанная с грибком датчиком усилия.

Недостатками этого технического решения являются ограниченные технологиче.ские возможности из-за одинаковой величины вдавливания, существенно ограничивающей диапазон измеряемой твердости, низкая точность измерения, т,к. известная конструкция не позволяет обес„„5U „„1772682 А1 частности к устройствам для измерения твердости. Цель изобретения — повышение точности измерений за счет уменьшения трения между кареткой и нажимным элементом. Ручной твердомер содержит корпус с опорной пятой и расположенные на нем грибок, шток с опорным кольцом, каретку с индентором, датчики усилия и глубины, соединенные между собой пружинами, причем каретка и шток с опорным кольцом выполнены из отдельных, чередующихся и непосредственно не связанных между собой секторов, имеющих на нажимном элементе общую поверхность скольжения, 4 ил, печить зависящее от оператора стабильное значение глубины вдавливания и не исклю-; Я чает влияния сил трения при перемещении индентора в опорном кольце на сигнал датчика усилия. Ф

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ручной пресс для испытаний на ; р р твердость, содержащий корпус с опорной пятой, связанный пружиной с установленным на нем грибком. Внутри корпуса размещен шток с опорным кольцом, соединенный с грибком с помощью пружины, а внутри штока с опорным кольцом установлена каретка с индентором, связанная с грибком пружиной. а со штоком с опорным кольцом датчиком глубины, Недостатками этого технического решения являются ограниченные технологические возможности из-за одинаковой . величины глубины вдавливания, существенно ограничивающей диапазон измеряемой твердости, низкая точность измерения, 1772682 большой разброс результатов измерений за счет сил трения между опорным кольцом и индентором, вилкой и цапфой, Целью изобретения является расширение технических возможностей устройства и повышение точности измерений, Указанная цель достигается тем, что в известном ручном прессе для испытаний на твердость в корпусе с пятой размещен нажимной элемент с установленным на нем грибком, подпружиненный в осевом направлении относительно корпуса с пятой.

Внутри нажимного элемента с возможностью осевого перемещения размещен шток с опорным кольцом, подпружиненный относительно грибка. Коаксиально штоку с опорным кольцом установлена .каретка с индентором, подпру>киненная относительно грибка. с размещенными на ней датчиками перемещения и нагрузки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый ручной твердомер отличается тем, что, с целью исключения взаимного влияния сил трения (скольжения и покоя) на показания датчиков перемещения и нагрузки, измеряющих глубину внедрения индентора и нагрузку, при перемещении друг относительно друга каретки с индентором и штока с опорным. кольцом и повышение таким образом точности измерений, в штоке с опорным кольцом выполнены продольные прорези. а в каретке с установленными на ней датчиками перемещения и нагрузки — радиальные выступы, размещенные в прорезях штока, непосредственно не связанные с друг другом и контактирующие с нажимйым элементом по общей поверхности, Таким образом заявляемый твердомер соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа,,что позволяет сделать вывод о соответствии критерию изобретения

"существенные отличия".

Работа прибора основана на фиксации текущей глубины отпечатка и нагрузки с помощью высокоточной индукционной или тензометрической системы контроля микроперемещений и усилий.

Ручной твердомер состоит из узла нагружения и электронного блока обработки результатов, выполненного в виде однокристальной 3В М. с последующим выводом результатов измерения на цифровой индикатор прибора.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 — общий вид твердомера; фиг, 2 — сечение А--А; фиг. 3 — сечение Б-Б; фиг. 4 — структурная схема электронного блока;

5 фиг. 5-диаграмма вдавливания в координатах "глубина-нагрузка"; фиг, 6 — схема определения величины значения лубины вдавливания индентора, Узел нэгружения содержит корпус 1 с

10 опорной пятой 2, устанавливаемой на исследуемую поверхность.

В корпусе 1, с возможностью осевого перемещения, pãçìåùåí нажимной элемент 4 с установленным на нем грибком 25

15 и подпружиненный относительно корпуса 1.

Внутри нажимного элемента установлен шток 9 с опорным кольцом 10. Коаксиально штоку с опорным кольцом установлена каретка 6 с датчиками нагрузки 7 и перемеще20 ния 8. При этом в штоке 9 выполнены продольные прорези 11, в которые входят радиальные выступы 12 каретки 6. Шток 9 и каретка 6 имеют общую с нажимным элементом 4 поверхность 13.

25 На штоке 14 датчика нагрузки закреплен индентор 15 и ограничитель перемещения 16, Шток датчика перемещения 8 связан со штоком 9 посредством перемычки 18. Каретка 6 подпружинена относительно грибка

30 25 пружиной 19, предназначенной для создания предварительной и измерительной нагрузки, а шток 9 подпружинен относительно грибка 25 пружиной 20, предназначенной для устранения возможных зазоров

35 в цепи измерения глубины вдавливания индентора и для расширения диапазона измерений датчика перемещений 8 путем использования его" положительной "и "отрицательной" областей. На каретке 6 и нажим40 ном элементе 4 выполнены буртики 21 и 22, предназначенные для ограничения из перемещений в корпусе 1. Нажимной элемент 4 имеет также буртик 23.

Между буртиком 23 и торцом 24 корпуса

45 1 в исходном положении грибка 25 образуется зазор 5, определяющий максимальную величину усилия на инденторе, зависящую от технических возможностей датчика нагрузки 7.

50, Предлагаемый ручной твердомер работает следующим образом, Охватывают рукой корпус 1. Прижимают опорную пяту 2 к исследуемой поверхности 3. Нажимают на грибок 25 и перемещают нажимной элемент

55 4 в сторону исследуемой поверхности 3. При этом сжимается пружина 5, Под действием пружины 19 и 20 вместе с нажимным элементом 4 перемещаются шток 9 и входящая е него с зазорами 11 каретка 6 по общей с нажимным элементом 4 поверхности 13.

1772682

5 t0

20

40

В момент касания опо„,íûì к,о".льцом 10 исследуемой поверхности 3 шток 9 останавливается и через перемычку 18 воздействует на шток 17 датчика перемещения 8, который выдает сигнал о величине пере ;ещения 1 каретки 6 относительно опорного кольца .10, причем исходный зазср между торцем опорного кольца 10 и вершиной индентора 15 характеризуется величиной 2, При дальнейшем движении каретки 6 индентор 15 внедряется в исследуемую поверхность 3 и воздействует через шток 14 на датчик нагрузки 7, который выдает сигнал о величине нагрузки Р на инденторе 15 и соответствующей ей величине перемещения 3 штока 14 датчика нагрузки 7.

Процесс внедрения заканчивается, когда буртик 23 нажимного элемента 4 упрется в торец 24 корпуса 1.

При достижении заданной величины предварительного нггружения,обеспечиваемой начальной деформацией пружины 19, буртик 22 отходит от нажимного элемента 4, Значения Л1, Л 2, ЛЗ, Р поступают в электронный блок обработки результатов, который преобразует механическое перемещение каретки 6 относительно опорного кольца 10, фиксируемое датчиком перемещения 8 и перемещение штока 14 датчика нагрузки 7 в пропорциональные электрические слгналы с последующим преобразованием их в двоичный код и пересчет в микропроцессорном устройстве в величину твердости измеряемого материала (см. фиг, 4). B. постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) электронного блока "зашивается" программа математической обработки электрических сигналов с датчиков перемещения и нагрузки.

B процессе нагружения, начиная с момента касания вершины индентора исследуемой поверхности происходит непрерывное считывание электрических сигналов с датчиков 7 и 8 в режиме реального времени.

Отмоделированный и усиленный сигнал с датчиков поступает в двухканальный ана;, лого-цифровой преобразователь "АЦП" с разрядностью не менее 10, где превращается в последовательность импульсов соответствующих пропорциональным электрическим сигналам с датчиков 7 и 8.

Отцифрованный сигнал с АЦП поступает в микро-3ВМ, где происходит преобразование кодированных сигналов по программе, хранящейся в ПЗУ. Эта программа предназначена для математической обработки диаграммы вдавливания в координатах: глубина вдавливания h — нагрузка на индентор Р(см. фиг. 5).

Причем, величина глубины вдавливания вычисляется по формуле:

h = k(Л1 — Л 2 — Л 3), где! — коэффициент, учитывающий деформации составных частей твердомера;

Л1 — величина перемещения каретки 6 относительно опорного кольца 10;

Л2 — величина исходного зазора между торцем опорного кольца 10 и вершиной инденторэ 15;

Л3 — величина перемещения штока 14 датчика нагрузки 7 (см. фиг. 6).

При обработке диаграммы вдавливания использу,от только участок 1-2-3; участок

0-1 до нагрузки P (около 1 кг) и соответствующий глубине вдавливания отбрасывается, т.к. несет искаженную информацию о процессе вдавливания, обусловленную: влиянием трения индентора об исследуемый материал, шероховатостью и локальным наклоном поверхности материала относительно оси индентора.

Из обработанной таким образом диаграммы вдавливания получают значе ния итоговой нагрузки Р = (Pk — Р1) и глубины вдавливания, соответствующей этой нагрузке h =. (hp — h>), при этом в расчет идет глубина hy, соответствующая итоговому времени выдержки под нагрузкой Р и выбираемая в соответствии с типом материала (так для сталей t = 3...5 сек; для меди 10...15 сек и т.д.).

Значения Р и h подставляются в формулу для расчета величины твердости Н:

Н= К 4P/k, где k — коэффициент формы индентора.

После окончания измерения снимают нагрузку с грибка 25 и под действием пружин составные части твердомера возвращаются в исходное положение.

Твердомер позволяет унифицировать процесс измерения и получить при одном цикле нагружения все стандартные значения твердости по Виккерсу НУ, Бринеллю

НВ, Роквеллу HRC..

Одновременно в памяти прибора может храниться до 100 текущих значений твердости с возможностью их последующей распечатки, Применение предлагаемой конструкции позволяет расширить технологические воэможности и повысить точность измерений, исключая разброс результатов измерений, т.к. позволяет обеспечить стабильные значения глубины вдавливания и исключает влияние сил трения, при перемещении каретки с индентором относительно штока с

1772602

Опорным кольцом, на показания датчиков перемещения и усилия.

Предлагаемое изобретение предполагается использовать для экспресс — анализа твердости деталей различной формы и размеров из широкого спектра марок сталей и сплавов, в лабораторных и промышленных условиях, Ориентировочный срок внедрения — IV квартал 1991 года

Величину экономического эффекта на данном этапе оценить не представляется

ВОЗМОЖНЫМ.

Формула изобретения

Твердомер, содержащий КОрпус с Опорной пятой, размещенный на нем грибо „установленные в корпусе коаксиально друг

5 другу шток с опорным кольцом, каретку с индеíTQðîì и подпружинеHHûé относительно корпуса в осевом направлеHèè нажимной элемент и связанные с кареткой датчик усилия и с штоком датчик перемеще10 ния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в штоке выполнены продольные прорези, а в каретке — радиальные выступы, размещенные в прорезях и контактирующие с нажимным элементом.

1772682

1772682

1772682

Составитель M.Áàêèðîâ

Техред M.Mîðãåíòàë КоРРектор Н.Тупица

Редактор

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

Заказ 3840 . Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5