Измерительная головка к твердомеру бринелля для регистрации нагрузки и глубины вдавливания

Изобретение относится к области испытания материалов на механическую прочность. Измерительная головка включает корпус, динамометр, толкатель, заглушку, наконечник с шаровым индентором, обойму, измерительную балку, измерительный стержень и тензометрические датчики, регистрирующие нагружающую силу и глубину вдавливания шара. Измерение глубины внедрения шарового индентора для сокращения размерной цепи и снижения погрешности производится относительно поверхности образца через неподвижную обойму с закрепленной на ней измерительной балкой, измерительный стержень, проходящий в отверстие наконечника и прижатый к верхней точке шарового индентора. Технический результат: снижение погрешности измерения. 8 ил.

 

Изобретение относится к области испытания материалов на механическую прочность и может быть использовано для оценки механических свойств материалов без изготовления образцов стандартных размеров.

В качестве аналогов были выбраны устройства МЭИ-Т10А и ПИТМ-ДВ02.

Прибор МЭИ-Т10А предназначен для автоматической записи диаграммы твердости в упругой и пластической областях по результатам измерения глубины лунки. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. - Машиностроение, 1979 г., стр.162-166. На фиг.1 представлена кинематическая схема этого прибора: 1 - стол, 2 - ножка, 3 - силовой рычаг, 4 - пружина, 5 - шар, 6 - подвижный шток индикатора часового типа, 7 - толкатель, 8 - коромысло, 9 - грузовой винт, 10 - скоба, 11 - упор, 12 - исследуемый образец, 13 - пружина, 14 - опоры, 15 - рамка, 16 - подвижный шток измерителя глубины, 17 - измеритель глубины, 18 - прижимы, 19 - шарнир.

Прибор измеряет глубину внедрения индентора (5) по отношению к опорной (одновременно и базовой) поверхности образца (12). Для этого он использует скобу (10), шарнирно закрепленную на столе (1). В верхней части скобы (10) закреплен фотоэлектрический датчик (17) с подвижной рамкой (15), контролирующей перемещение боковых точек шарового индентора (5) в вертикальном направлении, в нижней части скобы имеется упор (11), неподвижный по отношению к ней во время измерения

Глубина внедрения измеряется с помощью фотоэлектрического датчика (17), выполненного из оптикатора, у которого вместо стрелки закреплен диск. В диске по периферии проделаны отверстия. При повороте диска фотоэлектрический импульсный датчик регистрирует импульсы пропорционально углу поворота. На фиг.2 изображена часть прибора, ответственная за измерение глубины внедрения шарового индентора (5) в образец (12). Размерная цепь складывается из следующих звеньев: A₁ - расстояние от места закрепления шара до стола, А₂ - высота исследуемого образца, А₃ - расстояние от крепления шара до его нижней точки, х1 - глубина внедрения, которую можно рассчитать по формуле:

x₁=А₁-А₂-А₃.

При этом погрешность измерения будет складываться из отклонений размеров деталей, Δx₁=ΔA₁+ΔA₂+ΔА₃, возникающих в процессе изменения нагрузки от нулевого до максимального значений. Рассматриваемая конструкция дает минимальную погрешность измерения глубины внедрения индентора. Изменение зазора между образцом (12) и столом (1) под нагрузкой компенсируется за счет поворота скобы (10) относительно шарнира (19).

К недостаткам прибора можно отнести то, что в измеряемую глубину вдавливания входит величина упругой деформации сжатия образца по толщине, а эта величина зависит от высоты образцов и является систематической погрешностью при определении глубины внедрения от поверхности, в которую производится вдавливание. Также к недостаткам можно отнести то, что прибор рассчитан на испытание образцов небольших размеров, которые могут разместиться в весьма ограниченном пространстве на столе (1) прибора между силовым рычагом (3), скобой (10) и ножкой (2).

Прибор ПИТМ-ДВ02 (фиг.3) предназначен для неразрушающего экспресс-определения характеристик твердости, прочности и пластичности материалов по непрерывным диаграммам упругопластического вдавливания («Заводская лаборатория. Диагностика материалов» № 1, 2003, стр.41-45). Работа прибора основана на регистрации в реальном масштабе времени процесса локального упругопластического деформирования материала в виде диаграмм в координатах «нагрузка-перемещение», «нагрузка-время» и «перемещение-время» при непрерывном вдавливании индентора.

Прибор состоит из следующих элементов: основания (20), двух колонн (21), траверсы (22) с силовым цилиндром (28), на толкателе (27) которого закреплена измерительная головка (23), упирающаяся своим щупом (25) в траверсу (22). На конце толкателя закреплен шаровой индентор (26).

Размерная цепь измерения складывается из следующих звеньев: А₄ - расстояние от траверсы до основания, А₅ - расстояние от уступа толкателя до траверсы, А₆ - расстояние от уступа толкателя до верхней точки шара, А₇ - диаметр шарового индентора, А₈ - высота образца. Глубина вдавливания индентора рассчитывается по формуле:

x₂=А₄-А₅-А₆-А₇-А₈.

Общая погрешность измерений x₂ складывается из отклонений размеров за счет деформации элементов конструкции:

Δx₂=ΔА₄+ΔА₅+ΔА₆+ΔА₇+ΔА₈

Величины A₆ и A₇ в процессе испытаний при росте нагрузки от нулевого до максимального значений изменяют свои размеры незначительно, следовательно, ΔА₆ и ΔА₇ не вносят большого вклада в общую величину погрешности измерения. A₈ - высота образца, изменяющаяся под нагрузкой, и поэтому величина ΔА₈ вносит ощутимый вклад в величину погрешности измерения глубины вдавливания шара от поверхности образца, А₅ - величина, измеряемая датчиком, поэтому погрешность ΔА₅ можно считать минимальной. Максимальный вклад в формирование величины погрешности вносит ΔА₄, так как размер А₄ значительно изменяется вследствие прогибов основания и траверсы под нагрузкой.

К недостаткам прибора можно отнести то, что в процессе испытания элементы размерной цепи А₄, А₅, A₆, A₇, A₈ могут изменять свои размеры по нелинейному закону от величины нагрузки (для контактных пар «образец-основание» и «колонна-траверса»). Это вносит нелинейную погрешность в результаты измерений глубины внедрения индентора. Кроме того, возможности прибора ограничены размерами пространства между основанием и траверсой с одной стороны и между колоннами с другой.

В качестве прототипа выбран прибор SSM-1000, предназначенный для измерения механических свойств материалов неразрушающим методом вдавливания индентора с креплением магнитной скобой на испытываемом образце (трубопроводе). Общий вид устройства представлен на фиг.4. Прибор состоит из нагружающего механизма, скобы крепления датчика перемещения (35), датчика перемещения (34), толкателя нагружающего механизма (33), патрона (32), магнитной скобы (31) и индентора в виде цилиндрического стержня с шаровой поверхностью на конце (30), и образца (29). Рассмотрим ту часть прибора, которая отвечает за измерение глубины погружения индентора в материал (фиг.5). Для построения диаграммы сила - глубина вдавливания и определения таких важных характеристик материала, как предел пропорциональности и предел текучести, необходимо с максимальной точностью определять глубину вдавливания индентора в каждый момент времени для соответствующей нагрузки:

X₃=(A₁₃+A₁₂+A₁₁)-(A₁₀+A₉),

где x₃ - глубина вдавливания индентора,

А₉ - высота опорной призмы с магнитным устройством для закрепления (находится под нагрузкой),

А₁₀ - расстояние от клеммы крепления датчика перемещения до верхней поверхности опорной магнитной призмы (изменение этого размера отслеживается датчиком перемещения(34),

A₁₁ - размер части толкателя нагружающего устройства,

А₁₂ - размер от торца толкателя нагружающего устройства(33) до поверхности патрона (30), в которую упирается индентор (30),

А₁₃ - длина индентора.

Оценка погрешности измерения составляет:

Δх₃=ΔА₉+ΔА₁₀+ΔА₁₁+ΔА₁₂+ΔА₁₃,

где - ΔА₉, ΔА₁₀, ΔА₁₁ ΔА₁₂, ΔА₁₃ - отклонения размеров за счет деформации соответствующих деталей конструкции в процессе проведения испытания образца.

К недостаткам прибора можно отнести протяженную размерную цепь прибора, некоторые элементы которой (А₉, A₁₂, А₁₃) нелинейно зависят от нагрузок, возникающих при вдавливании индентора, поскольку включают в себя зазоры между образцом и магнитной скобой (А₉), зазоры в коническом хвостовике патрона и толкателя (А₁₂) и зазор между патроном и индентором (A₁₃). Вследствие этого значительно снижается точность измерения глубины вдавливания индентора по отношению к поверхности испытываемого образца (трубопровода).

Рассмотрим предлагаемый нами прибор: измерительную головку к твердомеру Бринелля для регистрации нагрузки и глубины вдавливания. Аксонометрический вид измерительной системы представлен на фиг.6.

Сущность изобретения выражается в том, что выбранная схема измерения глубины внедрения шарового индентора с использованием специальной детали - обоймы, прижатой к образцу, с закрепленными на ней датчиком перемещения и измерительного стержня, упирающегося в непосредственно в шаровой индентор, позволяет устранить погрешности измерений, свойственные прототипу (SSM-1000).

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существующими отличительными признаками в заявленном приборе, и признать заявленное решение соответствующим критерию «существенные отличия».

Измерительная головка состоит из корпуса (43), динамометра (45) с тензодатчиками сопротивления (48), толкателя (46), который устанавливается на приборе Бринелля вместо стандартного индентора, центрирующего шара (49) для передачи нагрузки от толкателя к динамометру строго по оси прибора, заглушки (44), наконечника (39), шарового индентора (38). В осевое отверстие наконечника (39) установлен измерительный стержень (40), упирающийся в шаровой индентор (38). На корпус по скользящей посадке устанавливается обойма (42). В пазу обоймы винтом закреплен датчик перемещений в виде измерительной балки с наклеенными тензодатчиками сопротивления. На конце измерительной балки выполнено углубление для фиксации положения заостренного конца измерительного стержня. Для доступа измерительной балки к измерительному стержню в корпусе выполнены овальные вырезы. Нагрузка передается от прибора Бринелля через толкатель (46), центрирующий шар (49), динамометр (45), корпус (43), заглушку (44) и наконечник (39) на шаровой индентор (38), который внедряется в испытываемый образец (37).

Измерение вертикального перемещения шарового индентора (38) относительно участка поверхности образца (37) расположенного на некотором удалении от места внедрения, производится через обойму (42), плотно прижатую к образцу (37), измерительный стержень (40), посредством тензодатчиков сопротивления (47) наклеенных на измерительной балке (41).

Устройство действует следующим образом. Толкатель (46) устанавливают в твердомер Бринелля (фиг.8, поз.50) вместо стандартного наконечника и закрепляют винтами. На предметный стол прибора (51) помещают образец (37), и измерительную головку (52) подводят к толкателю (46) при помощи установочного винта (52) и прижимают обойму (42) с образцом (37) к столу (51) при помощи зажимных приспособлений (не показанных на фиг.8). Далее включают нагружающее устройство прибора Бринелля и регистрируют процесс внедрения индентора при помощи двухкоординатного потенциометра с записью диаграммы «нагрузка-глубина вдавливания». При нагружении обойма остается неподвижной относительно верхней поверхности образца (37). Шаровой индентор (38) погружается в образец, за ним следует измерительный стержень (40). Перемещение верхнего конца стержня регистрируется измерительной балкой (41), закрепленный конец которой неподвижен по отношению к верхней поверхности образца (37), поскольку закреплен на неподвижной обойме (42). На фиг.7 показана нижняя часть прибора, принимающая непосредственное участие в измерении глубины вдавливания индентора.

Глубина вдавливания шара определяется из размерной цепи (фиг.7):

x₄=(A₁₄+A₁₅)-(A₁₆+A₁₇),

где x₄ - глубина вдавливания шара,

A₁₄ - размер шара, изменяющийся под нагрузкой вдавливания,

A₁₅ - размер измерительного стержня, находящегося под нагрузкой только от изогнутой измерительной балки (˜10-20 Н),

A₁₆ - размер, изменение которого отслеживается измерительной балкой с приклеенными тензодатчиками сопротивления,

A₁₇ - высота обоймы, упирающейся в испытываемую деталь и находящейся под постоянной нагрузкой, необходимой для замыкания контакта и не изменяющейся во время испытания образца (˜30-40 Н).

Оценка погрешности измерения составит:

Δx₄=ΔA₁₄+ΔA₁₅+ΔA₁₆+ΔA₁₇,

где величины A₁₅ и A₁₇, очевидно, изменяются незначительно ΔА₁₅≈ΔА≈0 вследствие постоянства действующих нагрузок на эти элементы. Погрешность измерения будет складываться только из величин ΔА₁₄ (изменение размера шара под действием нагрузки вдавливания) и ΔА₁₆(погрешности измерения перемещения при помощи измерительной балки).

Техническим результатом является снижение погрешности измерения глубины вдавливания индентора относительно поверхности образца.

Установка измерительной головки в твердомер Бринелля несколько уменьшает по высоте рабочее пространство для размещения испытываемых образцов или деталей, но оно остается достаточным для испытания даже крупногабаритных деталей за счет большого хода установочного винта предметного стола и свободного доступа с трех сторон.

Для определения механических свойств по диаграмме «нагрузка - глубина вдавливания индентора» можно использовать зависимости, изложенные в литературных источниках [1], [2] и [3].

Источники информации

1. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. - Машиностроение, 1979 г., стр.162-166.

2. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. № 1, 2003, стр.41-45.

3. www.atc-ssm.com/PDF/IPC04-0357.pdf.

Измерительная головка, включающая в себя корпус, динамометр, толкатель, заглушку, наконечник с шаровым индентором, обойму, измерительную балку, измерительный стержень и тензометрические датчики, регистрирующие нагружающую силу и глубину вдавливания шара, отличающаяся тем, что для сокращения размерной цепи и снижения погрешности измерения глубины внедрения шарового индентора оно производится относительно поверхности образца через неподвижную обойму с закрепленной на ней измерительной балкой, измерительный стержень, проходящий в отверстие наконечника и прижатый к верхней точке шарового индентора.