Способ контроля твердости и устройство для его осуществления

Предложенная группа изобретений относится к средствам для контроля твердости материалов самых разных классов. Указанные изобретения обеспечивают возможность контролировать твердость материалов, которые в принципе не могут сохранять отпечаток после снятия нагрузки с индентора, например резин, некоторых видов пластмасс, древесин и композиционных материалов и т.д. Предложенный способ контроля твердости заключается в том, что в испытуемый образец вдавливают с постоянной скоростью активный наконечник индентора на фиксированную глубину, равную высоте его активного наконечника, которая равна высоте участка подъема на кулачке, а для нагружения индентора используют вращающий момент электродвигателя, взаимодействующий с кулачком, при этом контролируют мощность, развиваемую электродвигателем, по которой судят о твердости испытуемого образца. Устройство для контроля твердости содержит электродвигатель, кинематически связанный с электродвигателем кулачок с прямолинейным участком подъема на рабочей поверхности, и взаимодействующий с кулачком индентор с активным наконечником, а также опорный столик для испытуемого образца, дополнительно введено устройство контроля мощности электродвигателя с функцией исключения совокупной мощности потерь, на рабочей поверхности кулачка имеется прямолинейный участок снижения, высота участка подъема на кулачке равна высоте активного наконечника индентора, между участками подъема и снижения на кулачке имеется участок стабильного уровня. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Заявленный способ и устройство могут быть использованы для контроля твердости широкого спектра материалов - пластмасс, резин, картона, древесины, композиционных материалов, асбестоцемента, гибсобетона, гетинакса, текстолита, металлов и др.

Известны различные способы контроля твердости, например способ Бринелля, описанный в изд. «Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Бринеллю. ГОСТ 9012-59», Москва, 1985 г.

Известен также способ контроля твердости Виккерса, описанный в изд. «Металлы. Метод измерения твердости алмазной пирамидой по Виккерсу. ГОСТ 2999-75», Москва, 1977 г.

Известен и способ контроля твердости Роквелла, описанный в изд. «Металлы. Измерение твердости по Роквеллу. ГОСТ 9013-59», Москва, 1971 г.

В указанных способах стальной шарик, алмазная четырехгранная пирамида или алмазный конус соответственно вдавливаются заданной силой в тело испытуемого образца. После этого производят обмер полученного отпечатка (лунки) и далее по соответствующим формулам производят определение числа твердости. В этих измерениях параметров отпечатков (с применением микроскопа или др. технически сложных средств), а также в последующих расчетах заключается первое неудобство известных способов.

Второй недостаток упомянутых способов состоит в том, что все они в принципе не пригодны для контроля твердости таких материалов, которые после снятия нагрузки с индентора немедленно полностью (или частично) утрачивают отпечаток (лунку). К таким материалам относятся все виды технических резин, многие виды пластмасс, древесные материалы и др. Известен также способ контроля твердости методом вдавливания индентора в тело испытуемого образца вращающим моментом электропривода, например способ, реализованный в устройстве по авт. свид. СССР №896504 от 20.12.78 г.; кл. G01N 3/42.

По реализованному в этом устройстве способу контроля твердости индентор 5 вдавливают в испытуемый образец 7 вращающим моментом электродвигателя 4 посредством клиновидного механизма 3. По этому способу в зависимости от ожидаемой твердости образца задают скорость внедрения индентора в образец. А клиновидный механизм 3 обеспечивает постоянство (линейность) скорости внедрения индентора.

Недостаток способа, реализованного в этом устройстве, также состоит в неудобстве обработки результатов испытаний - последующий обмер отпечатка и расчеты.

Аналогичный способ контроля твердости реализован и в устройстве по авт. свид. СССР №193768 от 29.01.65 г.; кл. G01N 3/42. В этом устройстве (способе) индентор 4 вдавливают в испытуемый образец с использованием вращающего момента электродвигателя 1 по кинематической цепи: телескопический вал 8 - кулачок 6 - рычаг 5 - индентор 4

Недостаток способа, реализованного в этом устройстве, заключается также в неудобстве обработки результатов испытаний - последующий обмер отпечатка в образце и расчеты.

Из устройств, реализующих указанный способ контроля твердости, следует указать также на пат. Франции №80.17144 от 1 авг.1980 г., кл. G01N 3/42. В этом устройстве (фиг.1) электродвигатель 7 через кулачок 6 и цилиндрическую пружину 4 взаимодействует с индентором 2. Вращающим моментом электродвигателя 7 сжимают и отпускают пружину 4, которая вдавливает индентор 2 в образец 1.

Недостаток этого способа (устройства) - тот же, что и у упомянутых выше - это необходимость обмерять отпечаток в образце и выполнять последующие расчеты.

Тот же способ контроля твердости использован и в устройстве, описанном в пат. Англии №2.243.920 от 27.03.91 г.; кл. G01N 3/40. В этом устройстве электродвигателем 89 вращают кулачок - эксцентрик 87, который через рычаг 83 нагружает индентор. Продолжительность работы электродвигателя 89 в каждом цикле управляется посредством реле времени 71.

Недостаток реализованного способа в этом устройстве - это необходимость производить обмер отпечатка в образце и выполнять последующие расчеты.

В ряду способов-аналогов следует отметить и пат. ФРГ №3128537 от 18.07.81 г.; кл. G01N 3/42. По реализованному в этом устройстве способу электроприводом 1 вращают кулачок 2, который взаимодействует с одним из плеч рычага 4. Другое плечо рычага 4 нагружает индентор 11.

Недостаток этого способа - тот же. Это необходимость делать обмер отпечатка в образце и выполнять последующие расчеты.

Может быть отмечен и способ, реализованный в пат. США №3.485.090 от 17.11.66 г.; кл. 73-81. По этому патенту нагружение индентора осуществляют вращающим моментом электропривода путем прижима электродвигателем 2 столика 23 с образцом 24 к индентору 27. Величину перемещения столика 23 контролируют датчиком 9.

Все перечисленные способы-аналоги контроля твердости, реализованные в рассмотренных устройствах, по составу признаков практически равноудалены от заявленного способа и имеют одни и те же общие для всех недостатки.

Наиболее близкими аналогами могут быть признаны способ и устройство по упомянутому выше авт. свид. СССР №896504 от 20.12.78 г., кл. G01N 3/42, которые принимаются за прототипы.

Сущность заявленного способа заключается в том, что о твердости испытуемого образца судят по мощности электропривода, которую он развивает при вдавливании наконечника индентора в испытуемый образец в течение фиксированного времени на фиксированную глубину, равную высоте этого наконечника. При этом регистрируют только чистую мощность вдавливания, исключая совокупную мощность потерь всех видов, всегда сопутствующих полезной работе электропривода.

Сущность заявленного устройства для осуществления предложенного способа заключается в том, что к электроприводу подключено устройство контроля мощности, вращаемый электроприводом кулачок взаимодействует с индентором, имеющим активный наконечник. Кулачок имеет на рабочей поверхности три участка - подъема, спада и стабильного уровня. При этом высота участка подъема на кулачке равна высоте активного наконечника индентора.

На фиг.1 показан пример выполнения устройства, в котором реализован заявленный способ контроля твердости.

На фиг.2 показана круговая развертка кулачка.

На фиг.3 показан пример выполнения устройства контроля мощности, позволяющего фиксировать чистую (полезную) мощность электропривода при вдавливании наконечника индентора и отделять совокупную мощность потерь всех видов.

На фиг.1 трехфазный асинхронный электродвигатель 1 через понижающий обороты редуктор 2 связан с кулачком 3, который взаимодействует с индентором 4, имеющим активный наконечник 5, выполненный, например, в форме конуса (пирамиды или сферы).

Высота Н наконечника может быть равной, например, 3 мм. Индентор подпружинен к кулачку 3 цилиндрической пружиной 6. На опорном столике 7, который может подниматься и опускаться (механизм не показан), зафиксирован испытуемый образец 8. К электроприводу 1 подключено устройство контроля мощности 9.

На фиг.2 кулачок 3 имеет на рабочей поверхности прямолинейный участок подъема АВ, прямолинейный участок снижения АС и участок стабильного уровня ВС. Высота Н участка подъема АВ равна высоте Н активного наконечника 5 индентора 4. Длина участка подъема по дуге - 270°, участков снижения и стабильного уровня - по 45°.

Участок подъема АВ предназначен для осуществления вдавливания индентора 4 в образец 8, участок снижения AC - для выхода индентора из тела образца 8, участок стабильного уровня ВС - для настройки устройства на момент касания наконечника 5 индентора с образцом 8.

На фиг.3 электрическая схема устройства контроля мощности 9 содержит два понижающих трансформатора напряжения 10 и 11, два трансформатора тока 12 и 13 с тремя обмотками каждый - первичной 14 и 15, вторичной 16 и 17, компенсационной 18 и 19. Первичные обмотки 14 и 15 включены последовательно в две линии Ua и Uc питания трехфазного электродвигателя 1. Вторичные обмотки 16 и 17 подключены к токовым входам Ja и Jc ваттметра 20, а компенсационные обмотки 18 и 19 подключены по вторичным обмоткам понижающих трансформаторов напряжения 10 и 11 через реостаты 21 и 22. Реостаты 21 и 22 кинематически связаны 23 друг с другом и имеют одну общую ручку регулировки.

В качестве ваттметра 20 в устройстве контроля мощности 9 может быть использован любой промышленный трехфазный ваттметр электронной системы, например ваттметр мод. Ц301-1 ТУ 25-04-ОПВ. 533.094-84.

КОНТРОЛЬ ТВЕРДОСТИ

Перед началом измерения определяют совокупную мощность потерь в устройстве контроля твердости, для чего делают 1-2 холостых цикла. При этом электропривод 1 через понижающий редуктор 2 приводит во вращение кулачок 3, который отжимает вниз индентор 4. При этом устройство 9 фиксирует мощность холостого хода устройства контроля твердости, которая слагается из следующих компонентов:

- потери на трение во всей кинематической цепи устройства (трение в редукторе 2, трение в паре кулачок 3 - индентор 4, трение в подшипниках всех опор, включая и подшипники самого электродвигателя 1, сопротивление пружины 6 сжатию);

- потери на преодоление сопротивления воздуха всем вращающимся элементам устройства, включая вращающийся ротор электродвигателя;

- потери на вихревые токи и гистерезис в магнитопроводе электродвигателя;

- потери омические в обмотках и проводах электродвигателя и др.

Как известно, совокупные потери мощности холостого хода одного только электродвигателя составляют 30-50% и более от номинальной мощности электродвигателя, а потери всего устройства в целом - еще более. Ручкой регулировки (резисторы 21 и 22) устройства 9 показания мощности холостого хода компенсируют и показывающее цифровое табло (или стрелку) устройства 9 устанавливают в нуль.

После этого на опорный столик 7 устанавливают образец 8, который вводят в легкое соприкосновение с наконечником 5 на участке ВС кулачка 3 - подъемом и опусканием столика 7. После этого запускают рабочий цикл устройства.

Продолжительность цикла, т.е. полный оборот кулачка 3, фиксирован по времени и составляет, например, 60 сек. Линейность подъема рабочей поверхности кулачка 3 обеспечивает постоянство скорости погружения индентора в образец. По мере погружения наконечника 5 в образец 8 показания устройства 9 вновь нарастают от нуля и достигают максимального значения при полном вдавливании наконечника 5 в образец 8. При этом устройство 9 показывает максимальную мощность, развиваемую электродвигателем 1, которая в данном случае является чистой мощностью вдавливания наконечника индентора в испытуемый образец.

Чистая мощность вдавливания не зависит ни от от марки электродвигателя, ни от его номинальной мощности, ни от его номинальной частоты вращения. На величину чистой мощности вдавливания наконечника определенное влияние имеют некоторые конкретные конструктивные параметры устройства (форма и размер наконечника, продолжительность цикла и др.). Но эти параметры являются фактором постоянным, неизменным для всех выполняемых измерений и, как и при любом способе, не влияют на соотношение результатов измерения твердости разных образцов.

РАБОТА УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МОЩНОСТИ 9

При включении электродвигателя 1 в холостом цикле (т.е. без испытуемого образца 8) механизм устройства приводится в движение и по первичным обмоткам 14 и 15 трансформаторов тока 12 и 13 протекает ток холостого хода. Ваттметр 20 фиксирует мощность суммарных потерь холостого хода. Реостатами 21 и 22 устанавливают силу тока в компенсационных обмотках 18 и 19 равной силе тока в первичных обмотках 14 и 15. Фаза тока в компенсационных обмотках 18 и 19 перевернута на 180° по отношению к фазе тока в первичных обмотках 14 и 15. Токи в первичных обмотках 14 и 15 и компенсационных обмотках 18 и 19 оказываются равными по величине и противоположными по фазе. Оба этих тока одновременно наводят ЭДС (ток) во вторичных обмотках 16 и 17. При равенстве токов в обмотках 14 и 18 и 15 и 19 токи в обмотках 16 и 17 становятся равными нулю и показания ваттметра 20, соответственно, устанавливаются равными нулю. Устройство 9 оказывается сбалансированным.

Во время рабочего цикла, когда в испытуемый образец 8 вдавливается наконечник 5 индентора 4, токи в обмотках 14 и 15 возрастают и наведенные токи в обмотках 16 и 17 соответственно также возрастают. И чем глубже погружается наконечник 5 в образец 8, тем более увеличивается механическая нагрузка на электродвигатель 1 и тем более увеличиваются токи в обмотках 14 и 15 и, как следствие, увеличиваются токи в обмотках 16 и 17.

При этом соответственно нарастают и показания ваттметра 20. При максимальном погружении наконечника 5 в образец 8 показания ваттметра 20 - максимальны. Эти показания ваттметра 20 являются показателем чистой мощности электродвигателя 1, использованной исключительно на вдавливание наконечника 5 в образец 8.

В качестве альтернативы предложенному устройству 9 для контроля чистой мощности вдавливания индентора в испытуемый образец может быть использовано, например, устройство, описанное в авт. свид. СССР №1250959 от 15 апр. 1986 г., кл. G01R 21/00.

Кроме того, возможно использование устройства, описанного в пат. США №6.526.359 от 10.12.1999 г., кл. 702-60 (сигн. перев. на русск. яз. в сб. «Изобретения стран мира», 2004 г., вып.85, №4, стр.21).

Поскольку при измерении твердости разными известными способами в технической литературе не установлено единого названия единицы твердости, то в предложенном способе число твердости можно обозначить, например, так:

«310 ВАТТ (ТВ)» или «310 ТВАТТ»;

«20 ВАТТ (ТВ)» или «20 ТВАТТ».

Предложенный способ и устройство обеспечивают возможность контролировать твердость не только без обмера геометрических размеров отпечатка (лунки) в образце и последующего расчета, но и измерять твердость таких материалов, которые в принципе не могут сохранить отпечаток (лунку) после снятия нагрузки с индентора, например все виды технических резин, многие виды пластмасс, древесных и композитных материалов.

Заявленный способ контроля твердости в этом отношении является универсальным.

1. Способ контроля твердости, заключающийся в том, что в испытуемый образец вдавливают с постоянной скоростью активный наконечник индентора и для нагружения индентора используют вращающий момент электродвигателя, взаимодействующий с кулачком, отличающийся тем, что независимо от твердости и разновидности материала испытуемого образца индентор вдавливают на фиксированную глубину, равную высоте его активного наконечника, которая равна высоте участка подъема на кулачке, между которым и участком снижения на кулачке имеется участок стабильного уровня, при этом контролируют мощность, развиваемую электродвигателем, и исключают из нее совокупную мощность потерь, на основании контролируемой мощности судят о твердости испытуемого образца.

2. Устройство для контроля твердости, содержащее электродвигатель, кинематически связанный с электродвигателем кулачок с прямолинейным участком подъема на рабочей поверхности и взаимодействующий с кулачком индентор с активным наконечником, а также опорный столик для испытуемого образца, отличающееся тем, что в него введено устройство контроля мощности электродвигателя с функцией исключения совокупной мощности потерь, на рабочей поверхности кулачка имеется прямолинейный участок снижения, высота участка подъема на кулачке равна высоте активного наконечника индентора, между участками подъема и снижения на кулачке имеется участок стабильного уровня.