Портативный микротвердомер
Изобретение относится к устройствам для исследования структурного состояния поверхностных слоев металла путем приложения к ним механических усилий, а именно к микротвердомерам. Устройство содержит корпус, внутри которого на ирисовых пружинах закреплен сердечник, жестко соединенный с индентором. Нагрузка на индентор передается от прикрепленного к корпусу соленоида, внутри которого помещен сердечник, путем подачи питания на соленоид от программируемого источника тока. Перемещение индентора регистрируется датчиком микроперемещений, состоящим из катушки индуктивности, прикрепленной к корпусу устройства, и металлической шторки, соединенной с сердечником и расположенной соосно катушке индуктивности в поле действия ее магнитного поля. Питание на катушку индуктивности подается от источника опорного напряжения. Сердечник соединен с пружинной подвеской, состоящей из двух соединенных соосно цилиндрических пружин, параллельных оси сердечника. Свободный конец одной из пружин соединен с корпусом, а свободный конец другой - с ходовой гайкой. Положение ходовой гайки регулируется вращением юстировочного винта через ходовой винт и червячное колесо. К сердечнику через систему рычагов прикреплен противовес, равный по массе сердечнику с индентором. Система рычагов представляет собой неподвижную ось, закрепленную на корпусе устройства, с шарнирно соединенными с ней равными плечами, одно из которых прикреплено к сердечнику, а второе - к противовесу. Противовес, так же как и сердечник, соединен с корпусом ирисовыми пружинами. Команды на программируемый источник тока, а также источник опорного напряжения подаются через микроконтроллер блоком управления и обработки данных. В него же поступают данные с датчика микроперемещений. Технический результат: возможность высокоточного измерения микротвердости в диапазоне нагрузок на индентор 5-100 гс в любом пространственном положении, а также использовать микротвердомер как переносное устройство. 2 ил.
Изобретение относится к устройствам для исследования структурного состояния поверхностных слоев металла путем приложения к ним механических усилий, а именно к микротвердомерам.
Изобретение может быть использовано как в лабораторных, так в производственных и полевых условиях, и предназначено для выполнения микроиндентирования и определения значений микротвердости металла непосредственно на анализируемой конструкции, в любом пространственном положении.
Известны мобильные переносные твердомеры, основанные на косвенном определении твердости путем измерения относительных изменений частоты свободных колебаний электроакустического резонатора с алмазным наконечником до и после внедрения индентора в анализируемое изделие. Данные твердомеры предназначены для контроля изделий в любых пространственных положениях. Среди наиболее распространенных можно выделить MIC-10 (производитель Krautkramer GmbH, минимальная нагрузка на индентор - 100 гс), МЕТ (производитель ООО «Центр «МЕТ», минимальная нагрузка на индентор - 1 кгс), КИТ-М-01 (производитель ООО «Диаконт», постоянная нагрузка на индентор в 1 кгс). Однако они не позволяют решать задачу оценки структурного состояния поверхностного слоя большинства металлов, поскольку для этой цели необходимо измерение значений микротвердости, то есть выполнение индентирования с нагрузкой, при которой размеры получаемых отпечатков были бы сопоставимы со средним размером структурных составляющих металла (или меньше их), что, как правило, достигается при индентировании с нагрузкой в диапазоне 5-100 гс.
Известно устройство для контактно-импедансного контроля качества изделий (Патент RU 2249197 С2), которое, как указано в патенте, по принципу действия схоже с рассмотренными выше устройствами MIC-10, МЕТ и КИТ-М-01 и отличается от них дополнительными узлами и элементами, позволяющими добиться большей плавности перемещения резонатора относительно корпуса. В патенте не указаны потенциальные технические характеристики устройства, однако известно, что контактно-импедансный метод измерения твердости отличается значительно большей погрешностью, в сравнении с прямыми методами, даже при высоких нагрузках. Для приложения нагрузок, соответствующих измерению значений микротвердости (5-100 гс), данный метод не применяется и, соответственно, вышеуказанное устройство не подходит для исследования структурного состояния поверхностных слоев металла.
Известны устройства, предназначенные для измерения микротвердости и кинетической твердости (патенты US 6247357 B1, US 6142010, US 5309754, US 4635471, US 4304123, RU 2231041), однако данные устройства являются стационарными и не могут быть установлены непосредственно на анализируемую конструкцию.
В качестве наиболее близкого аналога может быть принят микрозонд (Патент RU 2029283 С1), позволяющий выполнять индентирование и царапанье поверхности металла непосредственно на анализируемом изделии. Он состоит из центрального штока, размещенного внутри него волоконно-оптического световода, к фронтальной линзе которого прикреплен индентор, внедрение которого производится путем подачи на электромагнит напряжения.
В патенте не уточняется возможность выполнения измерений с использованием микрозонда в любом пространственном положении, однако в описании не упоминается наличие конструктивных элементов, предназначенных для устранения влияния силы тяжести подвижных узлов на результаты измерений, из чего можно сделать вывод о возможности использования данного устройства строго вертикально.
Еще одним недостатком данного устройства является реализованный принцип установки начальной точки внедрения индентора. Контакт индентора с поверхностью изделия достигается путем ручного вращения микровинта, при этом момент контакта регистрируется датчиком вертикальной нагрузки.
Учитывая, что при получении значений микротвердости нагрузка на индентор исчисляется десятками грамм-сил, а глубина его внедрения -единицами микрон, очевидно, что рассматриваемое устройство предназначено для проведения индентирования при значительно более высоких нагрузках. Подтверждением этому является и то, что глубина внедрения индентора определяется оптопарой с открытым оптическим каналом, имеющая предельную разрешающую способность в районе 1 мкм.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании микротвердомера в таком конструктивном исполнении, которое обеспечивало бы высокоточное измерение микротвердости в диапазоне нагрузок на индентор 5-100 гс в любом пространственном положении, при этом позволяло бы использовать микротвердомер как переносное устройство.
Решение указанной задачи достигается за счет устройства, общая схема которого, представлена на фиг. 1.
Устройство включает корпус 12, внутри которого размещен сердечник 10. К его нижнему концу жестко прикреплен индентор 16, таким образом, что ось индентора совпадает (или параллельна) с осью перемещения сердечника. Сердечник соединен с корпусом ирисовыми пружинами 2, схема которых приведена на фиг. 2. Благодаря этому сердечник с индентором имеют только одну степень свободы - вдоль оси индентирования.
Нагрузка на индентор передается от соленоида 11 (группы соленоидов), внутри которого помещен сердечник. Соленоид жестко прикреплен к корпусу устройства. Задание нагрузки производится путем подачи питания на соленоид от программируемого источника тока 19, позволяющего регулировать амплитуду тока I в виде функции времени I(t).
Сердечник соединен с пружинной подвеской, задающей начальное положение индентора и возвращающей его в начальное положение после снятия нагрузки. Пружинная подвеска состоит из двух соединенных соосно цилиндрических пружин 9, расположенных таким образом, что их геометрическая ось параллельна оси сердечника. К точке соединения пружин жестко прикреплен сердечник. Свободный конец одной пружины жестко соединен с корпусом, свободный конец второй пружины соединен с ходовой гайкой 7. Начальное положение индентора задается положением ходовой гайки посредством вращения ходового винта 8. Ходовой винт приводится в движение червячным колесом 6, вращаемым головкой юстировочного винта через червячный вал 5.
К сердечнику жестко прикреплена металлическая шторка 13. Функцию датчика микроперемещений 15 выполняет катушка индуктивности 14, жестко закрепленная на корпусе прибора и расположенная в плоскости шторки, соосно ей.
Принцип действия датчика микроперемещений аналогичен индуктивному датчику: на катушку подается питание от источника опорного напряжения 20, что возбуждает в ней поверхностную электромагнитную волну, со смещенной в область металлической шторки энергией магнитного поля. Наличие в зоне действия магнитного поля металлической поверхности (шторки) приводит к возбуждению на ней вихревых токов, амплитуда которых пропорциональна расстоянию до датчика, а их направление противоположно направлению основной составляющей токов в катушке. Возбужденный током на поверхности шторки поток магнитного поля вычитается из магнитного потока, создаваемого катушкой, что приводит к уменьшению ее эквивалентной индуктивности. При адекватном преобразовании индуктивности катушки в частоту ее электромагнитных колебаний определяется расстояние между катушкой и шторкой, то есть глубина внедрения индентора, с дискретностью до 1 нм.
С целью исключения влияния массы сердечника с индентором при индентировании в любом пространственном положении на результат измерений применяется механическая балансировка. Она представляет собой систему рычагов с неподвижной осью 3, жестко закрепленной на корпусе устройства, и равными плечами 4, одно из которых прикреплено к сердечнику, а второе - к противовесу, равному по массе сердечнику с индентором. Противовес 1 прикреплен к корпусу ирисовыми пружинами и имеет одну степень свободы - вдоль оси индентирования.
В результате, в любом пространственном положении вес сердечника с индентором компенсируется противовесом вдоль оси индентора и не влияет на величину прилагаемой нагрузки.
Команды на программируемый источник тока 19, а также источник опорного напряжения 20 подаются через микроконтроллер 18 блоком управления и обработки данных 17. В него же поступают данные с датчика микроперемещений.
Микротвердомер целесообразно использовать как функциональный блок приборного комплекса, в котором предусмотрены конструктивные элементы для крепления на различные типы конструкций, для обеспечения микроперемещений микротвердомера с целью выбора мест индентирования, для фиксации микротвердомера в плоскости индентирования, для подведения и отведения его от поверхности анализируемой конструкции.
Работа микротвердомера осуществляется следующим образом.
После выбора места индентирования и подведения микротвердомера к исследуемой поверхности с помощью команды на программируемый источник тока 19 через микроконтроллер 18 подается ток на соленоид (группу соленоидов) 11 по заданной функции, задающий предварительное усилие (не более 5% от планового) на сердечник 10 с индентором 16.
Под действием указанного усилия происходит перемещение сердечника с индентором по оси индентирования, что сопровождается изменением расстояния между шторкой 13 и катушкой индуктивности 14. Это приводит к изменению индуктивности катушки и, как следствие, частоты сигнала датчика.
Задание предварительной нагрузки необходимо для определения точки контакта индентора с поверхностью (точка начала отсчета). Она определяется автоматически по графику в координатах «ток в соленоиде - частота сигнала датчика» в тот момент, когда частота сигнала датчика перестает линейно расти по мере увеличения тока в соленоиде.
После этого на соленоид 11 подается ток, задающий плановое усилие на индентор 16 и происходит его внедрение в исследуемую поверхность. Глубина внедрения индентора определяется по разнице частот сигнала датчика 15 по окончанию времени выдержки индентора под нагрузкой и в точке начала отсчета.
Глубина внедрения индентора пересчитывается в значение микротвердости металла согласно известным соотношениям.
После измерения значения микротвердости ток соленоида снижается по заданной плавной характеристике и сердечник с индентором возвращаются в исходное положение действием пружинной подвески.
Портативный микротвердомер, содержащий сердечник с закрепленным на нем индентором, соленоид для задания нагрузки на индентор, датчик микроперемещений индентора, пружинную подвеску сердечника с индентором, блок механической балансировки сердечника с индентором, источник опорного напряжения для питания датчика микроперемещений, программируемый источник тока для питания соленоида, микроконтроллер и блок управления и обработки данных, отличающийся тем, что для задания начального положения индентора и возврата его в начальное положение после снятия нагрузки использована пружинная подвеска, состоящая из двух соединенных соосно цилиндрических пружин, параллельных оси сердечника, к точке соединения которых прикреплен сердечник, свободный конец одной из пружин соединен с корпусом, а свободный конец другой - с ходовой гайкой, положение которой регулируется юстировочным винтом; в качестве датчика микроперемещений индентора использована катушка индуктивности, закрепленная на корпусе прибора, и металлическая шторка, закрепленная на сердечнике соосно катушке индуктивности, и находящаяся в зоне действия ее магнитного поля; для исключения влияния массы сердечника с индентором при индентировании в любом пространственном положении на величину прилагаемой нагрузки применяется механическая балансировка, представляющая собой систему рычагов с неподвижной осью, закрепленной на корпусе устройства, и равными плечами, одно из которых прикреплено к сердечнику, а второе - к противовесу, равному по массе сердечнику с индентором, при этом сердечник с индентором и балансирующий его противовес соединены с корпусом ирисовыми пружинами.
