УСТАНОВКА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01B5/28 G01N3/00 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для оценки несущей способности поверхностных слоев изделий из различных материалов.

Наиболее близкими по технической сущности являются:
1. Установка для испытания материалов (Испытательная техника./ Под ред. Клюева В. В. Книга 2. М.: Машиностроение. 1982. с. 95), содержащая станину, маятник, опору, штангу, образец, цифровую шкалу, стрелку. Недостатком установки являются ограниченные возможности при проведении испытаний материалов.

2. Известна установка для оценки несущей способности поверхностного слоя (Сборник статей. Оптимизация технологических процессов по критерию прочности. Уфа. 1988, с. 28), взятая за прототип и содержащая основание, маятник, упругий элемент, вал, контробразец, образец, рычажную систему, неподвижную опору и грузы. К основным недостаткам устройства можно отнести:
- ограничения по геометрии испытываемых образцов и изделий;
- отсутствие возможности изменения кинетической энергии маятника за счет его массы;
- для смены образцов необходимо вручную снимать сменные грузы;
- отсутствует центрирование образца и контробразца;
- отсутствует возможность оценки сопротивления поверхностного слоя абразивному воздействию твердых частиц и обрабатываемости резанием.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков за счет использования установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий.

Поставленная задача достигается тем, что установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий, содержащая корпус, маятник, рычаги, вал с неподвижной опорой и подвеску со сменными грузами, отличающаяся тем, что она снабжена самоцентрирующим патроном, цифровой шкалой, стрелочным указателем, призмой для установки изделия, индентором, подвижной опорой с осью, расположенной параллельно оси самоцентрирующего патрона, ступицами, регулируемыми скобой и пружиной, дополнительными сменными грузами и двуплечими пересекающимися рычагами, при этом самоцентрирующий патрон жестко закреплен на одном конце вала, цифровая шкала, маятник и стрелочный указатель - на другом его конце, причем в маятнике, на уровне цифровой шкалы, выполнено отверстие с центрально расположенным указателем, дополнительные сменные грузы и индентор установлены на свободном конце маятника, призма для установки изделия размещена под индентором, подвижная опора с осью установлена на корпусе, двуплечие пересекающиеся рычаги закреплены на оси подвижной опоры с возможностью качания, а их свободные концы с одной стороны соединены с рычагами, а с другой - со ступицами, при этом регулируемая пружина расположена между свободными концами двуплечих пересекающихся рычагов, соединенных со ступицами.

Наличие новых конструктивных элементов и взаимосвязи между ними свидетельствуют о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". Новые элементы конструкции работают на достижение технического результата, который обуславливает изобретательский уровень заявленного технического решения следующим образом.

Самоцентрирующий патрон предназначен для центрирования и закрепления образца или контробразца. Центрирование изделия необходимо для обеспечения постоянства зоны контакта образца и контр образца, а закрепление позволяет выявить момент сопротивления (момент от сил трения) при силовом замыкании образцов. Использование вместо самоцентрирующего патрона другого механизма, например призм и прижимных планок, значительно увеличивает время настройки устройства перед испытанием.

Цифровая шкала предназначена для фиксирования отсчета отклонения угла маятника, а также для его установки в заданное положение. С этой целью на шкале выполнена градуировка углов в градусах, а по торцу шкалы изготовлены углубления, в которых размещена собачка маятника. Цифровая шкала обладает информационной наглядностью и по сравнению с другими элементами, например электронным табло, является весьма простым и надежным источником информации.

Стрелочный указатель предназначен для фиксирования угла отклонения маятника. С этой целью он имеет рычажок, который передает движение от маятника. Фиксация стрелки при ее максимальном отклонении осуществляется за счет стопорной пружинки, расположенной с противоположной стороны циферблата. Использование вместо стрелочного указателя другого устройства, например светового луча, потребует дополнительной электроизмерительной аппаратуры, что приведет к увеличению себестоимости установки.

Призма для установки изделия предназначена для размещения, центрирования и закрепления цилиндрического изделия под индентором. Фиксирование изделия в заданном положении осуществляется с помощью подвижных упоров и регулируемых винтов. Призма является стандартным конструктивным элементом и использование более простых, например, регулируемых и прижимных планок потребует значительной продолжительности настройки и выверки изделия.

Индентор используется для оценки сопротивляемости материала процессу резания или абразивной обработке. При испытании он прорезает на поверхности изделия серповидную канавку, а работа, совершаемая при этом, оценивается величиной угла отклонения маятника. Форма индентора зависит от вида исследуемого процесса и может походить на зуб фрезы, рабочую часть резца или многогранник абразива. Глубина внедрения индентора настраивается микрометрическим винтом и контргайкой. Для изготовления серповидной лунки можно использовать другие способы обработки, например физические и электрохимические, но это уже будет другая не механическая технология.

Подвижная опора с осью, расположенной параллельно оси самоцентрирующего патрона, предназначена для закрепления и ориентации нагружающей системы, состоящей из ступицы, двуплечих пересекающихся рычагов, рычагов, подвески со сменными грузами, регулируемыми скобой и пружиной. Подвижность опоры обеспечивает испытание образцов разной длины или оценивает несущую способность заданного участка. Ось подвижной опоры расположена параллельно оси самоцентрирующего патрона для обеспечения перемещения (скольжения) контробразца по образующей цилиндрического образца.

Ступицы используются для закрепления контробразцов и передачи давления в зону контакта. Они закрепляются на свободных концах двуплечих пересекающихся рычагов, причем осевая линия ступиц перпендикулярна оси самоцентрирующего патрона. Для закрепления контробразца используется коаксиальное гнездо ступицы, где размещается специальная вставка. При отсутствии ступиц невозможно оценить несущую способность поверхностных слоев изделия, так как именно они являются силовым и передаточным звеном.

Регулируемая скоба позволяет разгрузить и нагрузить образец и контробразец, не снимая сменных грузов, и тем самым облегчить физический труд оператора. Работа выполняется путем поворота двух барашков. При отсутствии регулируемой скобы грузы необходимо устанавливать вручную. Вместо регулируемой скобы можно использовать, например рычажную систему, но это будет более громоздким сооружением.

Регулируемая пружина служит компенсатором, устраняющим влияние веса рычагов и других деталей рычажной системы на давление в зоне контакта образца и контробразца. Пружина позволяет обеспечить нулевое давление, не снимая рычажной системы. При ее отсутствии невозможно создать давление в зоне контакта меньше веса рычажной системы. Замена пружины другими конструктивными элементами, например гидро - или пневмосистемой, будет более сложным техническим решением.

Дополнительные сменные грузы предназначены для накопления потенциальной энергии, необходимой для удаления части металла с поверхности образца. Чем больше масса сменных грузов, тем большую работу может выполнить индентор при движении маятника. Этот факт имеет решающее значение при исследовании высокопрочных и вязких материалов. Поэтому при отсутствии дополнительных сменных грузов в значительной степени снижаются границы исследования. Вместо сменных грузов возможно использовать маятники с разной массой, но это экономически весьма невыгодное решение.

Двуплечие пересекающиеся рычаги, закрепленные на оси подвижной опоры с возможностью качания, предназначены для создания давления в зоне контакта и закрепления ступиц с контробразцами. Пересекающиеся рычаги образуют механическую систему, способную развивать значительные усилия при небольших габаритах. Возможность качания рычагов на оси необходима при регулировке пружины, настройки на размер образцов, установки контробразцов и др. Замена пересекающихся рычагов другой конструкцией будет более сложной и громоздкой, а следовательно, менее надежной системой.

Маятник дополнительно оснащен отверстием в виде окна, которое обеспечивает визуализацию шкалы циферблата при любом его положении. Для фиксирования угла отклонения маятника в окне выполнен неподвижный вертикальный указатель. Настройка маятника в нулевое положение осуществляется регулируемыми опорами корпуса. Если разместить маятник за плоскостью цифровой шкалы, то для привода подвижного стрелочного указателя потребуется более сложное техническое решение, что экономически нецелесообразно.

Технический результат изобретения заключается в расширении диапазона возможностей оценки состояния поверхностного слоя изделий за счет использования установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий, которая позволяет оценить трибологические свойства материала, степень шероховатости и гладкости поверхности, несущую способность микрослоя, сопротивляемость материала резанию, степень наростообразования, износа и ряд других характеристик.

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники позволило выявить техническое решение, содержащее признак, сходный с признаком, отличающим заявляемое техническое решение от прототипа - использование устройства, содержащего корпус, неподвижную опору, вал, маятник, ось, рычаги, подвеску с грузом, цифровую шкалу, стрелочный указатель, пружину. В известном решении (Человек и машины, пер. с англ. под ред. Л.Н. Расторгуева. Том 4. М. , Мир, 1986, стр. 88) устройство, включающее перечисленные элементы, используется в механических маятниковых часах для измерения времени.

Совокупность признаков в заявляемом техническом решении позволяет при использовании установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий выполнить комплекс исследований: оценить трибологические свойства поверхностного слоя, несущую способность микронеровностей, степень износостойкости, сопротивляемость материала резанию и целый ряд других факторов.

Сочетание деталей и механизмов установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий обеспечивает новое свойство, не присущее механическим маятниковым часам, а именно - позволяет выполнить диагностику состояния поверхностного слоя изделий с точки зрения его работоспособности.

Таким образом, новый механизм взаимодействия деталей и механизмов обуславливает новое свойство заявляемого устройства: расширение диапазона и вида испытаний при одновременном упрощении конструкции и наглядности снимаемой информации. Это позволяет признать предложенное решение соответствующим критерию "изобретательский уровень", поскольку в объекте, к которому относится решение, проявляется новое свойство, обеспечивающее достижение нового технического результата.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий, на фиг. 2 - вид со стороны рычажной системы, на фиг. 3 - вид со стороны маятника.

Установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий состоит из корпуса 1 с регулируемыми опорами 2, на котором смонтирована неподвижная опора 3 с валом 4, на одном конце которого размещен самоцентрирующий патрон 5 с образцом 6, а на другом - цифровая шкала 7 с прорезями 8, стрелочный указатель 9 с рычажком 10 и маятник 11 с отверстием 12 и фиксатором 13, дополнительными сменными грузами 14 и индентором 15, под которым размещен образец 16, установленный в призме для установки изделия 17 с регулировочными винтами 18, в подвижной опоре 19 на оси 20 установлены с возможностью качания пересекающиеся двуплечие рычаги 21, свободные концы которых с одной стороны соединены с рычагами 22, а подвеска 23 со сменными грузами 24 и регулируемой скобой 25 с барашками 26, соединены с другой стороны рычагов 22, причем регулируемой пружиной 27 и ступицами 28, в которых размещены контробразцы 29, смонтированы на другом свободном конце двуплечих пересекающихся рычагов.

Установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий работает следующим образом (см. фиг. 1-3).

Вначале с помощью регулируемых опор 2, установленных на корпусе 1, осуществляется настройка стрелочного указателя 9, размещенного в отверстии 12 маятника 11, на нулевую отметку цифровой шкалы 7. Далее устанавливают и закрепляют цилиндрический образец 6 в самоцентрирующем патроне 5, который смонтирован на валу 4 неподвижной опоры 3, а в каждом отверстии ступиц 28 закрепляют контробразцы 29. На свободный конец маятника 11 устанавливают необходимое количество дополнительных сменных грузов 14, фиксатор 13 отжимают вниз, поднимают маятник 11 на величину заданного угла и отпускают фиксатор 13, который автоматически попадает в прорезь 8. После этого освобождают барашки 26 регулируемой скобы 25 и с помощью регулируемой пружины 27 исключают давление контробразцов 29 на образец 6. После этого на подвеску 23 устанавливают сменные грузы 24, которые через рычаги 22, двуплечие пересекающиеся рычаги 21, установленные в подвижной опоре 19 на оси 20, и ступицу 28 передают давление контробразцов 29 на образец 6.

Установка готова к работе. При нажатии на фиксатор 13 освобождается маятник 11, который, опускаясь вниз, поворачивает за собой образец 6 и стрелочный указатель 9 с рычажком 10, максимальное отклонение которого фиксируется стопорной пружинкой (на фиг. не показано).

Для оценки сопротивляемости материала резанию образец 16 устанавливают на призму для установки изделия 17 и закрепляют регулируемыми винтами 18. Индентор 15 настраивают с помощью микрометрического винта на необходимую глубину внедрения. Используя фиксатор 13, маятник 11 устанавливают в заданном положении и закрепляют сменные грузы 24. Для выполнения испытания фиксатор 13 отжимают вниз, маятник 11 вместе с индентором 15 поворачивается и вырезает саблевидную канавку на поверхности образца 16. При этом стрелочный указатель 9 фиксирует максимальный угол отклонения маятника 11.

Работа, затрачиваемая на изготовление канавки, рассчитывается по формуле
A = mq(cosα₁-cosα₀),
где
m - масса маятника;
q - ускорение силы тяжести;
L - приведенная длина маятника;
α₀,α₁- углы начального и конечного отклонения маятника.

Если требуется оценить влияние, например, степени упрочнения на обрабатываемость материала резанием, необходимо провести два испытания. Первое выполняют на отожженном, недеформированном образце и рассчитанную работу принимают за 100%. Второе испытание проводят на упрочненном образце и полученную работу сравнивают с первым результатом. Подобным же образом можно оценить обрабатываемость резанием разных марок материалов, влияние термообработки, остаточных напряжений и т.д.

Использование установки для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий расширяет диапазон и количество видов испытаний. Установка проста по конструкции, компактна, позволяет испытывать плоские и цилиндрические поверхности, легко автоматизируется и совмещается с персональным компьютером.

Установка предназначена для использования в испытательной техники. Установка содержит маятник, рычаги, вал с неподвижной опорой, подвеску со сменными грузами. На одном конце вала жестко закреплен самоцентрирующий патрон. На другом конце вала закреплены цифровая шкала, маятник и стрелочный указатель. На свободном конце маятника установлены дополнительные сменные грузы и индентор. Призма для установки изделия размещена под индентором. На корпусе установлена подвижная опора. На оси подвижной опоры закреплены двуплечие пересекающиеся рычаги. Свободные концы двуплечих рычагов соединены с рычагами и со ступицами. Между свободными концами двуплечих рычагов расположена регулируемая пружина. Установка проста по конструкции, компактна, позволяет испытывать плоские и цилиндрические поверхности, легко автоматизируется и совмещается с персональным компьютером. 3 ил.

Установка для диагностики несущей способности поверхностных слоев изделий, содержащая корпус, маятник, рычаги, вал с неподвижной опорой и подвеску со сменными грузами, отличающаяся тем, что она снабжена самоцентрирующим патроном, цифровой шкалой, стрелочным указателем, призмой для установки изделия, индентором, подвижной опорой с осью, расположенной параллельно оси самоцентрирующего патрона, ступицами, регулируемыми скобой и пружиной, дополнительными сменными грузами и двуплечими пересекающимися рычагами, при этом самоцентрирующий патрон жестко закреплен на одном конце вала, цифровая шкала, маятник и стрелочный указатель - на другом его конце, причем в маятнике, на уровне цифровой шкалы, выполнено отверстие с центрально расположенным указателем, дополнительные сменные грузы и индентор установлены на свободном конце маятника, призма для установки изделия размещена под индентором, подвижная опора с осью установлена на корпусе, двуплечие пересекающиеся рычаги закреплены на оси подвижной опоры с возможностью качания, а их свободные концы с одной стороны соединены с рычагами, а с другой - со ступицами, при этом регулируемая пружина расположена между свободными концами двуплечих пересекающихся рычагов, соединенных со ступицами.