Твердомер Советский патент 1992 года по МПК G01N3/42 

Изобретение относится к области исследования механических свойств материалов и может быть использовано для определения широкого набора характери1 стик твердости сталей и сплавов изделий практически любой формы и размеров в лабораторных и промышленных условиях.

Известна конструкция ручного твердомера, содержащая корпус с опорной пятой, связанный пружиной с установленным на нем грибком. Внутри корпуса размещен 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 обеспечить зависящее от оператора стабильное значение глубины вдавливания л не исключает влияния сил трения при перемещении индентора в опорном кольце на сигнал датчика усилия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ручной пресс для испытаний на 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 ка- ре тка 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,

w

NM

Ё

Vi

Ч

N3 О СО

ГО

большой разброс результатов измерений за счет сил трения между опорным кольцом м 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 опор- ным кольцом установлена каретка с индентором, подпружиненная 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 йнедрения 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 нажимИым элементом по общей поверхности.

Таким образом заявляемый твердомер соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решений 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 фиксация текущей глубины отпечатка и нагрузки с помощью высокоточной индукционной или тензометрической системы контроля микроперемещений и усилий.

Ручной твердомер состоит из узла на- гружения и электронного блока обработки результатов, выполненного в виде однокристальной ЭВМ, с посяедующим 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, фиг. 5 - диаграмма вдавливания в координатах глубина-нагрузка ; фиг. 6 - схема определения величины значения глубины вдавливания индентора.

Узел нагружения содержит корпус 1 с

0 опорной пятой 2, устанавливаемой на исследуемую поверхность.

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

5 и подпружиненный относительно корпуса 1 Внутри нажимного элемента установлен шток 9 с опорным кольцом 10. Коаксиально штоку с опорным кольцом установлена каретка б с датчиками нагрузки 7 и перемеще0 ния 8. При этом в штоке 9 выполнены продольные прорези 11, в которые входят радиальные выступы 2 каретки 6. Шток 9 и каретка 6 имеют общую с нажимным элементом 4 поверхность 13.

5 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

0 25 пружиной 19, предназначенной для создания предеарительной и измерительной нагрузки, а шток 9 подпружинен относительно грибка 25 пружиной 20, предназначенной для устранения возможных зазоров

5 в цепи измерения глубины вдавливания индентора и для расширений диапазона измерений датчика перемещений 8 путем использования его положительной и отрицательной областей. На каретке 6 и нажим0 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

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

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

5 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 в него с зазорами 11 каретка б по общей с нажимным элементом 4 поверхности 13

В момент касания опорным кольцом 10 исследуемой поверхности 3 шток 9 останавливается и через перемычку 18 воздействует на шток 17 датчика перемещения 8, который выдает сигнал о величине перемещения 1 каретки 6 относительно оперного кольца 10, причем исходный зазср между торцем опорного кольца 10 и вершиной ин- дентора 15 характеризуется величиной 2. При дальнейшем движении каретки 6 ин- дентор 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 нагружения,обеспечиваемой начальной деформацией лрухины 19, буртик 22 отходит от нажимного элемента 4.

Значения А1, Д 2, A3, 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 сигналы с последующим преобразованием их в двоичный код и пересчет в микропроцессорном устройстве в величину твердости измеряемого материала (см. фиг. 4). В постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) электронного блока зашивается программа математической обработки электрических сигналов с датчиков перемещения и нагрузки.

В 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 сдатчиков поступает в двухканальный ана лого-цифровой преобразователь АЦП с разрядностью не менее 10, где превращается в последовательность импульсов соответствующихпропорциональнымэлектрическим сигналам с датчиков 7 и 8. (Оцифрованный сигнал с АЦП поступает в микро-ЭВМ, 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( Д1 - А 2 - А 3).

5 где k - коэффициент, учитывающий деформации составных частей твердомера;

А1 - величина перемещения каретки 6 относительно опорного кольца 10;

А2 - величина исходного зазора между 10 торцем опорного кольца 10 и вершиной индентора 15;

A3 - величина перемещения штока 14 датчика нагрузки 7 (см. фиг. 6).

5При обработке диаграммы вдавливания

используют только участок 1-2-3; участок 0-1 до нагрузки Р (около 1 кг) и соответствующий глубине вдавливания отбрасывается,

0 т.к. несет искаженную информацию о процессе вдавливания, обусловленную: влиянием трения индентора об исследуемый материал, шероховатостью и локальным наклоном поверхности материала относитель5 но оси индентора.

Из обработанной таким образом диаграммы вдавливания получают значения итоговой нагрузки Р (Pk - Pi) и глубины вдавливания, соответствующей этой на0 грузке п (hk - hi), при этом в расчет идет глубина hk, 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

5 сек и т.д.).

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

Н К Р/к, где k - коэффициент формы индентора.

0После окончания измерения снимают

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

Твердомер позволяет унифицировать

5 процесс измерения и получить при одном цикле нагружения все стандартные значения твердости по Виккерсу НУ, Бринеллю НВ, Роквеллу HRC.

Одновременно в памяти прибора может

0 храниться до 100 текущих значений твердости с возможностью их последующей распечатки.

Применение предлагаемой конструкции позволяет расширить технологические

5 возможности 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

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.

0

Формула изобретения Твердомер, содержащий корпус с опорной пятой, размещенный на нем грибок, установленные в корпусе коаксиально друг другу шток с опорным кольцом, каретку с индентором и подпружиненный относительно корпуса в осевом направлении нажимной элемент и связанные с кареткой датчик усилия и с штоком датчик перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в штоке выполнены продольные прорези, а в каретке - радиальные выступы, размещенные в прорезях м контактирующие с нажимным элементом.

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.

А

Фиг.2,

тш®

289 гш

источник cmadujfitduij питания

Усилитель

ПЗУ

4r

QQHOKлистам никяоэвм

кладиа

Индикация

t-&pQMfi Јы$ер&#1/ «

- 1ндентс ра. /даЭ нагрузкой

k

К

Фиг.5

//////// /c j

ФцЗ. 6