Устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия

Полезная модель относится к машиностроению, преимущественно к созданию приборов и устройств для измерения и контроля качества поверхностного слоя изделий после механообработки.
Известно устройство для измерения толщины поверхностного слоя детали, состоящее из корпуса, двух токоподводящих и двух измерительных электродов, установленных в диэлектрическом корпусе с крышкой перпендикулярно поверхности крышки, клемм и струбцин, прикреплённых к корпусу при помощи винтов (см. книгу А.В. Чистякова, В.И. Бутенко, А.Я. Гоголев «Оптимизация эксплуатационно-технологических процессов в машиностроении», Ростов-на-Дону, изд-во РГУ, 1997, С. 22 – 24).
Известно устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия, содержащее диэлектрический корпус и крышку, два подпружиненных токоподводящих электрода, размещённых в корпусе под углом  к его поверхности:
где а – высота части электродов, выступающей за поверхность крышки; b – расстояние от торца корпуса до оси токоподводящего электрода; В – длина корпуса; Н – суммарная высота корпуса и крышки устройства,
два подпружиненных измерительных электрода, установленных в средней части корпуса под углом .на расстоянии  между их осями, где h – расстояние между осями измерительных электродов по крышке, расположенной на нижней плоскости;  – устанавливаемая максимально допустимая толщина измеряемого токопроводящего слоя изделия; L – расстояние между точками контакта токоподводящих электродов,
источник питания, подключённый к токоподводящим электродам, и измерительный прибор, соединённый с измерительными электродами (см. патент RU №2167392, МПК G 01 B 7/06, G 01 R 27/16, опубл. 20.05.2001 г., бюлл. № 14).
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия, содержащее диэлектрический корпус и крышку, два подпружиненных токоподводящих электрода, два подпружиненных измерительных электрода, расположенных перпендикулярно крышки в подвижных обоймах, клеммы, струбцины, пружины возврата, источник питания, подключённый к токоподводящим электродам и измерительный прибор, соединённый с измерительными электродами (см. патент RU №76708, МПК G01B 7/06, G01R 27/16 , опубл. 27.09.2009 г., бюлл. №27).
Однако область применения устройства ограничена по точности измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия из-за неподвижности установки и закрепления двух подпружиненных токоподводящих электродов, не позволяющих регулировать расстояние между ними.
Задачей полезной модели  является расширение области применения устройства по точности измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия, содержащее диэлектрические корпус и крышку, два подпружиненных токоподводящих электрода и два подпружиненных в подвижных обоймах измерительных электрода, расположенных перпендикулярно поверхности крышки, клеммы, струбцины, пружины возврата, источник питания, подключённый к токоподводящим электродам, и измерительную линейку, при этом два подпружиненных токоподводящих электрода установлены в подвижные обоймы с возможностью перемещения вдоль измерительной линейки на расстояние между их осями, равное 1,5–1,6 расстояния между осями подпружиненных в подвижных обоймах измерительных электродов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение области применения устройства по точности измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия.
Технический результат достигается тем, что два подпружиненных токоподводящих электрода установлены в подвижные обоймы с возможностью перемещения вдоль измерительной линейки на расстояние между их осями, равное 1,5–1,6 расстояния между осями подпружиненных в подвижных обоймах измерительных электродов.
Предлагаемое устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия поясняется чертежами, где на
фиг. 1 – общий вид устройства для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия с разрезом по А – А;
фиг.2 – разрез устройства по Б – Б;
фиг.3 – вид устройства сверху;
фиг4 – разрез устройства по В – В;
фиг. 5 – тарировочный график устройства для стали 20Х13.
Устройство для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия содержит корпус 1, два токоподводящих электрода 2, установленные в подвижных обоймах 3, два измерительных электрода 4, установленные в обоймах 5, пружины 6, крышку 7, прикреплённую к корпусу 1 при помощи винтов 8, струбцины 9 для установки устройства на поверхность изделия и прикреплённые к корпусу 1 при помощи винтов 10, клеммы 11 и измерительную линейку 12.
Подключение устройства для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия осуществляется при помощи клемм 11 от  источника постоянного тока, например источника постоянного питания Б5-47, через реостат к милливольтметру, в качестве которого может быть использован прибор М1202, и пакетный переключатель с эталонным реостатом (см. патент RU №2167392, МПК G 01 B 7/06, G 01 R 27/16, опубл. 20.05.2001 г., бюлл. № 14).
Устройство работает следующим образом.
1
2
Устройство фиксируется на поверхности исследуемого материала при помощи струбцин 9, закрепленных на корпусе 1 винтами 10. Предварительно устройство тарируется путём установления зависимости величины напряжения U от толщины поверхностного токопроводящего слоя S, измеренной, например, по методу «косого среза» (см. статью В.К. Григорович «Физическая природа микротвёрдости» / Методы измерения на микротвёрдость. – М.: Наука, 1965. – с. 35 – 58). Тарировка устройства проводится по каждому исследуемому материалу отдельно и по её результатам строятся тарировочные графики (пример тарировочного графика устройства для стали 20Х13 приведён на фиг. 5). Два подпружиненных токоподводящих 2 и два подпружиненных измерительных 4 электродов, находящихся в подвижных обоймах 3 и 5 соответственно, устанавливаются вдоль измерительной линейки 12 таким образом, что отношение расстояния между осями токоподводящих электродов l к расстоянию между осями измерительных электродов l составляет 1,5–1,6 согласно данным экспериментальных исследований (см. таблицу). От источника постоянного тока на клеммы 11 токоподводящих электродов 2 подаётся электрический ток, а с клемм измерительных электродов 4 при помощи милливольтметра снимается напряжение U. Используя предварительно построенный тарировочный график устройства, по величине снятого напряжения U определяется толщина поверхностного токопроводящего слоя S с изменёнными физико-механическими свойствами.
ф
Проведены сравнительные испытания предлагаемого устройства для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия и устройства по наиболее близкому аналогу (патент RU №76708). Измеряемая устройствами толщина упрочнённого поверхностного слоя S после обкатки цилиндрических деталей диаметрами 16, 24, 30, 40 и 45 мм из сталей 20Х13, 30ХГСА и 12Х3Н сравнивалась с фактической её величиной S, определённой по методу «косого среза» (см. статью В.К. Григорович «Физическая природа микротвёрдости» / Методы измерения на микротвёрдость. – М.: Наука, 1965. – с. 35 – 58). Обкатка цилиндрических поверхностей деталей осуществлялась на токарном станке мод. 1И611П роликом из закалённой быстрорежущей стали Р6М5 с усилиями 300, 400, 500, 700Н и 1000Н в зависимости от диаметра обрабатываемой детали и марки стали, подачей 0,05 мм/об и частотой вращения детали 200 об./мин. по стандартной схеме (см., например книгу Д.Д. Папшева «Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием». – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.). От источника постоянного питания Б5-47 на токоподводящие электроды подавался электрический ток силой 0,5А и напряжением 6В. С измерительных электродов при помощи милливольтметра М1202 снималось напряжение U, по которому с использованием предварительно построенного тарировочного графика определялась толщина упрочнённого поверхностного слоя детали S.
1
2
ф
Результаты сравнительных испытаний устройств приведены в таблице, в которой приняты следующие обозначения: d – диаметр детали; l – расстояние между осями токоподводящих электродов; l – расстояние между осями измерительных электродов; S – толщина упрочнённого поверхностного слоя детали, определённая способом «косого среза»; S – толщина упрочнённого поверхностного слоя детали, определённая при помощи устройств для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия; ∆S – погрешность измерения толщины упрочнённого поверхностного слоя детали, вычисляемая по формуле:
Таблица
Результаты сравнительных испытаний
Деталь
S<sub>ф</sub>, мм
Устройство по патенту№ 76708
Предлагаемое устройство
Сталь
d, мм
l<sub>1</sub>, мм
l<sub>2</sub>, мм
S, мм
∆S, %
l<sub>1</sub>, мм
l<sub>2</sub>, мм
S, мм
∆S, %
20Х13
16
0,255
42
10
0,145
43,1
22
10
0,235
7,8
24
0,395
42
12
0,330
16,5
24
12
0,390
1,7
30
0,480
42
16
0,455
5,1
26
16
0,475
1,1
40
0,545
42
18
0,510
6,4
28
18
0,540
0,9
45
0,580
42
20
0,465
19,8
30
20
0,570
1,7
30ХГСА
16
0,295
42
10
0,170
42,4
22
10
0,290
1,7
24
0,370
42
12
0,285
25,6
24
12
0,355
4,1
30
0,535
42
16
0,520
2,8
26
16
0,530
0,9
40
0,560
42
18
0,495
11,6
28
18
0,545
2,6
45
0,525
42
20
0,365
30,5
30
20
0,515
3,8
12Х3Н
16
0,260
42
10
0,175
32,8
22
10
0,255
1,9
24
0,325
42
12
0,285
12,3
24
12
0,320
1,5
30
0,480
42
16
0,455
5,2
26
16
0,470
2,1
40
0,575
42
18
0,530
7,9
28
18
0,565
1,7
45
0,610
42
20
0,425
30,0
30
20
0,600
1,7
Анализ данных, приведённых в таблице, свидетельствует о том, что использование предлагаемого устройства для измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия позволяет расширить диапазоны диаметров исследуемых деталей по точности измерения толщины поверхностного токопроводящего слоя изделия с высокой степенью достоверности их определения за счёт снижения погрешности измерения ∆S в 5–25 раз в зависимости от диаметра детали и её материала.