Измерительная головка к твердомеру Бринелля для регистрации диаграммы «Нагрузка-глубина вдавливания» в производственных условиях

УДК 620. 1. 05

Н. Н. Автономов, М. С. Пучнин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА К ТВЕРДОМЕРУ БРИНЕЛЛЯ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДИАГРАММЫ «НАГРУЗКА-ГЛУБИНА ВДАВЛИВАНИЯ» В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Описано устройство измерительной головки, в котором устранены недостатки прототипа. Внесены конструктивные дополнения, влияющие на точность регистрации диаграммы и существенно упрощающие работу с устройством. Это повышает точность регистрации диаграммы «нагрузка-глубина вдавливания».

Получение механических свойств является необходимой частью проблемы обеспечения прочности конструкций машиностроения и приборостроения. По этим характеристикам производится расчет на прочность изделий.

На практике для этого используются образцы стандартных размеров из элемента конструкции, которые испытывают на разрывной машине с записью диаграммы «сила-перемещение». После ее обработки получают диаграмму деформирования материала в координатах «с-е» - «напряжение-деформация».

В связи с трудоемкостью изготовления образцов возникает потребность в применении безобразцовых методов определения механических свойств материалов как на стадии технологического процесса изготовления, так и в процессе эксплуатации.

Авторами был предложен новый способ измерения глубины внедрения шарового индентора. После доработки конструкции, послужившей прототипом, было получено новое конструктивное решение, пригодное для использования в условиях заводской лаборатории и непосредственно в технологическом процессе (см. рисунок).

В предлагаемом устройстве нагрузка передается непосредственно от шпинделя твердомера 15, через опору нагружения 11 к динамометру 7, и далее на наконечник 5 с индентором 4.

Измерительная головка состоит из узла нагружения, в который входят следующие элементы: винт базирования 14, опора нагружения 11, динамометр 7, наконечник 5, индентор 4; узел регистрации глубины вдавливания, в который входят измерительный стержень 8, измерительная балка 20; узел крепления измерительной балки, а также температурной компенсации измерений, состоящий из балки температурной компенсации 21, крепежных элементов 22 и 24, уголка 23, державки 10 с хомутом 9; узла крепления измерительной головки к твердомеру, а также ее прижима к образцу, представленного элементами: кольцо 17, винты 18, корпус 19, пружина 6, крышка 3.

Устройство работает следующим образом: при приложении нагрузки, создаваемой твердомером Бринелля, к узлу нагружения происходит вдавливание шарового индентора 4 в образец 2. При этом со-

вершается незначительное перемещение штока 8, которое способствует отклонению измерительной балки 20 на величину, соответствующую глубине вдавливания.

Твердомер Бринелля: 1 - стол твердомера; 2 - образец; 3 - крышка; 4 - индентор; 5 - наконечник; 6 - пружина; 7 - динамометр; 8 - измерительный стержень; 9 - хомут; 10 - державка; 11 - опора нагружения; 12 - обойма; 13 - винт твердомера; 14 - винт базирования;

15 - подвижная часть твердомера; 16 - неподвижная часть твердомера; 17 - кольцо; 18 - винт; 19 - фиксатор; 20 - измерительная балка; 21 - балка температурной компенсации; 22 - крепежный элемент; 23 - уголок; 24 - крепежный элемент

Решетневские чтения

Изменение данного параметра производится тен-зодатчиками сопротивления, наклеенными на измерительную балку 20 и балку температурной компенсации 21, соединенных по мостовой схеме. Изменение нагрузки также фиксируется тензодатчиками, наклеенными на упругий элемент динамометра 7.

Измерительная головка повышает точность регистрации диаграммы «нагрузка-глубина вдавливания» потому, что устранены недостатки прототипа, а также внесены конструктивные дополнения, влияющие как на точность регистрации, так и существенно упрощающие работу с устройством.

N. N. Avtonomov, M. S. Puchnin Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

BRINELL'S HARDNESS TESTER DETECTING HEAD FOR THE «LOAD AND IDENTATION DEPTH» DIAGRAM REGISTRATION IN INDUSTRIAL CONDITIONS

This article describes the detecting head construction, where all the drawbacks of the prototype have been eliminated. There also have been made some constructive changes that influence the exactness of the diagram registration and simplify the appliance operation. It increases the exactness of the «load and indentation depth» diagram registration.

© ABTOHOMOB H. H., nyHHHH M. C., 2010

УДК 620.1.05

Н. Н. Автономов, А. В. Тололо

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ ВНЕДРЕНИЯ ШАРА В УПРУГОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО А. Н. ДИННИКА

Проведены исследования аналитического решения контактной задачи внедрения шара в упругое полупространство А. Н. Динника путем сравнения его с численным решением данной задачи методом конечных элементов.

Одним из методов получения механических свойств материалов в ограниченных локальных зонах элементов конструкций является метод вдавливания шарового индентора. Главной проблемой, возникающей в процессе использования данного метода, является определение напряженно-деформированного состояния материала под шаром при упругом деформировании шара и материала образца. По полученным из испытаний на вдавливание диаграммам «сила-глубина погружения» можно установить момент начала перехода из упругого состояния в пластическое по точке перелома на графике. Это позволяет вычислить предел пропорциональности материала образца по имеющимся величинам нагрузки и глубины вдавливания. Но встает вопрос: как определить соответствующую этой точке величину интенсивности напряжения?

Наиболее достоверной методикой определения напряженно-деформированного состояния упругого полупространства в процессе вдавливания является численное решение методом конечных элементов. Для решения контактной задачи о вдавливании шара в упругое полупространство и отслеживания распределения напряжений в месте контакта была выбрана программа MCS Nastran 4 [1]. Шар и образец для решения МКЭ представляют собой двухмерные осе-симметричные модели, состоящие из треугольных

элементов. Расстояние между узлами изменялось в геометрической прогрессии таким образом, чтобы минимальное расстояние между узлами было в месте контакта. Для отслеживания контакта использован специальный контактный элемент. Программа автоматически производит пошаговое нагружение расчетной модели и учитывает изменение в граничных условиях при соединении поверхностей.

Однако МКЭ достаточно трудоемок и требует подготовки для использования программы. При испытании большого числа образцов, в конечном счете, это сильно увеличивает время обработки испытаний. Александром Николаевичем Динником [2] была решена задача Герца о контакте шара с упругим полупространством и предложена методика расчета напряженно-деформированного состояния при условии, что известны такие величины как нагрузка и радиус шара, модуль Юнга, коэффициент Пуассона для полупространства и шара. Используя данную методику, можно значительно упростить процесс расчета напряженно-деформированного состояния в полупространстве (материале образца), а также определить предел пропорциональности по результатам испытаний без привлечения дорогостоящих численных методов и программ МКЭ. А. Н. Динником были получены зависимости для определения поверхностных главных напряжений в упругом полупространстве и