ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА К ТВЕРДОМЕРУ БРИНЕЛЛЯ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НАГРУЗКИ И ГЛУБИНЫ ВДАВЛИВАНИЯ

Полезная модель относится к области испытания материалов на механическую прочность и может быть использована для оценки механических свойств материалов без изготовления образцов стандартных размеров.
Известно устройство SSM-1000, предназначенное для измерения механических свойств материалов методом вдавливания индентора, закрепляемое на образце при помощи постоянного магнита (www.atc-ssm.com/PDF/IPC04-0357.pdf). Прибор состоит из нагружающего механизма, датчика перемещения, скобы крепления датчика перемещения, толкателя нагружающего механизма, патрона, магнитной скобы и индентора в виде цилиндрического стержня с шаровой поверхностью на конце и образца. К недостаткам прибора можно отнести протяженную размерную цепь прибора, некоторые элементы которой нелинейно зависят от нагрузок, возникающих при вдавливании индентора, поскольку включают в себя зазоры между образцом и магнитной скобой, зазоры в коническом хвостовике патрона и толкателя и зазор между патроном и индентором. Вследствие этого значительно снижается точность измерения глубины вдавливания индентора по отношению к поверхности испытываемого образца.
В качестве прототипа выбрана измерительная головка к твердомеру Бринелля для регистрации нагрузки и глубины вдавливания (патент РФ №2320974, МПК: G01N 3/42). В измерительную головку входят собранные в корпусе, узел нагружения, содержащий толкатель, динамометр с тензодатчиками сопротивления, центрирующий шар для передачи нагрузки от толкателя к динамометру строго по оси симметрии, заглушку, наконечник, в сферической полости которого расположен шаровый индентор, и узел регистрации перемещения шарового индентора относительно поверхности образца. Узел регистрации состоит из измерительного стержня, проходящего через осевое отверстие наконечника и прижатого к верхней точке шарового индентора, а также измерительной балки с тензодатчиками. Измерительная балка закреплена на обойме, установленной с возможностью перемещения по внешней поверхности корпуса. Крепление измерительной головки к твердомеру Бринелля осуществляется через толкатель,
К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
- при нарушении перпендикулярности оси подвижной части твердомера относительно поверхности испытываемого образца возникает несоосность динамометра, обоймы и толкателя, приводящая к изгибу динамометра и его трению о внутреннюю стенку корпуса, что отрицательно сказывается на точности регистрации параметров вдавливания;
- база отсчета находится далеко от шарового индентора, поэтому в измерение перемещения могут добавляться перемещения от изгиба испытываемого образца, что также снижает точность регистрации;
- для работы измерительной головки необходим предварительный изгиб измерительной балки, регулировка которого осуществляется изменением длины измерительного стержня. В случае недостаточного изгиба измерительный стержень приходится заменять, что создает неудобства при выполнении измерений;
- размеры испытываемых образцов определены размерами обоймы измерительной головки и должны превышать 50×50 мм.
Задачей полезной модели является повышение точности регистрации величины нагрузки и глубины вдавливания, а также уменьшение размеров испытываемых образцов.
Поставленная задача достигается тем, что в измерительной головке к твердомеру Бринелля, состоящей из собранных в корпусе узла нагружения, предназначенного для передачи нагружающей силы от твердомера на шаровый индентор, расположенный в наконечнике, и регистрируемой при помощи динамометра с тензодатчиками, узла измерения глубины вдавливания шарового индентора в испытываемый образец, состоящего из измерительной балки с тензодатчиками и измерительного стержня, проходящего через осевое отверстие наконечника и прижатого к верхней точке шарового индентора, а также узла крепления измерительной головки к твердомеру, согласно полезной модели, узел нагружения содержит опору нагружения, установленную с возможностью перемещения в обойме, нижний торец которой снабжен крышкой, имеющей осевое отверстие с кольцевым выступом, контактирующим с испытываемым образцом и обеспечивающим контакт последнего с нижней точкой шарового индентора, при этом измерительный стержень проходит через осевое отверстие опоры нагружения, а измерительная балка закреплена с обеспечением необходимого изгиба на разрезном кольце, стягиваемом хомутом, и установленном с возможностью осевого перемещения по наружной поверхности обоймы.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг 1 изображен общий вид измерительной головки в разрезе.
На фиг.2 - измерительная головка, вид сбоку.
Измерительная головка состоит из корпуса 1, верхняя часть которого предназначена для установки на твердомере Бринелля 2 при помощи резьбового кольца 3, закрепленного в корпусе 1 винтами 4. Внутри корпуса 1 установлена обойма 5, в которой размещены динамометр 6 с тензодатчиками сопротивления, наконечник 7 с шаровым индентором 8, опора нагружения 9. Через осевые отверстия опоры нагружения 9 и наконечника 7 проходит измерительный стержень 10, упирающийся нижним концом в шаровый индентор 8. На нижнем торце обоймы 5 расположена крышка 11, имеющая осевое отверстие с кольцевым выступом, служащим для контакта с испытываемым образцом 12. Осевое отверстие крышки 11 обеспечивает контакт нижней точки шарового индентора с испытываемым образцом. На обойме между корпусом 1 и крышкой 11 размещена пружина 13, для обеспечения плотного контакта крышки обоймы и образца, расположенного на рабочем столе 14 твердомера.
Верхний конец измерительного стержня 10 контактирует с измерительной балкой 15, закрепленной совместно с уголком 16 при помощи винтового соединения 17 в пазу разрезного кольца 18. На второй плоскости уголка также винтовым соединением закреплена балка температурной компенсации 19. На измерительную балку и балку температурной компенсации наклеены тензодатчики сопротивления. Узел крепления измерительной балки представляет собой отдельную сборку, которую можно закреплять на устройстве уже после того, как измерительная головка установлена на твердомере. Разрезное кольцо 18 имеет возможность осевого перемещения по наружной поверхности обоймы 5 и фиксируется хомутом 20, создавая необходимый изгиб измерительной балки 15.
В центре опоры нагружения расположен винт базирования 21 предназначенный для крепления измерительной головки к подвижной части 22 твердомера с фиксацией винтом 23 твердомера.
В обойме 5 выполнен овальный вырез, через который проходит винт стопорный 24 (фиг.2), ввинчивающийся в соответствующее отверстие опоры нагружения 9 и исключающий ее вращение, но предполагающий осевое перемещение, достаточное для вдавливания индентора.
Устройство работает следующим образом.
Для проведения испытаний необходимо закрепить измерительную головку на твердомере Бринелля, при помощи резьбового кольца 3 и винта базирования 21. Подвести испытываемый образец 12 при помощи стола твердомера 14 к нижней точке шарового индентора 8. Проверить изгиб измерительной балки 15, и в случае недостаточного изгиба ослабить хомут 20, незначительно опустив разрезное кольцо 18 и снова затянуть хомут. Далее можно приступить к измерениям (регистрации диаграммы).
Передача нагрузки от подвижной части твердомера 22 на шаровой индентор 8 происходит через опору нагружения 9, динамометр 6, наконечник 7. При погружении индентора в образец происходит перемещение измерительного стержня 10, которое способствует отклонению измерительной балки 15 на величину, соответствующую глубине вдавливания индентора относительно поверхности образца. Изменение перемещения измерительного стержня фиксируется тензодатчиками сопротивления на измерительной балке и при помощи экранированных проводов категории 5е передается на регистрирующее устройство (на чертеже не показано). Изменение нагрузки фиксируется тензодатчиками, наклеенными на упругий элемент динамометра и регистрируется по другой координатной оси регистрирующего устройства.
Благодаря изменению схемы приложения нагрузки в узле нагружения, а именно изменению места положения динамометра были устранены недостатки прототипа, приводящие к искажению диаграммы «Нагрузка - глубина вдавливания» по координате нагрузка.
Система крепления балок выполнена съемной, с возможностью регулирования изгиба измерительной балки, что позволяет существенно упростить работу с измерительной головкой.
Так как диаметр, по которому происходит контакт измерительной головки с испытываемым образцом, уменьшен до размера кольцевого выступа крышки обоймы, появилась возможность испытывать значительно меньшие по площади образцы (16×16 мм).