УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
DEVICE OF DETERMINING RESIDUAL STRESS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения остаточных технологических напряжений в образцах, вырезанных из исследуемой детали.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для определения остаточных напряжений, содержащее основание со стойкой, травильную ванну, датчики деформации и толщины образца, присоединенное к стойке приспособление для размещения узла крепления образца и датчиков деформации и толщины образца, при этом датчики соединены с системой обработки информации, датчик толщины включает два рычага, охватывающие концами образец по толщине. Приспособление для крепления образца и датчиков выполнено в виде вертикальной рамки, присоединенной к стойке двумя подвижными консолями, в нижней П-образной части рамки установлен зажим для консольного крепления исследуемого образца в вертикальном положении, датчик деформации состоит из удлинителя, выполненного с возможностью закрепления на верхнем конце образца в вертикальном положении, и цифрового индикатора, контактирующего измерительным наконечником со свободным концом удлинителя, на верхнем конце удлинителя прикреплена пружинка, вторым концом соединенная с цифровым индикатором, датчик толщины образца снабжен цифровым индикатором, рычаги датчика толщины выполнены длинными, установлены вертикально, шарнирно закреплены на рамке, на верхнем конце одного из рычагов закреплен цифровой индикатор, контактирующий измерительным наконечником с другим рычагом, нижние плечи рычагов соединены пружинкой, при этом длины рычагов и удлинителя в 5…8 раз больше длины образца и соотношение длин плеч рычагов составляет 1:4…1:6, причем большему соотношению длин рычагов и удлинителя к длине образца соответствует большее соотношение длин плеч рычагов (патент РФ №2570362 от 10.11.2015 г.). Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - основание со стойкой; травильная ванна; датчики деформации и толщины образца, соединенные с системой обработки информации; приспособление для размещения узла крепления образца и датчиков деформации и толщины образца, выполненное в виде вертикальной рамки, присоединенной к стойке двумя подвижными консолями, в нижней части рамки установлен узел крепления исследуемого образца в вертикальном положении; датчик деформации состоит из удлинителя, выполненного с возможностью закрепления на верхнем конце образца в вертикальном положении, и цифрового индикатора, закрепленного на рамке, контактирующего измерительным наконечником с верхним концом удлинителя, на верхнем конце удлинителя прикреплена пружинка, вторым концом соединенная с цифровым индикатором; датчик толщины включает два рычага, охватывающие концами образец по толщине, выполненные длинными, установленные вертикально, шарнирно закрепленные на рамке, на верхнем конце левого рычага закреплен цифровой индикатор, контактирующий измерительным наконечником с правым рычагом, нижние плечи рычагов соединены пружинкой, а верхний конец правого рычага соединен с индикатором другой пружинкой; длины рычагов и удлинителя в 5…8 раз больше длины образца и соотношение длин плеч рычагов составляет 1:4…1:6, причем большему соотношению длин рычагов и удлинителя к длине образца соответствует большее соотношение длин плеч рычагов.
Недостатки известного устройства связаны с узлом крепления образца. Во-первых, конструкция узла крепления образца представлена зажимом, приемлемым лишь для прямолинейных образцов. Однако при исследовании остаточных напряжений в деталях сложной формы вырезаемые из них образцы не всегда бывают прямыми, например образцы, вырезанные из пера лопатки авиационной турбины. Во-вторых, при установке в узел крепления образцов с разной длиной рабочей зоны (40…80 мм) координата точки касания головки штока цифрового индикатора на верхнем конце удлинителя датчика деформации образца будет различной. Следовательно, будет различной и расчетная длина удлинителя, которую придется каждый раз измерять и пересчитывать коэффициент масштабного увеличения деформации образца. Заметим также, что нижняя П-образная часть рамки при рабочем режиме установки погружена в ванну с реактивом, что может вызвать ее коррозию.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - расширение технологических возможностей устройства, а именно определение остаточных напряжений в образцах с широким диапазоном длин рабочей части, с прямолинейной и криволинейной формой.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном устройстве для определения остаточных напряжений, содержащем основание со стойкой, травильную ванну, датчики деформации и толщины образца, соединенные с системой обработки информации, приспособление для размещения узла крепления образца и датчиков деформации и толщины образца, выполненное в виде вертикальной рамки, присоединенной к стойке двумя подвижными консолями, в нижней части рамки установлен узел крепления исследуемого образца в вертикальном положении, при этом датчик деформации состоит из удлинителя, выполненного с возможностью закрепления на верхнем конце образца в вертикальном положении, и цифрового индикатора, закрепленного на рамке, контактирующего измерительным наконечником с верхним концом удлинителя, на верхнем конце удлинителя прикреплена пружинка, вторым концом соединенная с цифровым индикатором, датчик толщины включает два рычага, охватывающие концами образец по толщине, выполненные длинными, установленные вертикально, шарнирно закрепленные на рамке, на верхнем конце левого рычага закреплен цифровой индикатор, контактирующий измерительным наконечником с правым рычагом, нижние плечи рычагов соединены пружинкой, а верхний конец правого рычага соединен с индикатором другой пружинкой, при этом длины рычагов и удлинителя в 5…8 раз больше длины образца и соотношение длин плеч рычагов составляет 1:4…1:6, причем большему соотношению длин рычагов и удлинителя к длине образца соответствует большее соотношение длин плеч рычагов, согласно изобретению узел крепления образца снабжен держателем, зажимом для образца и плоским кронштейном с криволинейным пазом, при этом держатель расположен вертикально, выполнен в виде прямолинейной пластины с продольным пазом, прикреплен верхней частью к рамке и кронштейну болтами с шайбами и гайками, проходящими через пазы держателя и кронштейна, причем держатель выполнен с возможностью перемещения в направлении продольного паза и отклонения от вертикали в пределах длин продольного и криволинейного пазов при ослабленной затяжке болтов, зажим для образца расположен на нижней части держателя и состоит из двух пластинок, скрепленных болтами с гайками, причем одна из пластинок жестко соединена с держателем, другая пластинка выполнена накладной с возможностью размещения на нижнем конце закрепляемого образца, плоский кронштейн жестко закреплен вертикально на рамке.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - узел крепления образца снабжен держателем, зажимом для образца и плоским кронштейном с криволинейным пазом; держатель расположен вертикально, выполнен в виде прямолинейной пластины с продольным пазом, прикреплен верхней частью к рамке и кронштейну болтами с шайбами и гайками, проходящими через пазы держателя и кронштейна; держатель выполнен с возможностью перемещения в направлении продольного паза и отклонения от вертикали в пределах длин продольного и криволинейного пазов при ослабленной затяжке болтов; зажим для образца расположен на нижней части держателя и состоит из двух пластинок, скрепленных болтами с гайками, причем одна из пластинок жестко соединена с держателем, другая пластинка выполнена накладной с возможностью размещения на нижнем конце закрепляемого образца; плоский кронштейн жестко закреплен вертикально на рамке.
Отличительные признаки предлагаемого устройства обеспечивают возможность определения остаточных напряжений как в прямых образцах, так и в образцах с криволинейной рабочей зоной, с широким диапазоном длин. При этом при разной длине и кривизне рабочей зоны образцов расчетная длина удлинителя и коэффициент масштабного увеличения деформации образца остаются постоянными величинами. Благодаря этому достигается заявленный технический результат - расширение технологических возможностей устройства.
Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для определения остаточных напряжений.
На фиг. 2 приведен узел крепления с прямолинейным образцом (вид спереди).
На фиг. 3 - узел крепления (вид сбоку).
На фиг. 4 показан зажим образца (вид в сечении).
На фиг. 5 приведен узел крепления с криволинейным образцом.
Устройство (фиг. 1) содержит основание 1, закрепленную на нем стойку 2, травильную ванну 3 с реактивом, датчики деформации и толщины образца, соединенные с системой обработки информации, приспособление для размещения узла крепления образца 4 и датчиков деформации и толщины образца. Приспособление для размещения узла крепления образца 4 и датчиков деформации и толщины образца выполнено в виде вертикальной рамки 5, присоединенной к стойке 2 двумя подвижными консолями 6. Соединение позволяет поднимать и опускать рамку 5 с образцом 4 и датчиками, нужное положение фиксируется винтами 7.
В нижней части рамки 5 установлен узел крепления исследуемого образца 4 в вертикальном положении. Узел крепления образца 4 (фиг. 2, 3, 5) включает держатель 8, зажим для образца и плоский кронштейн 9 с криволинейным пазом 10. Держатель 8 расположен вертикально, выполнен в виде прямолинейной пластины с продольным пазом 11, прикреплен верхней частью к рамке 5 и кронштейну 9 болтами 12 с шайбами и гайками, проходящими через пазы 11, 10 держателя 8 и кронштейна 9. Держатель 8 выполнен с возможностью перемещения в направлении продольного паза 11 и отклонения от вертикали в пределах длин продольного 11 и криволинейного 10 пазов при ослабленной затяжке болтов 12. Зажим для образца 4 расположен на нижней части держателя 8 и состоит из двух пластинок 13, скрепленных болтами 14 с гайками (фиг. 2, 4). Одна из пластинок 13 жестко соединена (сваркой) с держателем 8, другая пластинка 13 выполнена накладной с возможностью размещения на нижнем конце закрепляемого образца 4. Плоский кронштейн 9 жестко закреплен вертикально на рамке 5. Рамка 5 выполнена таким образом, чтобы ее нижняя часть при работе устройства не погружалась в реактив, что исключает контакт рамки с реактивом (фиг. 1).
Датчик деформации состоит из удлинителя 15, выполненного с возможностью закрепления на верхнем конце образца 4 в вертикальном положении, и цифрового индикатора 16, контактирующего измерительным наконечником с верхним концом удлинителя 15, на верхнем конце удлинителя 15 прикреплена пружинка 17, вторым концом соединенная с цифровым индикатором 16 (фиг. 1, 2).
Датчик толщины включает два рычага 18, охватывающие нижними концами образец 4 по толщине. Рычаги 18 датчика выполнены длинными, установлены вертикально, шарнирно закреплены на рамке 5. На верхнем конце левого рычага 18 закреплен цифровой индикатор 19, контактирующий измерительным наконечником с правым рычагом 18. На верхнем конце правого рычага 18 прикреплена пружинка 20, вторым концом соединенная с цифровым индикатором 19.
Пружинки 17 и 20 компенсируют усилия прижатия измерительных наконечников индикаторов 16 и 19, тем самым исключая дополнительный изгиб образца 4.
Нижние плечи рычагов 18 соединены пружинкой 21, обеспечивающей контакт щупов 22, выполненных из химически стойкого материала, например керамики, с образцом 4, расположенным рабочей поверхностью 23 в сторону левого рычага 18 (фиг.1).
Длины рычагов 18 и удлинителя 15 в 5…8 раз больше длины образца 4, и соотношение длин плеч рычагов 18 составляет 1:4…1:6, причем большему соотношению длин рычагов 18 и удлинителя 15 к длине образца 4 соответствует большее соотношение длин плеч рычагов 18.
Система обработки информации 24 включает компьютер со специальной программой.
Устройство работает следующим образом.
На этапе подготовки к эксперименту приспособление для размещения узла крепления образца 4 и датчиков находится закрепленным в верхнем положении над ванной 3 с реактивом. Подготовленный по известной методике прямолинейный образец 4 в вертикальном положении нижним концом прикладывают к закрепленной на держателе 8 пластинке 13 зажима, сверху накладывают вторую пластинку 13 и двумя болтами 14 сборку скрепляют (фиг. 2, 4). На верхний свободный конец образца прикрепляют в вертикальном положении удлинитель 15 датчика деформации. Далее при ослабленной затяжке болтов 12 смещают держатель 8 в направлении продольного паза 11 и криволинейного паза 10 так, чтобы маркерная точка на конце удлинителя 15 совместилась с головкой штока цифрового индикатора 16, а удлинитель 15 принял вертикальное положение, которое затем фиксируют затяжкой болтов 12 (фиг. 2). Благодаря такой настройке обеспечивается заданная расчетная длина удлинителя 15. Затем подготовленное приспособление с закрепленным образцом 4, контактирующим с щупами 22, опускают в ванну 3 до полного погружения образца 4 в реактив и фиксируют это положение с помощью винтов 7 (фиг. 1). Далее включают систему обработки информации 24 и осуществляют процесс стравливания материала с рабочей поверхности 23 образца 4. При этом образец 4 начинает одновременно изгибаться и утоняться, что вызывает перемещение удлинителя 15 и рычагов 18. Удлинитель 15 датчика деформации воспринимает изгиб образца 4 и передает перемещение на цифровой индикатор 16. Левый рычаг 18 датчика толщины контактирует с рабочей поверхностью 23 образца 4 и отслеживает одновременно изгиб образца 4 и толщину снимаемого слоя материала, правый рычаг 18 отслеживает только изгиб образца 4. От изгиба образца 4 нижние концы обоих рычагов 18, находясь в постоянном контакте с образцом 4, перемещаются в горизонтальном направлении в одну сторону на одинаковую величину. При этом верхние концы рычагов 18, контактирующие с индикатором 19, также перемещаются в одну сторону на одинаковую величину. Следовательно, расстояние между верхними концами рычагов 18 не изменяется и индикатор 19 на это перемещение не реагирует. Он реагирует только на перемещение левого рычага 18, контактирующего с поверхностью 23, с которой снимается материал в процессе травления. Информация с цифрового индикатора 16 о величине прогиба образца 4 и с цифрового индикатора 19 о толщине образца 4 поступает в непрерывном или дискретном режимах в систему обработки данных 24. С помощью компьютера, входящего в состав системы 24, получаемая информация о прогибах и толщинах образца преобразуется в необходимые расчетные параметры, далее по известным формулам с помощью специальной программы выполняются расчеты остаточных напряжений в поверхностных слоях материала образца.
Для исследования остаточных напряжений в криволинейном образце 4 его крепление в устройстве осуществляют в соответствии с фиг. 5.
Таким образом, заявляемое устройство определения остаточных технологических напряжений в образцах, вырезанных из контролируемой детали, позволяет исследовать образцы с широким диапазоном длин рабочей зоны, с прямолинейной и криволинейной формой, что значительно расширяет технологические возможности устройства.