УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения остаточных технологических напряжений в образцах, вырезанных из исследуемой детали.

Известно устройство для определения остаточных напряжений, содержащее основание, на котором размещена ванна с реактивом и закреплена стойка. К стойке присоединено приспособление для крепления исследуемого образца и датчиков деформации и толщины образца, датчики соединены с регистрирующим прибором. Крепление образца консольное, горизонтальное, в процессе травления образец погружен в реактив только его рабочей поверхностью, датчики находятся в контакте с образцом. Датчик деформации представляет собой индикатор часового типа, головка индикатора контактирует со свободным концом образца. Датчик толщины индуктивного типа снабжен рычажной системой с двумя плавающими щупами, контактирующими с образцом по его толщине. Датчики соединены с системой обработки информации [авт. свид. №242466 от 25.04.1969 г.].

Данное устройство является наиболее близким к заявленному техническому решению, оно взято в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - основание со стойкой; травильная ванна; датчики деформации и толщины образца; присоединенное к стойке приспособление для крепления образца и датчиков деформации и толщины образца; датчики соединены с системой обработки информации; датчик толщины включает два рычага, охватывающие концами образец по толщине.

Недостатки известного устройства, принятого за прототип, следующие.

Датчик деформации - индикатор контактирует непосредственно с концом изгибающегося образца и замеряет его перемещение. При последовательном снятии тонких слоев материала в процессе травления образец изгибается и величина перемещения головки индикатора от каждого снятого тонкого слоя обычно составляет 20…30 мкм, а погрешность индикатора в зависимости от его марки составляет 4…10 мкм. Эти величины одного порядка, что не обеспечивает желаемой точности замеров. Для получения корректных результатов замеров необходимо, чтобы замеряемые индикатором перемещения были на порядок больше погрешности индикатора. В известном устройстве применен датчик толщины образца индуктивного типа, его недостаток в нелинейности выходного сигнала, что снижает точность измерений. Кроме того, датчики во время эксперимента расположены близко над ванной с реактивом, в зоне повышенной концентрации испарений. Химически активные испарения воздействуют на металлические элементы датчиков и вызывают их коррозию. Относительно расположения образца отметим следующее. Образец погружен в реактив только рабочей поверхностью. При тонких образцах и значительном прогибе, вызванном стравливанием слоев материала, конец образца может приподняться над реактивом или полностью погрузиться в него, что повлияет на качество стравливания материала и на показания индикатора. Чтобы обеспечить качественное травление рекомендуется располагать образец так, чтобы над ним был слой реактива не менее 10…15 мм.

Задача, на решение которой направленно заявляемое изобретение, - повышение точности определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали, упрощение конструкции устройства, снижение воздействия агрессивных испарений реактива на элементы датчиков.

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, присоединенное к стойке приспособление для 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, согласно изобретению приспособление для крепления образца и датчиков выполнено в виде вертикальной рамки, присоединенной к стойке двумя подвижными консолями, в нижней 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.

В предпочтительном варианте на верхнем конце правого рычага прикреплена пружинка, вторым концом соединенная с цифровым индикатором датчика толщины.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - приспособление для крепления образца и датчиков выполнено в виде вертикальной рамки, присоединенной к стойке двумя подвижными консолями; в нижней 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; 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; на верхнем конце правого рычага прикреплена пружинка, вторым концом соединенная с цифровым индикатором датчика толщины.

Соотношения длин рычагов и удлинителя к длине образца и длин плеч рычагов установлены экспериментальным путем. Причем большему соотношению длин рычагов и удлинителя к длине образца должно соответствовать большее соотношение длин плеч рычагов.

Обычно длины исследуемых образцов составляют 40-80 мм. При длине образцов L=40 мм требуемую точность определения остаточных напряжений достигают при соотношении длин рычагов и удлинителя к длине образца, равном 8 и соотношении длин плеч рычагов 1:6. При значении больше 8 габариты устройства чрезмерно увеличиваются, конструкция усложняется, что нецелесообразно. При длине образцов L=80 мм для достижения требуемой точности достаточно взять соотношение длины рычагов и удлинителя к длине образца, равное 5, а соотношение длин плеч рычагов 1:4. При значении меньше 5 не обеспечивается точность определения остаточных напряжений.

Отличительные признаки позволили:

- компактно разместить элементы датчиков;

- применить в датчиках достаточно длинные рычаги и удлинитель, не увеличивая горизонтальные габариты устройства;

- увеличить масштабы измеряемых величин деформации в 6…10 раз, а величин толщин образца в 4…6 раз;

- компенсировать усилия на образец со стороны цифровых индикаторов;

- расположить цифровые индикаторы датчиков высоко над ванной, тем самым вывести их из зоны интенсивного воздействия испарений реактива.

Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение точности определения остаточных напряжений, упрощение конструкции устройства, снижение воздействия агрессивных испарений реактива на индикаторы.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показан общий вид устройства.

Устройство содержит основание 1, закрепленную на нем стойку 2, травильную ванну 3, приспособление для крепления образца и датчиков, выполненное в виде вертикальной рамки 4, на ней размещены исследуемый образец 5 с рабочей поверхностью 6, расположенной слева, закрепленный вертикально в зажиме 7, датчик деформации, состоящий из удлинителя 8 и цифрового индикатора 9, датчик толщины, состоящий из двух длинных рычагов 10 и цифрового индикатора 11, закрепленного на верхнем конце одного из рычагов 10 и контактирующего измерительным наконечником с другим рычагом. Удлинитель 8 выполнен с возможностью закрепления на верхнем конце образца в вертикальном положении. На верхнем конце удлинителя 8 прикреплена пружинка 12, вторым концом соединенная с цифровым индикатором 9. На верхнем конце правого рычага 10 прикреплена пружинка 13, вторым концом соединенная с цифровым индикатором 11. Пружинки 12 и 13 компенсируют усилия прижатия измерительных наконечников цифровых индикаторов 9,11, тем самым исключая дополнительный изгиб образца. Нижние плечи рычагов 10 соединены пружинкой 14. Нижние концы рычагов 10 выполнены с возможностью охвата образца по толщине. Длины рычагов 10 и удлинителя 8 в 5…8 раз больше длины образца и соотношение длин плеч рычагов 10 составляет 1:4…1:6, причем большему соотношению длин рычагов 10 и удлинителя 8 к длине образца соответствует большее соотношение длин плеч рычагов 10. Например, при длине рычагов 10 и удлинителя 8 в 8 раз больше длины образца соотношение длин плеч рычагов равно 1:6, а при длине рычагов и удлинителя в 5 раз больше длины образца соотношение длин плеч рычагов равно 1:4. Рамка 4 присоединена двумя консолями 15 к стойке 2, соединение позволяет поднимать и опускать рамку 4 с образцом и датчиками, нужное положение фиксируется винтами 16. Цифровые индикаторы 9,11 соединены с системой обработки информации 17, включающей компьютер со специальной программой.

Устройство работает следующим образом.

Приспособление для крепления образца и датчиков, выполненное в виде вертикальной рамки 4, находится в исходном положении поднятое над ванной 3. Подготовленный образец 5, повернутый рабочей поверхностью 6 к левому рычагу 10, нижним концом закрепляют вертикально в зажим 7, при этом нижние концы рычагов 10 пружинкой 14 плотно прижимаются к образцу в средней его части. К верхнему концу образца присоединяют вертикально удлинитель 8 датчика деформации, компенсирующую пружинку 12 удлинителя 8 присоединяют к рамке 4, цифровой индикатор 9 в контакте с удлинителем 8 приводится в исходное положение. Цифровой индикатор 11 датчика толщины также приводится в исходное положение. Подготовленное приспособление 4 опускают в ванну 3 в нижнее положение и фиксируют винтами 16. Затем ванну 3 заполняют подготовленным реактивом до полного утопления образца. Далее осуществляют процесс стравливания материала с рабочей поверхности 6 образца. При этом образец начинает одновременно изгибаться и утоняться, что вызывает перемещение удлинителя 8 и рычагов 10. Удлинитель 8 датчика деформации воспринимает изгиб образца и передает перемещение на цифровой индикатор 9. Левый рычаг 10 датчика толщины контактирует с рабочей поверхностью 6 образца и отслеживает одновременно изгиб образца и толщину снимаемого слоя материала, правый рычаг 10 отслеживает только изгиб образца. От изгиба образца нижние концы обоих рычагов, находясь в постоянном контакте с образцом, перемещаются в горизонтальном направлении в одну сторону на одинаковую величину. При этом верхние концы рычагов, контактирующие с индикатором 11, также перемещаются в одну сторону на одинаковую величину. Следовательно, расстояние между верхними концами рычагов 10 не изменяется и индикатор на это перемещение не реагирует. Он реагирует только на перемещение левого рычага, вызванное утонением образца в процессе травления, т.е. на изменение его толщины. Информация цифрового индикатора 9 о величине деформации образца и с цифрового индикатора 11 о толщине образца поступает в систему обработки данных 17. С помощью компьютера, входящего в состав системы 17, полученная информация преобразуется в необходимые расчетные параметры, далее по известным формулам с помощью специальной программы выполняются расчеты остаточных напряжений в поверхностных слоях материала образца.

Преимущество заявленного устройства состоит в том, что возможность компактного размещения элементов датчиков, применения в датчиках достаточно длинных рычагов и удлинителя, не увеличивая горизонтальные габариты устройства, увеличения масштабов измеряемых величин деформации в 6…10 раз, а величин толщин образца в 4…6 раз, компенсирования усилия пружинки цифрового индикатора на удлинитель, расположения цифровых индикаторов датчиков высоко над ванной существенно повышает точность определения остаточных напряжений, упрощает конструкцию устройства и снижает воздействие агрессивных испарений реактива на индикаторы.