Микросклерометр

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Свириденок Анатолий Иванович Дорожко Александр Валентинович Игнатовский Михаил Иванович Свекло Иосиф Францевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Микросклерометр, состоящий из механического измерительного устройства, электронного блока управления и компьютерной программы, исполняемой на персональном компьютере, механическое измерительное устройство которого включает механизм нагружения, механизм перемещения, индентор, систему измерения, отличающийся тем,что кроме датчиков вертикального и латерального перемещения система измерения оснащена тензорезисторным преобразователем для измерения силы трения, выполненным в виде кольца, укрепленного на штоке мотор-редуктора механизма перемещения с возможностью деформации в плоскости диаметра в направлении, противоположном латеральному перемещению индентора. 2. Микросклерометр по п. 1, отличающийся тем, что на шток мотор- редуктора установлена штанга с шарикоподшипником с возможностью уменьшения влияния усилия на кольцевой тензорезисторный преобразователь в нормальном направлении. 29442006.08.30 3. Микросклерометр по п. 1, отличающийся тем, что на стороне кольцевого тензорезисторного преобразователя, противоположной штоку мотор-редуктора, установлена тензорезиторная балка с возможностью прогиба в нормальном направлении для измерения перемещения индентора. 4. Микросклерометр по п. 3, отличающийся тем, что к тензорезиторной балке присоединен узел крепления индентора, выполненный в виде рамки и прозрачной пластинки прямоугольной формы для обеспечения возможности микросъемки процесса царапанья под углом от 45 до 90 к поверхности испытываемого образца. 5. Микросклерометр по п. 1, отличающийся тем, что на корпус мотор-редуктора установлена тензобалка с возможностью деформации клином, закрепленным на штоке, для измерения длины продольного перемещения. 6. Микросклерометр по п. 5, отличающийся тем, что на корпусе мотор-редуктора установлены два конечных выключателя с возможностью контроля крайних положений штока мотор-редуктора.(56) 1. Егерман А.Я., Егерман Т.Г. Склерометр.991251, МПК 01 3/50, 1983. 2. Димов Ю.В. Склерометр.1226148, МПК 01 3/46, 1986. 3. Сорокин Г.М., Сафонов Б.П., Лысюк А.Я., Евреинов С.И. Склерометр.2141106,01 3/46, 1999. 4. Абраменко Ю.Е., Гапонкин В.А. Склерометр 1059483, МПК 01 3/46, 1983. Полезная модель относится к лабораторно-исследовательским устройствам, предназначенным для определения трибологических свойств материалов методами царапанья и динамической индентации. Микросклерометр включает в себя механическое устройство нагружения, электронный блок управления, а так же компьютерную программу для обработки полученных данных, исполняемую на персональном компьютере. Известны склерометры, основанные на маятниковом принципе, используемые для определения механических характеристик поверхностного слоя различных материалов методом царапания 1, 2. Принцип работы склерометров данного типа состоит в получении на исследуемом плоском образце царапины постоянного поперечного сечения и возможности определения полной силы царапания, что позволяет определить физикомеханические свойства исследуемых материалов. В общем виде они представляют собой конструкцию, состоящую из корпуса с опорной плитой, размещенным на нем столиком для крепления образцов, маятника с индентером на конце, стопорного узла и устройства для измерения угла отклонения маятника. Недостатками склерометров подобного типа являются отсутствие возможности управлять режимами и скоростью царапанья, трудности в настройке системы при многопроходном режиме измерения, а также необходимость нормирования царапины по ширине для материалов композиционного типа с переменной жесткостью. Основным недостатком метода измерения является косвенное измерение свойств упругой поверхности по пространственно-геометрическим параметрам оставленного следа. Известен склерометр данной группы 3, обладающий тензометрическими силоизмерителями, позволяющими непосредственно оценивать тангенциальное и нормальное усилие царапанья. К недостаткам прибора можно отнести отсутствие механизма фиксации изменения во времени пространственно-геометрических параметров царапины и необходимость определять их впоследствии при помощи оптического микроскопа. Известны склерометры с системой независимого перемещения индентора в ортогональных направлениях. Подобный тип склерометров позволяет производить многократное сканирование поверхности исследуемого образца при управляемой скорости сканирования. 2 29442006.08.30 Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является склерометр,содержащий механизм нагружения, механизм перемещения, индентор и систему измерения, состоящую из датчиков вертикального и латерального перемещения 4. Недостатком склерометра является использование косвенного принципа измерения физико-механических свойств материала при помощи двух групп датчиков вертикального и латерального перемещения. Этот недостаток частично компенсируется путем дублирования системы регистрации вертикального перемещения вторым щупом, используемым для повторного измерения пространственно-геометрических параметров царапины, изменяющихся во времени благодаря свойству релаксации, что до некоторой степени позволяет восстановить пространственно-геометрические параметры следа на момент царапанья. Техническая задача, на решение которой направлена модель - создание устройства с увеличенной точностью измерения физико-механических свойств материалов, обеспечивающего измерение мгновенных значений изменяющихся во времени пространственногеометрических параметров следа и обработку данных под управлением компьютера. Решение технической задачи достигается тем, что система измерения механического измерительного устройства оснащена третьей группой датчиков, непосредственно регистрирующей реакцию материала на воздействие индентером в латеральном направлении, и наличием двух групп датчиков, фиксирующих изменяющиеся во времени пространственно-геометрические параметры царапины или пятна от индентора. Для реализации измерения реакции материала на воздействие индентером на образец в латеральном направлении используется тензорезисторный преобразователь силы с упругим элементом, выполненным в виде кольца. Измеряемое усилие (сила трения индентора о поверхность образца) действует в плоскости диаметра кольца в направлении, обратном перемещению индентора, что приводит к деформации наклеенных на его поверхности тензорезисторов. Уменьшение влияния усилия в нормальном направлении на кольцевой тензорезисторный преобразователь достигается установкой на шток мотор-редуктора штанги с шарикоподшипником. Для измерения нормального перемещения индентора на стороне кольцевого тензорезисторного преобразователя, противоположной штоку мотор-редуктора, установлена тензорезиторная балка. Для проведения микросъемки процесса царапанья узел крепления индентора реализован на основе прозрачной пластины, присоединенной к тензорезиторной балке при помощи рамки. Для измерения длины продольного перемещения на корпус мотор-редуктора установлена тензобалка, которая во время перемещения штока деформируется закрепленным на нем клином. В свою очередь, на корпусе мотор-редуктора установлены два конечных выключателя с возможностью контроля крайних положений штока мотор-редуктора. Сущность полезной модели микросклерометра в предложенном исполнении выражается совокупностью нижеприведенных отличительных и существующих в базовой модели признаков, направленных на достижение технического результата - увеличения точности измерения и получения новых данных - мгновенных пространственно-геометрических параметров царапины или пятна от индентора наличие третьей независимой системы измерения, вместе с двумя другими системами,существующими также и в наиболее близком образце, выполняющей, в режиме реального времени, измерения физико-механических свойств испытываемого материала и пространственно-геометрических параметров следа, что сделает возможным, благодаря интерактивному контролю за измеряемыми параметрами, осуществляемому компьютерной программой, реализовать функционирование многопроходных склерометрических режимов и динамического индентирования. В склерометрическом режиме измерения регулируются длина, скорость и количество возвратно-поступательных циклов царапанья 29442006.08.30 конструкция системы измерения вертикального перемещения обеспечивает возможность отслеживать профиль царапины при движении под нагрузкой в режиме склерометрии и выполнять исследования в режиме динамической индентации исполнение узла крепления индентора на основе прозрачной пластины, позволяет производить микросъемку процесса царапанья под углом от 45 до 90 к поверхности испытываемого образца использование системы измерения латерального перемещения на основе тензобалки,деформируемой клином, позволяет измерять не только перемещение индентора, но и отслеживать его координату в рамках избранной системы отсчета сразу после включения микросклерометра. Описание устройства микросклерометра сопровождается пятью схемами. На фиг. 1 представлена блок-схема микросклерометра на фиг. 2 - схема механического измерительного устройства на фиг. 3 - схема узла крепления индентора механического измерительного устройства, вид А на фиг. 4 - схема узла крепления индентора механического измерительного устройства, вид Б на фиг. 5 - схема узла мотор-редуктора механического измерительного устройства, вид В. Микросклерометр состоит из трех модулей. Блок-схема микросклерометра показана на фиг. 1. Микросклерометр включает в себя механическое измерительное устройство 1 и электронный блок управления 2, который передает управляющие команды 3 механическому измерительному устройству и получает поток данных 4. Электронный блок управления обеспечивает работу силовых цепей, выполнение команд, преобразование и передачу данных программе 5, выполняющейся на персональном компьютере. Электронный блок управления дополнен интерфейсом электрической связи 6 с портом персонального компьютера по средствам протокола -232. Компьютерная программа выполняет функции управления и интерактивной обработки данных. Механическое измерительное устройство предназначено для измерения силы трения при движении индентора по поверхности образца при заданном значении силы нормального давления и скорости движения. Схематическое изображение механического измерительного устройства показано на фиг. 2. Его узлы детально изображены на фиг. 3, фиг. 4,фиг. 5. Оно состоит из основания 1, на котором установлена рама 2 с закрепленными на ней механизмами продольной и поперечной подачи. Механизм продольной подачи предназначен для перемещения индентора 3 по поверхности образца 4 и состоит из мотор-редуктора 5 и передачи винт-гайка. Вал моторредуктора 5 соединен с винтом 6. В качестве гайки используется шток 7. Зацепление винта 6 со штоком 7 (гайкой) обеспечивается шариком 8 и пружиной 9. Проворачивание штока 7 в корпусе 10 предотвращается шарикоподшипником 11, установленным в направляющей 12. Механизм поперечной подачи предназначен для регулирования силы нормального давления индентора 3 на образец 4 и представляет собой микрометрическую винтовую передачу. При вращении гайки 13 подпружиненный винт с основанием 14, на котором закреплен образец 4, перемещается в вертикальном направлении, изменяя величину прогиба тензобалки 16, а вместе с ним и величину нормального давления на образец 4. Для измерения силы трения индентора 3 по поверхности образца 4 используется тензорезисторный преобразователь силы с упругим элементом, выполненным в виде кольца 17. Измеряемое усилие действует в направлении диаметра кольца, что приводит к деформации наклеенных на его поверхности тензорезисторов. Для уменьшения влияния на эти деформации усилия, действующего в перпендикулярном направлении (сила нормального давления), используется штанга 18 с шарикоподшипником 19. Для измерения длины царапанья используется тензобалка 20, деформируемая клином 21, закрепленным на штоке 7. Поскольку перемещение штока 7 соответствует длине царапанья, то и деформация тензобалки 20 будет пропорциональна измеряемому перемеще 4 29442006.08.30 нию. Рабочий ход штока вправо. Крайние положения штока 7 контролируются при помощи двух конечных выключателей 22. Индентор 3 крепится на стеклянной пластине 23. Пластина 23 прямоугольной формы с размерами 12,517,53 мм вставляется в направляющие 24 и фиксируется планкой 25 при завинчивании двух винтов 26. Для создания усилия на инденторе 3 используется рамка, образованная двумя тягами 27, направляющими 24 и траверсой 28. Регулировка высоты рамки производится двумя винтами 29. Необходимый набор разновесов 30 устанавливается на подвес 31 и фиксируется гайкой 32. Подвес 31 устанавливается на поперечине траверсы 28 при помощи зацепа 33. Вертикальное положение оси подвеса 31 обеспечивается шарнирным креплением тяг 27 к направляющим 24 и подвижным соединением зацепа 33 на траверсе 28. При помощи гаек на шпильке 34 регулируется параллельность оси штока 7 поверхности образца 4. Контроль производится по показаниям датчика нормального усилия (тензобалка 16). При минимальном значении нормального усилия на инденторе 3 показания датчика должны быть одинаковыми в начале и конце пути царапанья. Регулирование угла между поверхностью образца 4 и осью индентора 3 производится при помощи установочного винта 35 при ослабленных двух винтах 36. Положение прибора на плоскости регулируется четырьмя винтами 37. Повышение точности измерения, достигаемое в предложенной полезной модели, связано с тем, что измерение физико-механических и пространственно-геометрических параметров происходит в реальном времени, т.е. фиксируются их мгновенные значения. Изменение пространственно-геометрических параметров во времени (релаксация) для различных материалов является переменной величиной, поэтому повышение точности изменяется в зависимости от исследуемого образца. Реализация многопроходного режима позволяет, во первых, проанализировать изменение свойств материала по слоям, во вторых, зависимость этих свойств от предварительных воздействий. Реализация режима динамического индентирования позволяет определять не интегральную твердость материала, а изменение ее в зависимости от глубины слоя или переменной нагрузки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6