Способ определения анизотропии физико-механических преимущественно фрикционных свойств материала

Изобретение относится к области механики деформируемого твердого тела, а именно к методам испытания и анализа физико-механических свойств материалов, преимущественно фрикционных. Способ определения анизотропии поверхностных физико-механических, преимущественно фрикционных свойств материала заключается в том, что по поверхности материала перемещают индентор, измеряют компоненты полного вектора сил сопротивления и по их отношению судят об анизотропии, причем компоненты полного вектора силы сопротивления измеряют одновременно при проходе индентора по свежему следу и при одном и том же взаимном положении осей анизотропии контактирующих поверхностей. Причем индентор перемещают по нелинейной траектории движения, аппроксимированной набором линейных участков с заданной степенью приближения, при прохождении индентора по каждому из которых производят одновременное статистически значимое количество измерений компонент полного вектора силы сопротивления, и по отношению их средних значений судят об анизотропии на данном участке траектории, а по суммарной информации по всем участкам траектории судят об изменении силовых параметров трения и об анизотропии поверхностных физико-механических свойств. Технический результат направлен на повышение точности и достоверности испытания анизотропных материалов. 2 ил.

 

Изобретение относится к области механики деформируемого твердого тела, а именно к методам испытания и анализа физико-механических свойств материалов, преимущественно фрикционных.

Известен способ определения анизотропии физико-механических, преимущественно фрикционных свойств материала (А.с. №705312, кл. МКИ² G01N 19/02, 1979, БИ №47), заключающийся в том, что по поверхности материала перемещают индентор, измеряют компоненты полного вектора сил сопротивления и по их отношению судят об анизотропии, причем компоненты полного вектора силы сопротивления измеряют одновременно при проходе индентора по свежему следу.

Недостатками способа-аналога являются неопределенность и неоднозначность выбора траектории движения индентора. В описании к способу указывается, что траектория движения выбирается из априорной информации, а при ее отсутствии предпочтение отдается круговой. Так в случае выбора линейной траектории движения вопросов не возникает, т.к. условия проведения испытания остаются постоянными на всем пути движения индентора. Однако при организации нелинейной траектории движения или круговой можно говорить только об оценке мгновенных значений компонент полного вектора силы сопротивления, достоверность получаемых в этом случае данных может быть подвергнута сомнению из-за непрерывного изменения условий испытания.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения анизотропии физико-механических, преимущественно фрикционных свойств материала (А.с. №1388769, кл. МКИ² G01N 19/02, 1988, БИ №14), заключающийся в том, что по поверхности материала перемещают индентор, измеряют компоненты полного вектора сил сопротивления и по их отношению судят об анизотропии, причем компоненты полного вектора силы сопротивления измеряют одновременно при проходе индентора по свежему следу и при одном и том же взаимном положении осей анизотропии контактирующих поверхностей.

Основным отличием способа-прототипа от способа-аналога является возможность проведения испытания пары анизотропных тел за счет учета взаимной ориентации анизотропных поверхностей, причем в качестве траектории движения опять используется круговая траектория.

При проведении анализа на нелинейной (круговой) траектории движения можно говорить лишь о получении качественной картины процесса трения и о возможности оценки экстремальных значений исследуемых параметров, а заявленная одновременная или мгновенная оценка величин компонент вектора трения в точке измерения будет соответствовать единственно возможной точке траектории с уникальными условиями прохода из-за нелинейного изменения направления движения пары трения.

Следовательно, при организации нелинейных траекторий движения по способу-прототипу затруднена возможность проведения статистической обработки результатов, что снижает точность и достоверность проводимого анализа свойств анизотропных материалов и пар трения.

Задачей изобретения является повышение точности и достоверности экспериментального анализа свойств анизотропных материалов и пар трения.

Поставленная задача решается тем, что способ определения анизотропии физико-механических, преимущественно фрикционных свойств материала заключается в том, что по поверхности материала перемещают индентор по нелинейной траектории движения, аппроксимированной набором линейных участков с заданной степенью приближения, при прохождении индентора по каждому из которых производят одновременное статистически значимое количество измерений компонент полного вектора силы сопротивления, и по отношению их средних значений судят об анизотропии на данном участке траектории, причем измерения совершают при проходе по свежему следу и при одном и том же взаимном положении осей анизотропии контактирующих поверхностей. Суммарная информация по всем участкам нелинейной траектории позволяет судить об изменении силовых параметров трения по ходу траектории движения и об анизотропии поверхностных физико-механических свойств.

На фиг.1 представлена двухкоординатная машина трения, при помощи которой проводили анализ свойств анизотропных поверхностей в соответствии с заявляемым способом.

Двухкоординатная машина трения содержит держатель 1 образца 2, держатель 3 контртела 4, взаимодействующий с держателем 3 механизм нагружения 5, связанный с держателем 3 двухкомпонентный датчик силы 6, двухкоординатный привод, состоящий из основания 7 и рамы 8, кареток 9 и 10, установленных соответственно на основании 7 и раме 8 в направляющих (не показаны). Линейные перемещения кареток 8 и 9 во взаимно перпендикулярных направлениях обеспечиваются при помощи передач винт-гайка 11 и электродвигателей 12, имеющих независимые друг от друга модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2), подключенные через согласующее устройство 14 (СУ) к компьютеру управления 15 (ПК).

Система автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения состоит из двух измерительных каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП), подключенный информационными выходами и входом запуска преобразования посредством согласующего устройства 14 (СУ) к компьютеру управления 15 (ПК), а аналоговым входом к одному из тензометрических элементов двухкомпонентного датчика силы 6 при помощи усилителей аналоговых сигналов 17 (У 1 и У 2).

Согласующее устройство 14 (СУ) обеспечивает необходимое количество каналов ввода-вывода для подключения внешних устройств и выполняет функции согласования уровней входных сигналов, поступающих в компьютер управления с АЦП, а также сигналов, поступающих из управляющего компьютера на АЦП (сигнал запуска преобразования) и модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2) двухкоординатного привода машины трения.

Способ реализуется следующим образом.

Перед началом испытания машина трения находится в исходном состоянии.

Каретки 9 и 10 находятся в крайнем правом (или левом) положении, при котором обеспечивается удобство постановки испытуемых образцов в соответствующие держатели 1 и 3, при этом образцам задают определенную взаимную ориентацию.

Процедура испытания начинается с автоматической установки держателя 1 образца 2 и держателя 3 контртела 4 в исходной точке начала испытания. После чего оператор приводит образцы в контакт и осуществляет их нагружение при помощи механизма нагружения 5.

Дальнейшая работа машины трения обеспечивается в автоматическом режиме программой управления, функционирующей на компьютере 15 (ПК), которая поддерживает заданные оператором параметры движения контртела 4 по поверхности плоского образца 2.

В нашем случае поддерживается круговая траектория, аппроксимированная линейными участками при фиксированном взаимном положении образцов, путем передачи управляющих сигналов через согласующее устройство 14 (СУ) на модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2), которые, в свою очередь, управляют электродвигателями 12 двухкоординатного привода, приводящими в движение каретки 9 и 10 посредством передач винт-гайка 11.

Параллельно с процессом управления двухкоординатным приводом машины трения компьютером управления 15 (ПК) регистрируются компоненты главного вектора силы трения, поступающие с информационных выходов независимых аналого-цифровых преобразователей 16 (АЦП 1 и АЦП 2), каждый из которых преобразует аналоговый сигнал, получаемый с одного из тензометрических элементов, двухкомпонентного датчика 6 и усиливаемый усилителями 17 (У 1 и У 2). При перемещении индентора по каждому из линейных участков траектории движения обеспечивают равное количество одновременных измерений компонент полного вектора сопротивления движению индентора и по отношению их средних значений судят об анизотропии на данном участке траектории.

Совокупный анализ на всех участках траектории движения дает представление об изменении силовых параметров трения по ходу траектории движения и об изменении анизотропии поверхностных физико-механических свойств пары трения.

После окончания программы испытания машина трения останавливается, с образцов снимается нагрузка и они выводятся из контакта, а каретки 9 и 10 переводятся в исходное состояние.

Пример определения анизотропии эффективного коэффициента трения пары трения.

Индентор: Сталь 40Х (210 HV), диаметр 4 мм, длина 15 мм, радиус закругления 2 мм.

Образец: Сталь 45 (HRC 52), обработанная плоским шлифованием, параметры шероховатости: вдоль направления обработки - Ra=0,154 мкм, Rz=0,99 мкм, Rmax=l,92 мкм; поперек направления обработки - Ra=0,344 мкм, Rz=3,40 мкм, Rmax=7,71 мкм.

Анализ проводили при движении индентора по квазинелинейной (круговой) траектории движения индентора диаметром 10 мм, аппроксимированной 24-мя линейными участками траектории. При этом изменение направления движения индентора составляло 15 градусов, время прохождения одного участка траектории составляло 2 секунды, а частота опроса датчиков системы сбора аналитической информации составляла 2 кГц.

Для каждого из участков определяли средние значения величин силы сопротивления по двум взаимно перпендикулярным направлениям, после чего рассчитали абсолютное значение вектора сил сопротивления, а по его отношению к среднему значению силы нагружения оценивали эффективный коэффициент трения.

Совокупный анализ на всех участках траектории движения позволил построить зависимость изменения эффективного коэффициента трения исследуемой пары трения от угла движения индентора в полярных координатах (анизотропа), представленной на Фиг 2.

Способ определения анизотропии поверхностных физико-механических преимущественно фрикционных свойств материала, заключающийся в том, что по поверхности материала перемещают индентор, измеряют компоненты полного вектора сил сопротивления и по их отношению судят об анизотропии, причем компоненты полного вектора силы сопротивления измеряют одновременно при проходе индентора по свежему следу и при одном и том же взаимном положении осей анизотропии контактирующих поверхностей, отличающийся тем, что индентор перемещают по нелинейной траектории движения, аппроксимированной набором линейных участков с заданной степенью приближения, при прохождении индентора по каждому из которых производят одновременное статистически значимое количество измерений компонент полного вектора силы сопротивления, и по отношению их средних значений судят об анизотропии на данном участке траектории, а по суммарной информации по всем участкам траектории судят об изменении силовых параметров трения и об анизотропии поверхностных физико-механических свойств.