Контроль твердости различных изделий, осуществляемый приборами Бринелля и Роквелла, весьма трудоемок и обладает малой точностью Многие детали невозможно проверить с помощью этих приборов, так как после испытания изделие деформируется, вследствие чего приходит в полную негодность В таких случаях производят выборочный контроль, что не дает гарантии годности всей партии Кроме того, с помощью приборов Бринелля или Роквелла определяют только твердость поверхностных слоев Проверка твердости более глубоких слоев невозможна без полного разрушения детали Магнитный метод контроля твердости стальных деталей свободен от указанных выше недостатков Этот метод устраняет лорчу и позволяет без деформации и разрушения проверяемых деталей контролировать твердость поверхностных слоев на глубину до 5—6 мм Магнитный метод контроля твердости дает возможность перейти от выборочного к сплошному контролю всех деталей, увеличить точность измерений, повысить производительность труда и автоматизировать процесс контроля Ниже приводится описание прибора для контроля твердости стальных изделий магнитным методом Прибор разработан в Свердловском радиотехническом техникуме им А С Попова
Принцип действия прибора
Магнитные свойства вещества, его химический состав и кристаллическая структура, от которых зависит твердость изделия, находятся в тесной взаимосвязи и поэтому по магнитным свойствам вещества можно судить о его твердости В основе магнитного метода контроля твердости лежит зависимость магнитных свойств стали от изменений ее структуры, а следовательно, и твердости, происходящих в процессе термической обработки. Для многих сортов стали в широком интервале температур закалки наблюдается однозначная зависимость между твердостью и магнитной проницаемостью. Как видно из рис 1, для стали ШХ-15 в интервале темпера- тур закалки 750— 900° при увеличении твердости магнитная проницаемость уменьшается Таким образом о величине твердости в этом интервале можно судить по значению магнитной проницаемости При дальнейшем увеличении температуры закалки магнитная проницаемость увеличивается, а твердость уменьшается В результате этого одной магнитной проницаемости могут соответствовать два значения твердости Во избежание ошибок контроль твердости можно производить только в пределах однозначного участка. Для этого температура закалки не должна превышать 900°. Так как технология термической обработки, в частности температура закалки, обычно выдерживается с большой точностью, то вероятность ошибок исключается. Например, для роликовых подшипников температура закалки равна 850+10°. Описываемый прибор позволяет автоматически разбраковывать детали на три группы: годные, мягкие и твердые. Автоматическая разбраковка производится с точностью +0,5 Rc. Электронный твердомер имеет ламповый вольтметр, который показывает не только группу (годная или брак), но и величину твердости контролируемой детали, а также позволяет следить за качеством работы автомата. Твердость контролируемых деталей измеряется по ламповому вольтметру с точностью +0,2 Rc, что невозможно получить любым иным методом измерений. Установленный на приборе электромагнитный счетчик автоматически ведет учет количества годных деталей. Электронный твердомер позволяет контролировать детали диаметром от 5 до 16 мм и длиной от 20 до 50 мм. Для контроля деталей больших габаритов необходимо увеличить размеры блока датчиков и блока разбраковки. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 в.
Схема прибора
Разбраковка деталей по твердости производится путем сравнения магнитной проницаемости контролируемой детали с магнитной проницаемостью эталона. Измерительным устройством служит блок датчиков (рис. 2), состоящий из двух трансформаторов Тр3 и Тр4, выполненных в виде катушек, сердечникам в одном из которых служит измеряемая деталь, в другом — эталон. Первичные обмотки трансформаторов включены последовательно и питаются переменным током. Вторичные, измерительные, обмотки включены по мостовой схеме. Напряжения этих обмоток включены согласно. Мост балансируется по активной составляющей потенциометром R32, а по реактивной составляющей — потенциометром R35 таким образом, чтобы напряжение на выходе моста было равно нулю, когда в датчиках отсутствуют детали. Балансировку моста следует производить с помощью осциллографа, подключаемого к одной из сеток оконечного фазочувствительного каскада. Сопротивления, включенные последовательно с потенциометрами, служат для уменьшения пределов регулирования. При установке в датчики деталей на выходе моста появляется напряжение разбаланса, величина которого будет зависеть от того, насколько магнитная проницаемость, а следовательно, и твердость контролируемой детали отличается от магнитной проницаемости и твердости эталона. Фаза напряжения на выходе моста зависит от того, тверже или мягче измеряемая деталь по сравнению с эталонной. Напряжение разбаланса с выхода моста поступает на вход трехкаскадного электронного усилителя, собранного на лампах Л6 (6Н2П) и Л5 (6Н1П). Усиленный сигнал подводится к сеткам ламп фазочувствительного оконечного каскада, собранного на лампе Л\ (6Н1П). На аноды ламп этого каскада подаются переменные напряжения, сдвинутые по фазе на 180°. При появлении на сетках ламп фазочувствительного оконечного каскада напряжения разбаланса достаточной величины сработает реле, стоящее в анодной цепи той лампы, у которой фаза напряжения на сетке совпадает с фазой анодного напряжения. В то же время напряжения на сетке и аноде другой лампы находятся в противофазе. Поэтому эта лампа остается запертой и другое реле не сработает. Оба реле оконечного каскада (Р1 или P2) включают соответствующие сигнальные лампочки (Л21 Л3 или Л4), электромагниты блока разбраковки и счетчик годных деталей.
Если контролируемая деталь мягче эталонной, то на сетки ламп фазочувствительного каскада поступает сигнал, совпадающий по фазе с анодным напряжением нижней половины лампы Л1. Через эту половину лампы и реле протекают импульсы выпрямленного тока такой величины, что нижнее реле Р2 срабатывает, подключает сигнальную лампочку Л4 («мягкие детали») и электромагнит М3 к кнопке Кн1. При нажатии кнопки Кн1 включается электромагнит М2, который выдвигает заслонку датчика контролируемой детали, после чего срабатывает электромагнит М3, который проворачивает одну из заслонок блока разбраковки, и контролируемая деталь попадает в правый желоб, предназначенный для мягких деталей. При попадании мягкой детали в желоб меняется фаза сигнала и растет его величина на входном мосте и сетках лампы оконечного каскада. Вследствие этого может включиться верхнее реле («твердые детали») и мягкая деталь попасть в желоб для твердых деталей. Для устранения такой возможности при нажатии кнопки Кн1 нижнее реле мягких деталей автоматически блокируется сопротивлением R6, включенным последовательно с диодом Д6 (ДГ-Ц27). В то же время кнопка Кн1 разрывает анодную цепь верхней лампы. Поэтому до тех пор, пока нажата кнопка Кн1, нижнее реле остается включенным, а верхнее выключенным, вследствие чего не может произойти ложного срабатывания реле. При отпускании кнопки разрываются цепи электромагнитов М2 и М3 и заслонки под воздействием пружин возвращаются в исходное положение. Если контролируемая деталь тверже эталонной, то сигнал на сетках ламп фазочувствительнаго каскада совпадает по фазе с анодным напряжением верхней лампы. Вследствие этого срабатывает «верхнее реле P1, которое включает сигнальную лампочку Л2 твердых деталей и подключает электромагнит M1 к кнопке Кн1. При нажатии кнопки, как и в предыдущем случае, срабатывает электромагнит М2, выдвигающий заслонку датчика, и электромагнит M1, поворачивающий другую заслонку блока разбраковки. В результате этого деталь попадает в левый желоб, предназначенный для твердых деталей. Так как при включении верхнего реле блокируются контакты кнопки Kн1 стоящей в анодной цепи верхней: лампы, то при нажатии кнопки верхнее реле остается включенным. При выпадании твердой детали из датчика фаза сигнала не меняется, растет только его величина. Поэтому верхняя лампа остается открытой и продолжает удерживать реле Р1. Есл же контролируемая деталь мягче или тверже эталонной в небольших пределах, то сигнал на сетках ламп оконечного каскада мал, поэтому выпрямленный ток ламп или отсутствует, или недостаточен для срабатывания реле. Таким образом, при попадании в датчик детали, твердость которой незначительно отличается от эталона, ни одно из реле не срабатывает и включается сигнальная лампочка Л3 через нормально замкнутые контакты обоих реле. В этом случае при нажатии кнопки Кн1 включается электромагнит М2, выбрасывающий деталь из датчика. Электромагнитный счетчик годных деталей, включенный через нормально замкнутые контакты обоих реле, производит отсчет годной продукции. Вследствие того, что заслонки блока разбраковки остаются закрытыми, деталь попадает в средний желоб для годных деталей.
Вольтметр собран на другой половине лампы Л5 (6Н1П), которая нагружена на кольцевой детектор. В качестве опорного напряжения кольцевого детектора используется напряжение накала ламп. Трансформатор Тр2 служит для согласования входного сопротивления детектора с внутренним сопротивлением лампы. На выходе кольцевого детектора включен миллиамперметр типа М-24 с нулем посередине. При нажатии кнопки Кн2 стрелка прибора отклоняется от среднего значения на величину, пропорциональную напряжению разбаланса «входного моста, т. е. твердости детали. Если деталь мягче эталонной, то стрелка отклоняется вправо, если тверже эталонной — влево. Кольцевой детектор собран на германиевых диодах ДГ-Ц24 и балансируется сопротивлениями, включенными с ними последовательно. Пределы отклонения шкалы прибора подбираются сопротивлением R22. Первый каскад усилителя является общим для лампового вольтметра и основного тракта усиления. Регулятор усиления включен после первого каскада для того, чтобы он не влиял на показания вольтметра. Конденсатор С12 служит для получения сдвига по фазе между сеточным и анодным напряжением в выходном фазочувствительном каскаде или, что то же, для получения сдвига по фазе между опорным и измеряемым напряжением кольцевого детектора, равного О или 180°. Такой сдвиг по фазе получают подбором величины емкости конденсатора С12 по наибольшему отклонению стрелки лампового вольтметра при вставленных в датчики деталях различной твердости. На общем силовом трансформаторе Тр1 собрано три выпрямителя. Один из них питает аноды ламп напряжением 240 в, второй — электромагниты и счетчик напряжением 35 в. Третий выпрямитель служит для получения стабильного напряжения смещения—12 в на сетках ламп фазочувствительного оконечного каскада. С силового трансформатора на аноды ламп фазочувствительного каскада подается также переменное напряжение 280 в, напряжение питания датчиков 5 в и напряжение накала ламп. Выбор допустимого предела твердости контролируемых деталей производится потенциометрами R8, R9 и R21. Для настройки прибора необходимо иметь три эталона: один средней твердости и два, соответствующие верхнему и нижнему пределу твердости. Твердость эталонных деталей должна быть тщательно выверена по другим приборам. Во избежание ограничения сигнала, что может привести к неправильной работе автомата, настройку на допустимый предел твердости следует вести при минимально возможном усилении. Сопротивление R21 величиной 500 ком стоит в цепи сетки лампы Л6.
Конструкция прибора
Прибор выполнен в металлическом корпусе, к которому крепятся лицевая панель с шасси, блок датчиков и блок разбраковки (рис. 3 и 4). Монтаж произведен в подвале шасси, соединенном с передней панелью. На передней панели установлен стрелочный прибор, который включается левой кнопкой. Правая кнопка управляет выбрасыванием детали из измерительной катушки. В правой верхней части панели установлен тумблер включения сети, в левой части — регулятор усиления. Под стрелочным прибором расположены три сигнальные лампочки: средняя для годных, правая для мягких и левая для твердых деталей. В нижней части панели расположены счетчик годных деталей и два потенциометра для установления пределов твердости. Левый потенциометр служит для установления верхнего, а правый для установления нижнего предела твердости.
Блок разбраковки деталей (рис 5) укреплен на задней стенке прибора. Блок датчиков с балансирующими потенциометрами выполнен на панели из 2-мм дюралюминия, которая укреплена на верхней крышке прибора (рис 6) Блок датчиков соединяется с прибором при помощи экранированного жгута и штепсельного разъема Корпус, шасси и блок разбраковки изготовлены из стали толщиной 1 мм. Вид на прибор без кожуха показан на рис 7 Передняя панель изготовлена из дюралюминия толщиной 2 мм. Корпус и лицевая панель покрашены серой эмалью Каркасы датчиков изготовлены из текстолита и имеют отверстия в соответствии с диаметром наибольшей детали (16,2 мм). Для деталей меньших диаметров следует пользоваться переходными втулками из эбонита, которые вставляются в отверстия датчиков. Первичные обмотки датчиков расположены ближе к оси и содержат по 200 витков провода ПЭВ 0,59, вторичные (измерительные) обмотки содержат по 5000 витков провода ПЭВ 0,11 Высота намотки равна 14 мм. Наружный диаметр датчиков равен 58 мм. Для того чтобы на результатах измерении не сказывался разброс детали по высоте, катушка датчика должна быть короче детали. Датчики помещены в бронзовые стаканы. Между катушками и стаканами помещены экраны из пермаллоя толщиной 0,3 мм. В днище одного стакана находится заслонка, которая выдвигается электромагнитом. В качестве электромагнитов для вытаскивания заслонки датчика и для поворота заслонок блока разбраковки используются катушки с сердечниками от реле типа МР-1. Сердечник силового трансформатора Тр1 собран из пластин Ш-26, толщина набора 60 мм. Обмотки I и II содержат по 760 витков провода ПЭВ 0,19, обмотка III — 650 витков провода ПЭВ 0,19, обмотка IV — 620 витков провода ПЭВ 0,38, обмотка V —90 витков провода ПЭВ 0,59 и обмотка VI—9X2 витка провода ПЭВ 1,25, обмотка VII—15 витков провода ПЭВ 0,59 и обмотка VIII — 400 «витков провода ПЭВ 0,19. Сердечник выходного трансформатора Тр2 лампового вольтметра собран из пластин Ш-16, толщина набора 32 мм. Обмотка I содержит 2000 витков провода ПЭВ 0,16, обмотка II —30X2 витка провода ПЭВ 0,59.
Испытывался электронный твердомер в заводских условиях на контроле осей. При контроле прибором Роквелла из всей партии было обнаружено 42 мягких и 75 твердых деталей. Новый прибор показал, что ~из 42 мягких деталей 41 годная и лишь одна мягкая, из 75 твердых деталей 54 годных, 15 мягких и всего 6 твердых. После тщательной перепроверки было установлено, что электронный твердомер дал правильные показания, при этом точность измерений повысилась в пять раз, а производительность контроля увеличилась не менее чем в семь раз. Электронный твердомер можно использовать и в качестве аустенометра. Аустенит является немагнитной составляющей. При уменьшении остаточного аустенита увеличивается магнитная проницаемость. Поэтому методика контроля твердости и количества остаточного аустенита одинакова. Электронный твердомер легко приспособить для автоматического поточного контроля твердости стальных деталей и использовать для комплексной автоматизации производства.
