Измерение напряжений

Измерение нормальных напряжений, как правило, заменяют измерением сил, действующих на весьма малую поверхность. К устройствам, использующим подобный принцип, относятся точечные месдозы, встраиваемые в штамп (рисунок 11). Кольцевой зазор между корпусом месдозы и концом штифта должен составлять примерно 30 мкм на сторону. При большем значении деформируемый металл может затекать в зазор, что приводит к заклиниванию штифта. Если зазор слишком мал, то поверхности штита и корпуса могут соприкасаться, а это искажает результаты. Чтобы приблизить измерения к измерению в точке, диаметр штифта должен быть как можно меньшим. Однако практически изготовить достаточно прочный и жесткий штифт диаметром менее 1 мм с необходимыми допусками и чистотой поверхности весьма трудно; кроме того, в этом случае на результаты измерений начинают влиять микронеровности контактирующих поверхностей. Поэтому диаметр штифта выбирают в пределах от 1,5 до 2,2 мм.

Рисунок 11. Конструкция точечной месдозы:

1 – штифт; 2 – корпус

К недостаткам точечных месдоз относится то, что их жесткость меньше элементов рабочих деталей штампа, в которые они встраиваются. В результате проседания штифта образуется углубление, в которое начинает затекать деформируемый металл, и мы получаем заниженные показания. Недостатком является и осреднение напряжений по торцовой поверхности штифта.

Построить приближенную эпюру нормальных напряжений при осадке осесимметричных деталей можно с помощью втулочной месдозы (рисунок 12). Такая месдоза состоит из нескольких концентрических втулок, вставляемых одна в другую с небольшим зазором на рабочей поверхности и с проточками по наружной цилиндрической поверхности для размещения в этих проточках тензодатчиков сопротивления. Поскольку объем проточек очень мал, в них, как правило, удается разместить только рабочие датчики; компенсационные приходится наклеивать вне месдозы. Но тогда месдоза начинает реагировать на температурные деформации. К недостаткам относится и то, что участки, по которым происходит осреднение нормальных напряжений, получаются слишком большими. Не исключены также погрешности, связанные с затеканием деформируемого металла в зазоры между втулками и с неодинаковой деформацией втулок по высоте.

Рисунок 12. Втулочная месдоза для измерения нормальных напряжений при осадке осесимметричных поковок

В литературе имеются сообщения и о более экзотических способах определения нормальных напряжений на поверхности штампа. Например, если подложить лист бумаги под деформируемую заготовку, бумага уплотнится, причем тем больше, чем больше давление на контакте. Затем через небольшое отверстие и затем через малый участок бумаги пропускают свет, регистрируя который определяют степень уплотнения. Недостатком способа является то, что таким путем можно найти только максимальное значение нормального напряжения в данной точке. Сообщается также, что светочувствительный слой на фотопленке и фотобумаге под действие нормального давления также изменяет свои свойства: галоидное серебро начинает превращаться в металлическое. Затем пленку или бумагу проявляют строго определенное время и при строго определенной температуре и по степени зачернения находят нормальное давление (также только максимальное значение).

Иногда в штампе в меридиональной плоскости делают узкий пропил или засверливают отверстия малого диаметра, в которые затекает деформируемый металл; по глубине затекания судят о величине максимальных нормальных напряжений. Однако в данном случае величина затекания зависит не от максимального давления, а от всей истории процесса деформации. Не удается также получить более или менее достоверные данные о распределении нормальных давлений по поверхности гравюры, если закрыть просверленные отверстия тонкой фольгой и пытаться судить о величине давления по отпечаткам на фольге.

Наиболее эффективный способ измерения касательных напряжений – применение разрезных бойков (рисунок 13). Однако он пригоден только для построения эпюры касательных напряжений только при осадке цилиндрических заготовок.

Устройство состоит из трех бойков: верхний и нижний – сплошные, а промежуточный – разрезной. Две половины промежуточного бойка стянуты двумя тензометрическими шпильками, на которые наклеены тензодатчики. С помощью специального шаблона между верхним и промежуточным, а также между промежуточным и нижним бойками устанавливаются один над другим два одинаковых цилиндрических образца так, чтобы разрез проходил через ось образцов, и все устройство устанавливается на траверсу универсальной испытательной машины или пресс. При нагружении устройства испытуемые образцы подвергаются осадке; при этом тензометрические шпильки испытывают двойную растягивающую силу, создаваемую проекциями касательный напряжений на контактной поверхности на горизонтальную ось. Эта сила регистрируется записывающим прибором. Далее берут новую пару образцов и кстановливают их, сдвигая в горизонтальном направлении на определенный шаг, и осадку с записью показаний прибора повторяют.

Рисунок 13. Блок для измерения касательных напряжений при осадке:

1 – верхний боек; 2 – направляющая колонка; 3 – промежуточный боек; 4 – тензометрическая шпилька

Обработку полученных показаний регистрирующего прибора проводят в следующем порядке.

1. Определяют значение силы, действующей на каждую из площадок шириной, ограниченной двумя хордами (рисунок 14):

.

Рисунок 14. Схема для построения эпюры

касательных напряжений

2. Разбивают хорду на n отрезков концентрическими окружностями.

3. Для каждого из отрезков хорды находят значения. Для элементов, лежащих на различных хордах и ограниченных одинаковыми радиусами, значения одинаковы.

4. Составляют систему алгебраических уравнений

,

решение которой дает искомые значения

=.

Необходимо отметить, что при осадке место под образцами испытывает упругую раздачу в поперечном направлении. Чтобы половины разрезного блока не давили друг на друга, искажая результат, между ними заранее устанавливается тонкая прокладка, например тонкая бумага или калька. Но зазор не должен быть слишком большим, иначе в него начнет затекать деформируемый металл, что также приведет к искажению показаний.

Второй способ измерения касательных напряжений – применение универсальных штифтов, подобных точечной месдозе, показанной на рисунок8; только на штифт наклеиваются два рабочих датчика один против другого и в направлении течения металла. В этом случае при приложении нормальной силы оба датчика регистрируют деформации сжатия, а при приложении касательной силы один регистрирует деформации растяжения, а другой – деформации сжатия. При действии и нормальных, и касательных сил сумма показаний обоих датчиков соответствует нормальной силе, а разность – касательной.