Понимание испытаний на прочность:измерение предельных значений основных материалов и деталей

Испытания на прочность материала и отделку поверхности позволяют изучить пределы критических деталей, используемых в ответственных продуктах. Вот что вам нужно знать об оценке границ прочности материала и конструкции, которые так важны для целостности многих продуктов.

Если вы когда-нибудь обращались за помощью, открывая банку с маринованными огурцами, вполне вероятно, что компания по розливу никогда не разговаривала с Марком Фридманом. То же самое можно сказать и о пакете с картофельными чипсами, который вы разорвали на прошлой неделе, только чтобы увидеть, как они летят по всей комнате отдыха, когда шов разошелся прямо посередине. Или нужный вам аспирин, на бутылке которого рекламируется крышка с защитой от детей, которую правильнее было бы назвать защитой от человека.

Фридман является президентом Mark-10 Corp. в Копиаге, штат Нью-Йорк. У него веселая работа. Его компания производит испытательное оборудование, которое пытается разорвать, проколоть, очистить, раздавить и иным образом разрушить различные промышленные товары. Многие из них являются потребительскими товарами, подобными описанным выше. Но Фридман и команда Mark-10 особенно важны для автомобильной, аэрокосмической и медицинской промышленности, где безопасность продукции имеет первостепенное значение.

Решительные решения

Это не все о разрушении. Оборудование Mark-10 может измерять усилие отстегивания ремня безопасности, эластичность пружины, крутящий момент, необходимый для закручивания костного винта, и бесчисленное множество других подобных задач.
 

«Удобство использования, надежность и долговечность этих и других промышленных объектов можно количественно оценить с помощью значения силы или крутящего момента», — говорит Фридман. "Итак, будь то медицинское оборудование, упаковочные материалы или аэрокосмические компоненты, многие вещи, которые мы используем каждый день, должны подвергаться такого рода физическим испытаниям, чтобы убедиться, что они соответствуют критериям качества, установленным клиентом".

Как правило, тестирование происходит на предприятии, где производятся эти объекты, а часто и на самой производственной линии. Среди компонентов для испытаний на механическую прочность, которые предлагает Mark-10:

• Датчики силы используются для регистрации сил растяжения и сжатия (тянущего и толкающего) в приложениях для испытаний — испытательные образцы в форме гантелей, с которыми знакомы многие механические мастерские, будут разорваны на таком устройстве.
• Датчики крутящего момента измеряют силы, действующие по часовой стрелке или против часовой стрелки, например те, которые приложены к резьбовым соединениям, ручкам и циферблатам или только что упомянутой крышке консервной банки.
• Измерители коэффициента трения (COF) измеряют статическую и кинетическую силы, возникающие при перетаскивании «салазок» (небольшой металлической подушки) по целевому материалу.
• Тестер натяжения проводов используется для измерения силы отрыва обжимных электрических клемм, наконечников труб и соединителей для соединения проводов.

Многие из них доступны в ручном и настольном вариантах и ​​часто используются в сочетании с ручным или моторизованным испытательным стендом, различными зажимными приспособлениями и насадками, а также программным обеспечением для сопоставления и анализа результатов испытаний.

«Многие наши клиенты, особенно когда речь идет об аэрокосмической, автомобильной и медицинской продукции, должны соответствовать определенным стандартам ISO, SAE или ASTM», — говорит Фридман. «Существуют также определенные отраслевые стандарты, а также те, которые производители разрабатывают внутри компании, чтобы гарантировать, что их продукты не подведут в полевых условиях. Например, механический цех, предлагающий услуги по сборке, может купить один из наших приборов для проверки натяжения пружины на рычаге или усилия, необходимого для закрытия двери. Тестирование очень специфично для использования, а приложений слишком много, чтобы их можно было сосчитать».

Инженерные поверхности

Пэт Ньюджент также заинтересован в качестве продукции, хотя и более хорошо известном большинству механических мастерских. В качестве вице-президента по управлению продукцией компании Mahr Inc., базирующейся в Провиденсе, штат Род-Айленд, он отвечает за широкий спектр метрологического оборудования компании, в том числе используемого для измерения шероховатости, округлости и формы поверхности. Он объясняет, что оборудование, используемое для количественной оценки первого из них — шероховатости, — было разработано несколько десятилетий назад, когда механическая обработка все еще выполнялась с помощью кулачков и ручных кривошипов. Кроме того, эти античные методы до сих пор влияют на стандарты шероховатости, используемые сегодня.

«Первые профилометры мало чем отличались от старомодных проигрывателей, за исключением того, что стрелка двигалась вверх и вниз, а не из стороны в сторону», — говорит Ньюджент. «Эти ранние аналоговые устройства использовали математический расчет, известный как Rq, тип среднеквадратичного усреднения, для определения шероховатости поверхности. Сегодня большинство магазинов — по крайней мере, здесь, в США, — больше знакомы с Ra, или средней шероховатостью».

Наджент добавляет, что в других частях мира обычно используется стандарт Rz, который представляет собой среднюю разность между пиками и впадинами между пятью последовательными длинами выборки. Однако он быстро указывает, что существует около сотни параметров и стандартов измерения поверхности, и что производители часто не понимают, какой из них использовать и почему.

«По мере того, как отрасль перешла в цифровую эпоху, а измерительное оборудование стало более функциональным, люди поняли, как собирать различные профили поверхности и использовать их для количественной оценки качества деталей», — говорит он. «Подумайте о отверстии цилиндра двигателя. Производитель, как правило, выполняет черновую обработку поверхности, а затем завершает операцию чистового хонингования или шлифования, которая сбивает пики, но оставляет впадины позади. Если они могут достаточно точно измерять и, следовательно, контролировать эти процессы, создается своего рода инженерная поверхность, обеспечивающая оптимальные характеристики износа и смазки».

Шерховатость и волнистость

Хорошая новость заключается в том, что современное измерительное оборудование, подобное предоставленному Mahr, может легко переключаться между любыми стандартами шероховатости поверхности, указанными на чертеже. Они также могут измерять волнистость, которая идет рука об руку с шероховатостью.

Говорит Ньюджент:«Я советую людям подумать о деревянном столе, на котором лежит тяжелый предмет. Изгиб посередине можно представить как волнистость, а шероховатость, которую вы можете почувствовать ногтями, — это шероховатость его поверхности».

Важно понимать, что шероховатость и волнистость поверхности являются двумерными измерениями. Проведите серию таких измерений с использованием усовершенствованной оптики, подобной тем, которые используются в ряде продуктов Mahr, и вы сможете получить подробные трехмерные изображения обработанного, отлитого, сформированного или напечатанного объекта.

Это восходит к тому, что Ньюджент сказал ранее о инженерных поверхностях:способность измерять и, следовательно, контролировать производственные процессы на микроскопическом уровне может привести к значительным улучшениям в поведении готового объекта, предоставляя такие возможности, как улучшенная интеграция кости в ортопедических имплантатах и ​​создание поверхностей, которые более точно имитируют те, что встречаются в органическом мире.

С какими препятствиями вы сталкивались при измерении прочности материала? Как вы их преодолели? Какими советами вы можете поделиться?