Испытания на прочность: измерение пределов материалов для критически важных компонентов

Испытания прочности материалов и чистоты поверхности исследуют пределы критически важных деталей, используемых в ответственных изделиях. Вот что нужно знать об оценке границ прочности материалов и конструкций — настолько важных для целостности многих продуктов.

Если вы когда-нибудь просили помощи, открывая банку с огурцами, вероятно, консервный завод никогда не консультировался с Марком Фридманом. То же самое — пакет чипсов, который раскололся по шву, разбросав содержимое по всей кухне. Или аспирин с «детской» крышкой, которую точнее назвать «человекоустойчивой».

Фридман — президент Mark-10 Corp. (Копиейг, Нью-Йорк). У него веселая работа. Его компания производит испытательное оборудование, которое пытается рвать, прокалывать, отдирать, давить и иным образом уничтожать различные изделия. Многие — товары массового потребления, как описанные выше. Но Фридман и команда Mark-10 особенно критичны для авто, авиа и медпромышленности, где безопасность продукта первостепенна.

Силовые определения

Не всё — про разрушение. Оборудование Mark-10 измеряет силу размыкания ремня безопасности, упругость пружин, крутящий момент для ввинчивания костного винта и бесчисленные другие применения.

«Удобство использования, надежность и долговечность этих и других изделий можно количественно определить значением силы или крутящего момента», — говорит Фридман. «Будь то медоборудование, упаковочные материалы или авиакомпоненты — многие вещи, которые мы используем ежедневно, должны проходить такое физическое тестирование, чтобы соответствовать критериям качества заказчика».

Обычно тестирование происходит на производстве, часто прямо на конвейере. Среди компонентов механического силового тестирования Mark-10:

• Динамометры (force gauges) — для захвата сил растяжения и сжатия (вытягивания и давления) — «гантелевидные» пробные образцы, знакомые многим цехам, разрывают на таком приборе.
• Крутящимоменты (torque gauges) — измеряют по/против часовой стрелки силы на резьбовых крепежах, ручках, шкалах, крышках банок.
• Коэффициент трения (COF) — измеряют статические и кинетические силы при перетаскивании «санок» (маленькой металлической накладки) по целевому материалу.
• Тестеры на изрыв проводов — измеряют силу вырывания обжатых электрических контактов, трубных соединений и соединителей проводов.

Многие доступны в ручных и настольных версиях, часто используются с ручными или моторизированными испытательными стойками, различными зажимными приспособлениями и насадками, и ПО для сбора и анализа результатов.

«Многие наши клиенты, особенно в авиации, авто и медицине, должны соответствовать определенным стандартам ISO, SAE или ASTM», — говорит Фридман. «Есть также отраслевые стандарты и внутренние стандарты производителей для гарантии безотказной работы в поле. Цех, предлагающий сборку, может купить наш прибор для проверки натяжения пружины рычага или силы закрытия двери. Тестирование очень специфично по применению, применений почти не счесть».

Инженерные поверхности

Пэт Нюджент тоже интересуется качеством продукта, но способами, более знакомыми станочным цехам. Как вице-президент по управлению продуктом Mahr Inc. (Провиденс, Род-Айленд), он отвечает за широкую линейку метрологического оборудования, включая измерение шероховатости, округлости и формы. Он объясняет: оборудование для оценки шероховатости разработано десятилетия назад, когда обработка еще выполнялась на шаблонах и ручных ручках. И те архаичные методы до сих пор влияют на стандарты шероховатости сегодня.

«Первые профилометры не сильно отличались от старинного проигрывателя пластинок, только игла двигалась вверх-вниз, а не влево-вправо», — говорит Нюджент. «Те ранние аналоговые приборы использовали математический расчет Rq — разновидность среднеквадратичного усреднения — для определения шероховатости. Сегодня большинство цехов — по крайней мере в США — привыкли к Ra, средней шероховатости».

Нюджент добавляет: в других частях мира обычно используют стандарт Rz — среднюю разность пик-долина по пяти последовательным базовым длинам. Он быстро замечает, что существует около сотни параметров и стандартов измерения поверхности, и производители часто путаются, какой использовать и зачем.

«Когда индустрия перешла в цифровую эпоху и измерительное оборудование стало более способным, люди научились собирать различные профили поверхностей и использовать их для оценки качества детали», — говорит он. «Подумайте о зеркале цилиндра двигателя. Производитель обычно грубо обрабатывает поверхность, затем возвращается с финишной хонинговой или шлифовальной операцией, которая сбивает пики, но оставляет долины. Если они могут измерять и контролировать эти процессы достаточно точно, это создает своего рода инженерированную поверхность, дающую оптимальные характеристики износа и смазки».

Шероховатость и волнистость

Хорошая новость за всей этой сложностью: современное измерительное оборудование вроде Mahr легко переключается между любыми стандартами шероховатости на чертеже. Они также умеют измерять волнистость, которая идет рука об руку с шероховатостью.

Нюджент: «Говорю людям: представьте деревянный стол, на котором долго лежал тяжелый предмет. Прогиб в центре — это волнистость, а текстура, которую ногтем чувствуете — шероховатость поверхности».

Важно признать: шероховатость и волнистость — двумерные измерения. Серия таких замеров с продвинутой оптикой, как в ряде продуктов Mahr, дает детальные трехмерные виды механически обработанной, литой, штампованной или напечатанной детали.

Это возвращается к инженерированным поверхностям — способность измерять и контролировать производственные процессы на микроскопическом уровне может привести к глубоким улучшениям поведения готовой детали: улучшенная интеграция кости в ортопедических имплантах, создание поверхностей, более точно имитирующих органические.

Какие препятствия вы встречали при измерении прочности материала? Как преодолели? Какие советы можете поделиться?