Механические испытания в производстве

Механические испытания — это ключевой процесс контроля качества на производстве , гарантирующий соответствие изделия изначально заложенным характеристикам. Они требуют инженерных знаний и опыта, а также глубокого понимания стандартов качества, процедур и документации.В данной статье будет рассмотрен процесс механических испытаний и различные типы их методов.

Что такое механические испытания?

Механические испытания являются частью контроля качества производства, в ходе которого инженер по механическим испытаниям проводит различные систематические стандартизированные испытания детали, чтобы проверить её эксплуатационные характеристики в реальных рабочих условиях. Процесс механических испытаний — неотъемлемая часть разработки и производства продукции. Он служит своего рода финальным штрихом для всего процесса разработки продукта, подтверждая жизнеспособность каждого этапа от начала до конца. Успешное прохождение механических испытаний даёт инвесторам и инженерам уверенность в начале серийного производства. Более того, эти процедуры механических испытаний очень строго регламентированы. Существуют специальные стандарты механических испытаний, разработанные международными организациями, такими как ASME, ISO и SAE, для различных механических испытаний, условий и отраслей.

Существует несколько причин, по которым производители развивают свой опыт в области механических испытаний и инвестируют в создание процедур обеспечения качества в соответствии с рекомендациями, установленными общепризнанными стандартами. Качество. Обеспечение высокого качества продукции, бесспорно, является главным приоритетом для производителей. Следовательно, главная причина наличия надлежащей системы механических испытаний — это соответствие стандартам качества. Предоставление документально подтвержденной гарантии по таким важным показателям качества, как испытания материалов, несущая способность и точность размеров, может повысить шансы на то, что продукт будет предпочтен потребителями. Например, проведение механических испытаний для проверки химического состава сырья является важной процедурой контроля качества. Использование некачественного сырья может привести к сбоям в работе продукции, повреждению оборудования и потере времени. Поэтому производители используют механические испытания, чтобы избежать подобных проблем с качеством.
Безопасность.Ещё одной важной причиной внедрения процесса механических испытаний является повышение безопасности продукции. Проводя адекватные испытания качества, производитель может гарантировать своим клиентам безопасность своей продукции. Это серьёзная проблема при запуске новых продуктов или крупномасштабном производстве. Необходимо обеспечить надёжную гарантию безопасности пользователя. Например, рассмотрим такой критически важный компонент, как автомобильная ось. Ненадёжная конструкция или некачественный производственный процесс недопустимы, поскольку ставят под угрозу безопасность пользователя.По этим причинам испытания на безопасность являются важной частью процедур контроля качества, таких как проверка первой партии товара, когда производители тщательно проверяют продукцию на наличие неисправностей, представляющих угрозу безопасности, чтобы устранить их до того, как они проявятся в более крупных масштабах.
Исследования и разработки.Проведение исследований и разработок является важным аспектом разработки продукции в производстве. Большинство компаний тратят значительные усилия на разработку новых продуктов или внедрение улучшенных версий существующих. Помимо инновационных разработок и передовых технологий производства, механические испытания являются одним из основополагающих элементов этого процесса. После разработки нового продукта инженер-механик проводит строгие испытания прототипа по различным критериям производительности и отказов.

Общие виды механических испытаний

Процесс механических испытаний очень разнообразен. Инженеру-испытателю доступно несколько видов механических испытаний. В этом разделе мы рассмотрим наиболее распространённые испытания, которые используют инженеры.
Стресс-тестирование. Стресс-тестирование — наиболее распространённый вид механического испытания в производстве. Оно позволяет проверить реакцию изделия на различные виды механических нагрузок, на которые оно рассчитано. Например, стальные тросы для мостов должны выдерживать высокие растягивающие усилия, поэтому они должны пройти механическое испытание на прочность при растяжении. В других случаях стресс-тестирование может выявить такие проблемы, как концентрации напряжений, которых легко избежать. Например, стресс-тест может показать, что изделие испытывает напряжения, приводящие к отказу, на острых углах. В большинстве случаев такие углы можно заменить более подходящими скруглениями. Для устранения таких проблем и предотвращения потерь времени и средств на производственной линии достаточно провести дополнительный этап проектирования и производственного анализа. Аналогичным образом, другие стресс-тесты включают испытания на сжатие, сдвиг и кручение, которые проводятся в зависимости от конкретного применения изделий. Обычно для стресс-тестов инженеры используют такое оборудование, как стенды для стресс-тестов и тензодатчики.
Испытание на твёрдость.Твёрдость, прочность и жёсткость — важные механические свойства для производителей. Они характеризуют устойчивость поверхности изделия к таким повреждениям, как царапины, вмятины и кратеры. Это актуально для таких изделий, как шарики подшипников, для которых даже незначительное повреждение поверхности может привести к катастрофическим поломкам. Типичные испытания на твёрдость, такие как испытания по Роквеллу, Виккерсу и Бринеллю, широко распространены для определения твёрдости поверхности. Они используют специально разработанные инденторы из твёрдого материала, например, алмаза, для создания отпечатка на поверхности с помощью механического испытательного прибора. Затем, на основе глубины вмятины и приложенного усилия, поверхности присваивается оценка твёрдости. Эта оценка определяет, выдерживает ли деталь механические испытания.
Испытание на усталость. Испытания на усталость полезны для изделий, подвергающихся циклическим нагрузкам. Это означает, что механические нагрузки на них динамические и меняются со временем как по величине, так и по направлению. Хорошим примером служит вал трансмиссии автомобиля. Он подвергается циклическому воздействию растягивающих и сжимающих нагрузок при вращении с высокой скоростью. В связи с циклическим нагружением проведение статических испытаний вала недостаточно. Поэтому он также должен пройти испытание на усталость, при котором он подвергается динамической нагрузке, аналогичной той, что применяется в автомобиле. Как правило, при испытании на усталость такие параметры, как частота циклов, количество циклов и типы нагрузки, используются для создания настройки и проверки характеристик детали.
Испытание на удар. Испытание на удар — ещё один распространённый вид механических испытаний. Оно применяется к деталям, подвергающимся высоким ударным нагрузкам. Например, автомобильным бамперам. Если бампер ломается при ударе, значит, его конструкция неудачная и непригодна для автомобилей. Таким образом, при испытании на удар инженеры прилагают ударные нагрузки с известной силой, периодом времени и числом циклов, чтобы определить ударную вязкость.
Испытание на ползучесть.Напряжение ползучести — это особый вид напряжения, возникающий в детали под действием нагрузок в течение длительного времени. Оно приводит к её ослаблению в течение срока службы. Например, новая лопатка реактивной турбины отличается от старой из-за постоянного циклического нагружения и перепадов температур в реактивном двигателе.В ходе испытания на ползучесть инженеры моделируют эти условия в лабораторных условиях и измеряют степень ползучести, развивающуюся в детали с течением времени. Чтобы соответствовать критериям качества, деталь должна сохранять минимальный уровень прочности по истечении определённого периода времени.

Процессы механических испытаний, описанные в предыдущем разделе, составили лишь малую часть всего спектра испытаний. Существует множество других видов механических испытаний, которые инженеры используют для решения специальных задач.Как правило, эти испытания применяются в индивидуальных производственных проектах с уникальными характеристиками или для изделий, используемых в специальном машиностроении. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из этих специальных видов испытаний, чтобы продемонстрировать всю глубину этой области.
Трибологические испытания.Трибологические испытания — это оценка свойств материалов и поверхностей в условиях трения, износа и смазки. Они особенно полезны для изделий с взаимодействующими поверхностями или поверхностями, находящимися в относительном движении. Например, двумя распространёнными трибологическими свойствами, которые необходимо проверить, являются трение и износ. Для таких изделий, как автомобильные тормозные колодки, очень важно пройти испытания качества по обеим этим характеристикам.
Динамический механический анализ. Динамический механический анализ относится к серии методов механических испытаний, которые оценивают эксплуатационные характеристики изделий при динамических нагрузках. В рамках этой категории обычно проверяются прочность, вибрация и акустический отклик изделий при различных видах динамических нагрузок. Например, шпиндель станка с ЧПУ подвергается динамическим нагрузкам резания в широком диапазоне частот. Поэтому профиль вибрации шпинделя станка с ЧПУ должен быть таким, чтобы он не испытывал чрезмерных вибраций ни на одной из рабочих частот.Для таких испытаний инженеры используют такое оборудование, как вибрационные шейкеры, колебательные/приводные устройства и системы сбора данных.
Испытание на герметичность. Утечка — серьёзная проблема для изделий, предназначенных для транспортировки жидкостей. Для таких изделий испытания на герметичность обязательны. Как правило, существует несколько методов проверки герметичности, которые может использовать специалист по механическим испытаниям. Наиболее распространённым методом является испытание на падение давления, при котором давление жидкости регулярно проверяется для выявления утечки. Падение давления является признаком наличия утечки. Другие популярные методы включают ультразвуковую дефектоскопию и цветную дефектоскопию, которые полезны для обнаружения протечек в трубах, цистернах или сварных соединениях.Криогенные испытания.Криогенные испытания — это специальная технология, подходящая для изделий, работающих при очень низких температурах, обычно ниже -150 °C. Инженер по механическим испытаниям контролирует такие характеристики, как свойства материала, размеры, проводимость и утечки при этих температурах, чтобы определить совместимость изделия с окружающей температурой. Примером этого являются баки ракетного топлива, в которых хранятся жидкий кислород и жидкий водород при криогенных температурах. Испытание на разрыв. Такие изделия, как сосуды высокого давления, автоцистерны и шины, подвержены разрыву. Понятно, что производители проявляют особую осторожность в этом случае из соображений безопасности.Испытание на разрыв — это катастрофический метод механических испытаний, при котором инженер-испытатель продолжает увеличивать давление до тех пор, пока изделие не разорвётся или не проявятся другие признаки механического разрушения. Разрушающее давление и тип разрушения предоставляют полезную информацию о качестве изготовления изделия.