УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель относится к области определения физико-механических свойств металлов и сплавов и предназначена для изучения сопротивления материалов пластической деформации при «комнатной» температуре.
Известны устройства для определения физико-механических свойств материалов путем приложения к образцу материала деформирующей силы и исследования процесса его пластической деформации путем отслеживания величин силы и деформации и построения на их основе кривой текучести исследуемого материала, например, устройство, содержащее опорную плиту, месдозу в виде втулки, на корпусе которой снаружи установлены тензодатчики, и размещенный над месдозой с помощью проставки деформирующий узел, включающий в себя контейнер под исследуемый образец и пуансон, закрепленный на ползуне пресса, (статья - Колос В.И., Пастушков А.В. «Пластометр на базе кривошипного пресса», журнал «Кузнечно-штамповочное производство», Москва, №4, 1976, стр. 39-40, рис. 1в). Достоверность получаемых результатов исследований в таких устройствах достаточно низка из-за сниженной точности данных, получаемых при деформировании образца.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели является устройство, обеспечивающее возможность определения физико-механических свойств материалов с повышенной достоверностью (RU 120773 U1, 2012 г.), содержащее пуансон, опорный узел, на котором установлена обойма с размещенными внутри нее датчиком силы и проставкой с жестко закрепленной на ней консольной балкой, выступающей из обоймы, а также узел измерения деформации в виде расположенного снаружи обоймы датчика перемещения, подвижный шток которого контактирует со свободным концом консольной балки, и упругий буфер в виде нескольких пакетов пружин сжатия с начальной силой срабатывания, превышающей силу деформирования исследуемого образца. Устройство предназначено для проведения исследований по сопротивлению металлов и сплавов горячей деформации и в нем испытуемый образец в нагретом состоянии в контейнере устанавливается на проставке. Датчик силы в прототипе размещен под проставкой с опорой на дно обоймы, которая в свою очередь опирается на опорный узел, в виде нижней опорной плиты, через упругий буфер. Датчик перемещения служит для измерения степени деформации образца и закреплен на торце обоймы посредством кронштейна, с условием расположения его штока параллельно направлению приложения деформирующей образец силы.
Недостаток прототипа заключается в том, что в нем отсутствует возможность определения физического предела текучести металлов и сплавов термографическим методом, применяемым в тех случаях, когда необходимо определить пластичность тех или иных материалов в условиях холодной штамповки.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, и технический результат, достигаемый при ее реализации, направлены на расширение арсенала технических средств, предназначенных для исследований с достаточной достоверностью физико-механических свойств металлов и сплавов в процессе деформирования при «комнатной» температуре, и обеспечивающих повышение точности измерения упруго-пластической деформации исследуемого образца на основе бесконтактного измерения теплового излучения его материала.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройстве для определения предела текучести металлов и сплавов, содержащем пуансон, опорный узел, на котором установлена обойма с размещенными внутри нее датчиком силы и предназначенной для установки исследуемого образца проставкой с консольной балкой, выступающей из обоймы; узел измерения деформации в виде расположенного снаружи обоймы датчика перемещения, подвижный шток которого контактирует со свободным концом консольной балки, и упругий буфер в виде нескольких пакетов пружин сжатия с начальной силой срабатывания, превышающей силу деформирования исследуемого образца, в отличие от известных аналогов, имеется бесконтактный инфракрасный датчик температуры, установленный с возможностью определения в процессе исследования теплового излучения образца в зоне пересечения его оси с осью датчика, и сменный ограничитель закрытой высоты деформирования, расположенный на обойме сверху, и при этом опорный узел представляет собой две параллельно размещенные плиты: верхнюю и нижнюю, из которых нижняя плита крепится на технологическом оборудовании, а верхняя - связана с ней с возможностью относительного вертикального перемещения; между верхней и нижней плитами опорного узла по оси устройства установлен концевой выключатель и равномерно размещены пакеты пружин упругого буфера; бесконтактный инфракрасный датчик температуры закреплен на торце верхней плиты опорного узла посредством кронштейна, а обойма установлена на этой же плите сверху и снабжена внутренним защитным пластиковым кожухом с пластиковой трубой, расположенной по оси инфракрасного датчика температуры.
Причем, в качестве концевого выключателя служит индукционный бесконтактный выключатель, подключенный к управляющему органу используемого технологического оборудования.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого устройства для определения предела текучести металлов и сплавов (в начальный период работы); на фиг. 2 - вид на упругий буфер сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2.
Опорный узел в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, выполнен в виде двух плит: нижней 1 и верхней 2, размещенных параллельно друг другу вдоль оси устройства. Нижней плитой 1 устройство устанавливается на плите 3 используемого технологического оборудования, например, пресса, а верхняя плита 2 выполнена с возможностью вертикального перемещения относительно нижней плиты 1, и колонки 4 и втулки 5 служат направляющими элементами для нее. Между плитами 1 и 2 размещен упругий буфер, состоящий из нескольких пакетов пружин сжатия 6, горизонтальное перемещение которых ограничивают болты 7 с гайками 8.
Устройство содержит также обойму 9, опирающуюся на верхнюю плиту 2 опорного узла и снабженную внутренним пластиковым защитным кожухом 10 с трубой 11; ограничитель 12 закрытой высоты деформирования, установленный на обойме сверху; пуансон 13 и закрепленный на нем датчик перемещения 14; датчик силы 15 и проставку 16 под исследуемый образец 17, размещенные внутри обоймы 9; а также бесконтактный инфракрасный датчик температуры 18.
Датчик силы 15 установлен под проставкой 16 с опорой на плиту 2. Датчик температуры 18 закреплен посредством кронштейна 19 на торце плиты 2 так, что ось датчика и ось трубы 11 кожуха 10 совпадают с серединой зоной образца 17.
Для обеспечения возможности исследований образцов с различной начальной высотой и до различных конечных деформаций проставка 16 и ограничитель 12 выполнены сменными с варьированием их параметра по высоте. Высота проставки и ограничителя подбирается под конкретные величины начальной высоты образца и конечной степени деформации - этим обеспечивается необходимое совпадение оси инфракрасного датчика температуры 18 с серединой образца 17 независимо от высоты последнего.
Датчик перемещения 14 закреплен непосредственно на пуансоне 13, его подвижный шток расположен параллельно направлению приложения деформирующей образец силы и упирается в консольную балку 20, которая жестко закреплена одним концом на проставке 16. Такое расположение датчика позволяет измерять упругопластическую деформацию только образца 17, исключая при этом влияние упругих деформаций узлов устройства и рамы используемого технологического оборудования на точность измерений.
Индукционный концевой выключатель 21 служит средством защиты от перегрузки и поломки пружин 6. Он связан с управляющей системой технологического оборудования (не показана) и срабатывает незадолго до того, как пакеты пружины 6 достигнут своего предела рабочей деформации - дает команду на остановку траверсы испытательной машины.
Пластиковые кожух 10 и труба 11 выполняют две функции. Поскольку, как известно, излучаемые длины волн в инфракрасном диапазоне у пластика существенно меньше, чем у металла, закрытие пластиком всех металлических элементов в рабочей зоне в предлагаемом устройстве обеспечивает минимизацию вероятных помех и тем самым позволяет замерять тепловое излучение материала образца с наименьшей погрешностью. К тому же применение пластикового кожуха максимально возможно изолирует рабочую зону устройства от воздействия окружающей среды, снижая вероятность возникновения случайных погрешностей при измерении температуры образца в процессе его деформации.
Работает устройство следующим образом.
При использовании в качестве технологического оборудования пресса устройство нижней плитой 1 устанавливается на столе пресса, а пуансон 13 крепится к ползуну 22 пресса и образец 17 помещается на проставке 16 по оси деформирования с условием что ось бесконтактного инфракрасного датчика температуры 18 проходит через его середину.
Ползун 22 приводиться в движение и перемещает закрепленный на нем пуансон 13 вниз до соприкосновения с образцом 17. При дальнейшем перемещении пуансона происходит деформирование (осадка) образца, при котором все остальные узлы устройства, кроме датчика 14, статичны.
В процессе деформации сила осадки измеряется датчиком силы 15, а величина деформации - датчиком перемещения 14, подвижный шток которого при перемещении датчика вместе с пуансоном, упираясь в неподвижную консольную балку 20, перемещается вверх. Тепловое излучение образца 17 измеряться бесконтактным инфракрасным датчиком температуры 18, закрепленным на кронштейне 19.
При продолжении перемещения ползуна 22 по окончанию осадки пуансон 13 своей широкой частью через ограничитель 12 воздействует на обойму 9 и плиту 2, перемещая их вниз. Вместе с плитой 2 опускаются вниз взаимосвязанные с ней проставка 16 с размещенным на ней образцом 17, и датчик 18. При превышении расчетной нагрузки пружины 6 сжимаются и срабатывает бесконтактный индукционный концевой выключатель 21. Перемещение ползуна прекращается.
Достижению необходимой точности при осадке образцов до заданных конечных деформаций способствует упругий буфер, пружины которого начинают сжиматься после того, как пуансон 13 упрется в ограничитель закрытой высоты 12. Пружины 6, например тарельчатые, предварительно стянуты до расчетной нагрузки - это гарантирует неподвижность верхней плиты 2 до того момента, пока образец не будет осажен до заданной величины.
По данным, получаемым с датчиков 14, 15 и 18, составляются кривые изменения параметров, необходимые для определения физического предела текучести металлов и сплавов термографическим методом, основанном на сопоставлении диаграммы силы с графиком изменения теплового излучения материала образца. Известно, что, в соответствии с эффектом Джоуля-Томпсона, при пластическом деформировании температура тела повышается и точка минимума температуры может характеризовать начало пластической деформации. На основании чего сопоставлением графиков изменения температуры и силы по точке минимума температуры определяется сила, соответствующая физическому пределу текучести
Устройство эффективно при исследованиях штампуемости металлов и сплавов, его реализация не требует значительных капитальных вложений, т.к. оно может быть изготовлено в условиях действующего производства на универсальном оборудовании с применением стандартных узлов и деталей.