Способ динамических испытаний листового материала и устройство для его реализации (варианты)
METHOD FOR DYNAMIC TESTING OF SHEET MATERIAL AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам и устройствам для динамических испытаний листового материала.
Известен способ испытания листового материала по величине предельных деформаций, возникающих в плоскости заготовки в момент потери устойчивости от разрушения (Аверкиев А.Ю. Метод оценки штампуемости по диаграммам предельных деформаций. - В кн.: «Методы оценки штампуемости листового металла». - М.: Машиностроение, 1985. с. 159-162). Автором предлагается способ испытания с помощью штампа-прибора и растяжения образца с круговыми выточками. Способ осуществляется следующим образом: круглые образцы диаметром 160 мм с выточками в средней части радиусами 20, 30, 40, 50 мм соответственно формуют на испытательной машине и измеряют предельные деформации. Главным недостатком данного способа является то, что он может быть применен только в статических испытаниях.
Из существующего уровня техники известен способ и устройство для динамических испытаний, принятые за прототип, в котором деформирующее усилие развивается гидравлической испытательной машиной (Kim, S.B.; Huh, Н.; Вok, Н.Н.; Moon, М.В.: Forming limit diagram of auto-body steel sheets for high-speed sheet metal forming. Journal of Materials Processing Technology 211 (2010) 851-862.). Недостатками этого способа являются низкая скорость деформации заготовок и при этом крупные габариты испытательной машины.
Существующие способы испытания не позволяют в полной мере судить о свойствах листового материала при больших скоростях деформирования.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание нового способа динамических испытаний с использованием магнитно-импульсного нагружения, позволяющего получить количественную оценку свойств листового материала с помощью построения диаграмм предельных деформаций в области высокоскоростного нагружения и устройства для его реализации.
Техническим результатом является увеличение объема информации о механических свойствах материалов, путем расширения диапазонов скоростей деформирования испытываемых листовых заготовок, что откроет широкие возможности для оценки поведения материала, возникающих дефектах и свойствах при высоких скоростях нагружения.
Технический результат достигается за счет того, что в способе динамических испытаний листового материала, заключающемся в испытании листовых заготовок с помощью матрицы, прижима и пуансона, до появления на поверхности заготовки трещины и последующей оценке свойств материала, путем построения диаграмм предельных деформаций, с помощью матрицы и прижима на заготовке формуют перетяжное ребро, образуя таким образом «пакет», установленный с возможностью осевого перемещения, фиксируют ограничители перемещения, затем устанавливают под матрицей индуктор, соединенный с магнитно-импульсной установкой, причем формируют контур индуктора в зависимости от контура заготовки, далее производят разряд батареи конденсаторов магнитно-импульсной установки на неподвижно закрепленный индуктор, после чего, в результате взаимодействия с заготовкой, возникают объемные электродинамические усилия отталкивания, которые разгоняют «пакет», в конечном итоге пуансон деформирует заготовку до образования трещины.
Технический результат также достигается и за счет того, что в способе динамических испытаний листового материала, заключающемся в испытании листовых заготовок с помощью матрицы, прижима и пуансона, до появления на поверхности заготовки трещины и последующей оценке свойств материала, путем построения диаграмм предельных деформаций, с помощью матрицы и прижима на заготовке формуют перетяжное ребро, образуя таким образом «пакет», причем «пакет» жестко фиксируют, а индуктор, соединенный с магнитно-импульсной установкой, устанавливают над пуансоном, далее производят разряд батареи конденсаторов магнитно-импульсной установки на неподвижно закрепленный индуктор, после чего, в результате взаимодействия с пуансоном, возникают объемные электродинамические усилия отталкивания, которые разгоняют пуансон, в конечном итоге пуансон деформирует заготовку до образования трещины.
Технический результат достигается также и за счет того, что устройство для динамических испытаний листового материала, состоящее из матрицы, прижима, образующих с испытываемой заготовкой «пакет», направляющих колонок и полусферического пуансона, дополнительно содержит индуктор, соединенный с магнитно-импульсной установкой и зафиксированный под матрицей, при этом «пакет» установлен с возможностью осевого перемещения до ограничителей, установленных на направляющих колонках.
Технический результат достигается также и за счет того, что устройство для динамических испытаний листового материала, состоящее из матрицы, прижима, образующих с испытываемой заготовкой «пакет», направляющей и полусферического пуансона, дополнительно содержит индуктор, соединенный с магнитно-импульсной установкой и установленный над пуансоном, который, в свою очередь, установлен с возможностью осевого перемещения, а «пакет» жестко зафиксирован.
Деформирование проводится на устройстве для динамических испытаний листового материала с использованием магнитно-импульсного нагружения до появления на поверхности заготовки трещины, с последующей оценкой свойств путем построения диаграмм предельных деформаций. Изменение радиуса вырезов на заготовке позволяет получить различные соотношения главных деформаций ортогональных друг другу в момент начала разрушения заготовки и соответственно получить как область линейного, так и плоского напряженного состояния на диаграмме предельных деформаций.
Использование в качестве источника силового воздействия импульсного магнитного поля позволяет расширить диапазон скоростей деформирования испытываемых листовых заготовок, что открывает широкие возможности для оценки поведения материала, возникающих дефектах и свойствах при высоких скоростях нагружения.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема устройства по первому варианту для динамических испытаний материалов с использованием магнитно-импульсного нагружения, на фиг. 2 показана схема устройства по второму варианту для динамических испытаний материалов с использованием магнитно-импульсного нагружения, на фиг. 3 показана конфигурация испытываемых заготовок.
Устройство для динамических испытаний листового материала с использованием магнитно-импульсного нагружения по первому варианту состоит из матрицы (1), прижима (2), образующих с испытываемой заготовкой (3) «пакет», имеющий возможность перемещения вдоль направляющих колонок (4), неподвижно закрепленного полусферического пуансона (5) и плоского многовиткового индуктора (6), соединенного с магнитно-импульсной установкой. Конструктивно предусмотрены гайки-упоры (7), задачей которых является ограничение перемещения «пакета» в соответствии со схемой испытаний.
Устройство работает следующим образом: испытываемая заготовка (3) помещается на матрицу (1) и фиксируется прижимом (2), причем матрица и прижим имеют в своей конструкции перетяжное ребро для исключения перемещения фланца заготовки в радиальном направлении, формируя «пакет», имеющий возможность перемещения по направляющим (4). Предварительно, для формовки перетяжного ребра на заготовке, к прижиму, с помощью гидравлического пресса прикладывается усилие. Выставляется положение гаек-упоров (7), ограничивая тем самым максимальное перемещение «пакета». Производится смазка поверхности пуансона (5) и заготовки, для минимизации влияния сил трения. Далее происходит разряд батареи конденсаторов магнитно-импульсной установки на неподвижно закрепленный индуктор (6), по виткам индуктора протекают импульсные токи, порождая вокруг них импульсное магнитное поле высокой напряженности, при пересечении магнитным полем «пакета», в нем наводятся вихревые токи обратного направления относительно токов, протекающих в индукторе. Взаимодействие токов в индукторе и «пакете» приводит к возникновению объемных электродинамических сил Лоренца, отталкиванию «пакета» и движению по направляющим до соударения зажатой заготовки с неподвижным пуансоном и появлению на ней трещины. Величину энергии разрядного тока в ходе серии экспериментов необходимо варьировать для каждого типа заготовок, что обуславливает условие постоянства скоростей деформирования. Момент окончания сосредоточенной деформации подбирается установкой ограничителей (7) в виде гаек упоров на направляющих на необходимое расстояние относительно пуансона. При этом скорость движения «пакета» варьируется в промежутке 25-50 м/с.
Устройство также может быть осуществлено следующим образом (второй вариант). Испытываемая заготовка (3) помещается на матрицу (1) и фиксируется прижимом (2), причем матрица и прижим имеют в своей конструкции перетяжное ребро для исключения перемещения фланца заготовки в радиальном направлении, формируя жестко закрепленный «пакет». Предварительно, для формовки перетяжного ребра на заготовке, к прижиму, с помощью гидравлического пресса прикладывается усилие. Пуансон (5) устанавливается с возможностью перемещения. Выставляется положение ограничителей, ограничивая тем самым максимальное перемещение пуансона. Производится смазка поверхности пуансона (5) и заготовки (3), для минимизации влияния сил трения. Далее происходит разряд батареи конденсаторов магнитно-импульсной установки на неподвижно закрепленный над пуансоном индуктор (6), по виткам индуктора протекают импульсные токи, порождая вокруг них импульсное магнитное поле высокой напряженности, при пересечении магнитным полем верхней части пуансона, в ней наводятся вихревые токи обратного направления относительно токов, протекающих в индукторе. Взаимодействие токов в индукторе и пуансоне приводит к возникновению объемных электродинамических сил Лоренца, отталкиванию пуансона и движению по направляющей (4) до соударения зажатой заготовки с пуансоном и появлению на ней трещины. Величину энергии разрядного тока в ходе серии экспериментов необходимо варьировать для каждого типа заготовок, что обуславливает условие постоянства скоростей деформирования.
Использование заготовок с различными радиусами вырезов (табл. 1) позволяет получить различные соотношения главных деформаций ортогональных друг другу в момент начала разрушения заготовки и соответственно получить как область линейного, так и плоского напряженного состояния на диаграмме предельных деформаций.