УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к области определения физико-механических свойств металлов и сплавов, точнее к устройствам, предназначенным для определения сопротивления материалов пластической деформации при повышенных температурах деформирования.
Известны устройства для определения физико-механических свойств материалов путем приложения к образцу материала деформирующей силы и исследования процесса его пластической деформации вследствие упрочнения/разупрочнения, происходящего за счет упругой деформации образца с момента остановки процесса его формоизменения, путем отслеживания величин силы и деформации и построения на их основе кривой текучести исследуемого материала - к примеру: устройство для исследования сопротивления металлов и сплавов горячей деформации (статья - Колос В.И., Пастушков А.В. «Пластометр на базе кривошипного пресса», журнал «Кузнечно-штамповочное производство», Москва, №4, 1976, стр.39-40, рис.1в), 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 используемого оборудования: пресса, пластомера или к траверсе испытательной машины.
В таких устройствах достаточно низкая достоверность результатов при получении участка кривой текучести, соответствующего процессу упрочнения/разупрочнения материала по окончанию формообразования, поскольку, во-первых, определяется техническими возможностями точной фиксации ползуна пресса, пластомера или траверсы испытательной машины в определенном положении по окончанию формообразования; во-вторых, зазоры в узлах машины, тормозном устройстве, масляные пленки в узлах трения могут иметь достаточно большие величины, вследствие чего, после остановки машины происходит изменение положения этих деталей, которые зачастую достигают, а то и превышают, величину упругой деформации образца, что негативно отражается на достоверности регистрирующих сигналов; а самое главное, для получения участка кривой текучести с возможно большей достоверностью результатов требуется вводить поправки, учитывающие собственные упругие деформации пуансона, проставки и месдозы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является устройство для исследования сопротивления металлов и сплавов горячей деформации с повышенной, по сравнению с предыдущим аналогом, достоверностью результатов исследования, которое содержит опорную плиту, упругий буфер с начальной силой срабатывания, превышающей силу деформирования, и установленную на нем обойму в виде стакана, в осевой полости которой установлены месдоза и размещенный на месдозе через проставку деформирующий узел, включающий в себя контейнер для исследуемого образца и пуансон, закрепляемый на ползуне используемого технологического оборудования: пресса или пластометра (RU 46582 U1, 2004 г.). В нем обойма выполнена со ступенчатой осевой полостью и месдоза установлена в нижней ступени полости обоймы с упором на торец ступени, проставка находится внутри месдозы, а деформирующий узел установлен на выступающем торце проставки в верхней ступени полости обоймы и имеет охватывающую контейнер центрирующую втулку, взаимодействующую со стенками полости. На корпусе месдозы наклеены тензометры, предназначенные для регистрации силы осадки образца, а величина деформации образца определяется по показаниям собственных датчиков перемещения испытательной машины, пластометра или пресса.
Повышение достоверности результатов в прототипе достигается за счет того, что в нем в процессе деформации образца обойма и буфер остаются неподвижными, поскольку начальная сила сжатия буфера превышает силу деформирования исследуемого образца, и по окончании деформирования образца (движение ползуна остановлено и усилие через обойму замыкается на буфер) на него действуют только силы, связанные с упругой деформацией (жесткостью) месдозы, проставки и пуансона, собственные упругие деформации которых можно заранее определить и затем учесть при построении кривых упрочнения/разупрочнения.
Однако в прототипе не исчерпаны возможности по дальнейшему повышению достоверности исследований, поскольку в нем отсутствует собственный узел измерения величины деформации образца и этот параметр, так же как и в предыдущем аналоге, определяется опосредованно по замеру перемещения ползуна технологического оборудования; к тому же, при построении кривых упрочнения-разупрочнения сохраняется необходимость ввода поправок, учитывающих собственные упругие деформации месдозы, проставки и пуансона.
Компоновочное решение системы «обойма-месдоза-проставка-деформирующий узел» в прототипе не позволяет использовать в качестве месдозы стандартные тензометрические датчики, что несколько снижает технологичность устройства и увеличивает стоимость его изготовления.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на расширение арсенала технических средств, предназначенных для исследований сопротивления металлов и сплавов деформации при повышенных температурах деформирования с повышенной достоверностью.
Технический результат, получаемый при реализации поставленной задачи, заключается в обеспечении точности измерения упруго-пластичекой деформации исследуемого образца путем исключения необходимости учета упругих деформаций месдозы и проставки; а также в упрощении и удешевлении измерений за счет использования в качестве месдозы стандартных тензометрических датчиков силы.
Сущность полезной модели состоит в том, что устройство для исследования сопротивления металлов и сплавов горячей деформации, содержащее опорную плиту, упругий буфер, с начальной силой срабатывания, превышающей силу деформирования и обойму, в осевой полости которой размещены закрепленная в ней месдоза и установленный на месдозе через проставку деформирующий узел, включающий в себя контейнер для размещения исследуемого образца и пуансон, в отличие от известных аналогов, снабжено подвижной верхней плитой, присоединяемой к ползуну деформирующего оборудования, и узлом измерения деформации, выполненным в виде расположенного снаружи обоймы датчика перемещения, с подвижным штоком с которым контактирует свободным концом консольная балка, взаимосвязанная с проставкой с условием ее расположения перпендикулярно направлению приложения деформирующей силы и таким образом, чтобы в ходе исследования это ее расположение сохранялось постоянным, при этом датчик перемещения установлен на торце верхней плиты, например посредством кронштейна, с условием расположения его штока параллельно направлению приложения деформирующей образец силы.
Дополнительные отличия состоят в том, что в предлагаемом устройстве:
- месдоза выполнена в виде тензодатчика с самоустанавливающейся плитой и при этом проставка выполнена с глухой осевой полостью по оси приложения деформирующей силы и сообщающимся с ней радиальным пазом под свободное размещение консольной балки, и при этом балка соединена с проставкой посредством шарового шарнира, расположенного в осевой полости проставки с возможностью поворота, но зафиксированного от осевых смещений относительно проставки, а противоположным концом связана с закрепленной на обойме параллельно оси приложения деформирующей силы направляющей стойкой с возможностью свободного смещения вдоль ее оси;
- месдоза выполнена в виде тензодатчика с жестко закрепленой плитой и при этом проставка выполнена в виде сплошного цилиндрического тела и консольная балка жестко закреплена на проставке, например, приварена к ней снаружи;
- месдозой служит стандартный тензометрический датчик сжатия или универсальный тензометрический датчик, например, тензорезисторный датчик 4508 по ГОСТ 28836-90;
- упругий буфер выполнен из эластичного материала, например, полиуретана;
- упругий буфер выполнен в виде набора механических пружин сжатия, например, тарельчатых, либо в виде пневматической или гидравлической пружины сжатия.
Наличие в устройстве собственного узла измерения деформации, имеющего датчик перемещения, установленный на введенной в устройство верхней плите так, что посредством взимодействия его подвижного штока с консольной балкой, закрепленной одним концом на проставке, обеспечивает измерение величины деформации непосредственно в зоне деформации образца, что позволяет вывести из зоны измерения обойму, мездозу с проставкой и упругий буфер, и, тем самым снять необходимость учета собственных упругих деформаций этих узлов. При этом выполнение условий размещения штока датчика и консольной балки относительно направления приложения деформирующий образец силы (соответстенно: параллельно и перпендикулярно) также способствует повышению точности измерений упруго-пластических деформаций.
Использование упругого буфера в конструкции устройства расширяет его функциональные возможности тем, что за счет устранения влияния нежелательной упругой деформации деталей деформирующего оборудования, возникающей вследствие выборки зазоров в узлах пресса, пластометра или испытательной машины, инертности тормозного устройства и других факторов связанных с деформирующим оборудованием, позволяет исследовать процесс разупрочнения материала при горячей деформации с высокой степенью точности.
На представленных чертежах: на фиг.1 дан общий вид предлагаемого устройства в разрезе (в конечный момент формоизменения), пример с использованием тензодатчика с самоустанавливаюшейся плитой; на фиг.2 - то же, пример с использованием тензодатчика с жесткой плитой.
На нижней плите 1 устройства установлены упругий буфер 2 и выполненная в виде стакана обойма 3 с размещенными в ее осевой полости месдозой 4, проставкой 5 и деформирующим узлом, включающим в себя контейнер 6 для размещения образца 7 исследуемого материала и пуансон 8.
Снаружи обоймы 3 имеется датчик перемещения 9 с подвижным подпружиненным (пружина не показана) штоком 10, расположенным параллельно направлению приложения деформирующей образец силы.
Со штоком 10 контактирует свободным концом консольная балка 11, которая расположена перпендикулярно направлению приложения деформирующей образец силы и противоположным концом закреплена на проставке 5 с таким условием, чтобы в ходе исследования это ее расположение сохранялось неизменным.
Датчик 9 и консольная балка 11 составляют узел измерения деформации, которым снабжено устройство для повышения в ходе исследований точности измерений.
Месдоза 4 может быть выполнена в виде тензодатчика с самоустанавливающейся плитой или тензодатчика с жесткой плитой, например месдозой может служить тензометрический датчик сжатия или универсальный тензометрический датчик, в частности, тензорезисторный датчик 4508 по ГОСТ 28836-90.
Выполнение проставки 5 и вид взаимосвязи с ней консольной балки 11 варьируется в зависимости от конкретного исполнения месдозы 4.
Так при выполнении месдозы 4 в виде тензодатчика с самоустанавливающейся плитой (фиг.1) проставка 5 выполнена с глухой осевой полостью по оси приложения деформирующей силы и сообщающимся с ней радиальным пазом под свободное размещение консольной балки 11, и при этом балка 11 соединена с проставкой 5 посредством расположенного в осевой полости проставки шарового шарнира 12, зафиксированного от линейных смещений прижимом 13. Имеющимся на противоположном свободном конце сквозным отверстием балка 11 связана с закрепленной на обойме параллельно оси приложения деформирующей силы направляющей 14 с возможностью скольжения по ней.
Поскольку шарнир 12 имеет возможность всестороннего вращения относительно проставки 5, но не имеет возможности перемещаться относительно нее, при наклоне проставки 5 в ту или иную сторону относительно направления деформирующей образец силы (неизбежно в начальный момент времени при использовании в качестве месдозы 4 тензодатчика с самоустанавливающейся плитой), он перемещается вместе с проставкой, вынуждая перемещаться балку 11 относительно направляющей 14 и одновременно относительно него. Таким образом, проставка 5 с шаровым шарниром 12 имеет возможность наклона относительно направления деформирующей образец силы и перемещения относительно консольной балки, но независимо от наклона проставки 5 в ходе исследования балка 11 всегда остается перпендикулярна направлению силы.
В случае выполнения месдозы 4 в виде тензодатчика с жестко закрепленной плитой (фиг.2) проставка 5 выполнена, например, в виде сплошного цилиндрического тела и консольная балка 11 жестко закреплена на проставке 5, каким-либо известным образом, например, приварена на ней снаружи, перпендикулярно направлению силы, и благодаря этой жесткой связи с проставкой 5, которая в приведенном примере имеет в ходе исследования неизменное положение, соблюдается условие постоянства требуемого расположения консольной балки 11.
Вариант конкретного выполнения месдозы 4 выбирается преимущественно под конкретный тип испытательного оборудования, например, при использовании в качестве испытательного оборудования пластометра или пресса, параллельность верхней и нижней плит которых друг по отношению к другу относительно не высока, предпочтителен вариант тензодатчика с самоустанавливающейся плитой, в то же время вариант с жесткой плитой является более простым в изготовлении, но требует более совершенного испытательного оборудования.
Датчик 9 закреплен, например, посредством кронштейна 15, на верхней плите 16 устройства, которая крепится к ползуну 17 используемого технологического оборудования: пресса или пластометра, либо к верхней траверсе испытательной машины. Нижняя плита 1 крепится к столу 18 этого оборудования.
Закрепленный на плите 1 упругий буфер 2 имеет начальную силу срабатывания, превышающую силу деформирования образца 7, и может быть выполнен в виде набора механических пружин сжатия, например, тарельчатых, в виде пневматической или гидравлической пружины сжатия или из эластичного материала, например, полиуретана.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Деформирующий узел с помещенным в контейнер исследуемым образцом 7 нагревают до необходимой температуры в печи, переносят к технологическому оборудованию: прессу, пластометру или испытательной машине; устанавливают его на проставку 5 и включают машину. Установка контейнера вместе с образцом и пуансоном на проставку, которая расположена на месдозе, предотвращает нагрев последней и позволяет увеличить точность измеряемых показаний.
Ползун 17 через верхнюю плиту 16 воздействует на пуансон 8 и происходит деформирование (осадка) образца 7. Сила осадки образца 7 измеряется месдозой 4, а его деформация датчиком перемещения штокового типа 9, при этом упругие деформации месдозы 4 и проставки 5 не измеряются, так как они находятся ниже балки 11, в которую упирается шток 10 датчика перемещения 9.
В процессе деформации исследуемого образца 7 обойма 3 и упругий буфер 2 остаются неподвижными, так как начальная сила сжатия упругого буфера 2 превышает силу деформирования исследуемого образца 7. При дальнейшей осадке исследуемого образца 7 верхняя плита 16 входит в контакт с обоймой 3, и через нее передает силу на упругий буфер 2, который сжимается, так как сила действующая на него превышает силу, необходимую для деформации исследуемого образца 7. С момента взаимодействия верхней плиты 16 с обоймой 3, деформация исследуемого образца 7 прекращается. После достигнутого заданного сжатия (2…3 мм) упругого буфера 2 включается тормоз и ползун 17 вместе с верхней плитой 16 останавливаются. С этого момента на образец 7 будут действовать только силы, которые связаны с упругой деформацией (жесткостью) месдозы 4, проставки 5 и пуансона 8, которые можно заранее определить и учесть при построении кривых упрочнения-разупрочнения.
Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет исключить измерение упругих деформаций месдозы 4 и проставки 5 в процессе осадки исследуемого образца 72 и позволит получать кривые упрочнения-разупрочнения с высокой степенью точности.
При этом наличие в конструкции устройства упругого буфера с начальной силой срабатывания, превышающей силу деформирования исследуемого образца, позволяет проводить исследования сопротивления деформации и, в частности, разупрочнения дифференцировано, как по скорости деформирования, так и по перемещению верхнего инструмента. Это значит, что при деформировании образцов из одного и того же материала, но с разными исходными размерами можно получать кривые течения, соответствующие различным скоростям деформирования и конечным деформациям за счет изменения высоты пуансона и скорости его перемещения, причем величина хода деформирующего оборудования остается неизменной.
Устройство может быть изготовлено в условиях действующего производства с использованием стандартных узлов и деталей на универсальном оборудовании.