УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель относится к области определения физико-механических свойств металлов и сплавов, точнее к устройствам, предназначенным для исследования пластичности металлов и сплавов при комнатной температуре деформирования, результаты которого могут быть применены для построения инженерной диаграммы пластичности.
Актуальность полезной модели определяется необходимостью снижения материальных и временных затрат на проведение исследований пластичности конструкционных материалов и последующего построения диаграммы пластичности конструкционных материалов. В свою очередь, указанные выше затраты обусловлены традиционным подходом к построению диаграммы пластичности - проведение испытаний с применением 2-3 различных методов и задействование либо нескольких испытательных установок, либо дорогостоящей испытательной установки снабженной камерой высокого давления.
Так, например, диаграмма пластичности может быть построена по результатам последовательных испытаний на сжатие цилиндрических либо призматических образцов, растяжение цилиндрических образцов и кручение цилиндрических образцов. Результатом проведения этих испытаний является построение диаграммы пластичности в диапазоне значений показателя напряженного состояния (ПНС) от -0,58 до +0,33. Для практической реализации испытаний на сжатие, растяжение и кручение требуется изготовление четырех комплектов специального инструмента для проведения испытаний, а также наличие двух испытательных машин: первая машина - для проведения испытаний на растяжение и/или на сжатие; вторая - испытаний на кручение.
Таким образом, задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - расширить арсенал технических средств, предназначенных для исследований пластичности металлов и сплавов при комнатной температуре деформирования с достаточной достоверностью.
Из уровня техники, известны устройства для определения предельной пластичности металлов и сплавов, например устройство для растяжения ступенчатого образца - аналог (справочник - Мигачев Б.А., Потапов А.И. «Пластичность инструментальных сталей и сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1980. 88 с.»), у которого на каждой ступени сделана выточка различного профиля, моделирующая различное напряженное состояние.
Образец устанавливается в устройство, представляющее собой обойму, в которую помещается сборная кассета, выполненная в виде четырех деталей типа «стакана» различной высоты. Сборная кассета зажимается между неподвижным упором и упорным кольцом. При движении образца после его захвата валками происходит последовательный разрыв различных ступеней, начиная с наиболее «жесткого» профиля выточек. С помощью такого устройства и, соответственно, методики повышается надежность испытаний на предельную пластичность, так как исследование проводится на одном образце и исключается погрешность, вносимая неоднородностью структуры металла, условиями нагрева и другими параметрами испытаний.
Однако в таком устройстве затруднительно исследовать образцы в горячем состоянии; образец для испытаний имеет сложную геометрическую форма, а сама конструкция устройства требует обеспечения повышенной точности при изготовлении.
B
Наиболее близко по технической сущности к предлагаемой полезной модели относится штамп для изготовления стержневых изделий с утолщением (патент РФ №98957, опубл. 10.11.2010 г., МПК: B21J 13/02;), который принят нами за прототип и содержит жесткое основание, на которое установлены неподвижные контейнер и выталкиватель, матрицу, перемещающуюся вдоль оси контейнера, пуансон, воздействующий на заготовку, установленную в матрице, причем неподвижный контейнер выполнен с рабочим пространством, обеспечивающим деформирование заготовок с исходным диаметром от 0,5 мм до 50 мм, и, расположенным между жестким основанием и плавающей матрицей, которая удерживается в исходном (верхнем) положении, размещенным в рабочем пространстве упругим элементом, а именно: либо сжатым воздухом, либо гидравлической жидкостью, либо пружиной сжатия и создающим силу противодавления, позволяющей получать изделия типа «стержень с утолщением» за один рабочий ход кузнечно-прессовой машины с отношением длины высаживаемой части заготовки к ее диаметру L/D=5 и более, за счет совмещения в одном штампе высадки и радиального выдавливания, причем, регулировка значения силы противодавления осуществляется за счет подключенной к штампу, системы управления с контрольно-измерительной аппаратурой, а сжатый воздух, либо гидравлическая жидкость подаются в рабочее пространство контейнера через фитинг и систему каналов, выполненных в жестком основании. Наличие закрытой полости переменной высоты, сформированной между подвижным пуансоном и плавающей матрицей, обеспечивает протекание процесса радиального выдавливания. При радиальном выдавливании на боковой поверхности выдавливаемого утолщения может быть осуществлена деформация, протекающая в условиях постоянства ПНС.
Недостатком прототипа является отсутствие каких-либо рекомендаций по выбору геометрии данной полости, заполняемой металлом при радиальном выдавливании и, тем самым, обеспечивающих достижение постоянных значений ПНС на боковой поверхности выдавливаемого утолщения, что не позволяет применить прототип для построения инженерной диаграммы пластичности.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в снижении материальных и технических затрат на исследование пластичности металлов и сплавов и последующего построения диаграммы пластичности, а также в повышении эффективности устройства для ее экспериментального построения, а именно: за счет применения в одном штампе нескольких комплектов рабочего инструмента, включающих в свой состав подвижный пуансон, плавающую матрицу и выталкиватель, для создания на боковой поверхности заготовки напряженного состояния с различным значением ПНС, а именно от -0,66 до +0,5. Причем, геометрические размеры деталей, входящих в комплект рабочего инструмента, определяются исследователем в соответствии с требуемым в результате опыта ПНС на боковой поверхности. Расчетные формулы для определения геометрических размеров:
- высота h закрытой полости (см. фиг.2), соответствующая длине заготовки (или высоте утолщения), полученной в результате пластической деформации
0
где h - длина исходной заготовки, подвергаемая пластической деформации,
h - длина заготовки полученная после ее пластической деформации,
ρ - радиус утолщения, полученный в результате пластической деформации заготовки,
0
0
ρ - радиус исходной стержневой заготовки, N - коэффициент, зависящий от ПНС K,
0
K - показатель напряженного состояния, задается исследователем для определения в явном виде геометрии рабочего инструмента
0
0
При K>0, т.е. в диапазоне значений до +0,5, перед корнем следует брать знак «+»; при K<0 - знак «-», т.е. в диапазоне значений до -0,66.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для исследования пластичности металлов и сплавов путем деформирования при комнатной температуре заготовки диаметром 0,5-50 мм, содержит жесткое основание, на котором установлены неподвижный контейнер и выталкиватель, плавающую матрицу, размещенную внутри контейнера с возможностью перемещения вдоль его оси, и подвижный пуансон, расположенный в плавающей матрице с образованием между ними закрытой полости переменной высоты для деформирования заготовки радиальным выдавливанием, отличие согласно полезной модели состоит в том, что рабочее пространство неподвижного контейнера образовано жестким основанием и плавающей матрицей и заполнено сжатым воздухом с обеспечением удержания плавающей матрицы в исходном положении на начальной стадии процесса деформирования силой противодавления, регулируемой посредством системы управления с контрольно-измерительной аппаратурой, жесткое основание выполнено с фитингом и системой каналов для подачи сжатого воздуха в упомянутое рабочее пространство неподвижного контейнера, а плавающая матрица, подвижный пуансон и выталкиватель выполнены с возможностью их замены для создания на боковой поверхности заготовки различного напряженного состояния.
Также отличие еще состоит в том, что система управления выполнена с регулятором давления, предназначенным для регулирования силы противодавления, прикладываемой к плавающей матрице перед началом и в процессе деформирования заготовки, с учетом давления, соответствующего весу плавающей матрицы, и потерь сжатого воздуха через зазоры между матрицей и выталкивателем, и давления между плавающей матрицей и неподвижным контейнером.
0
0
0
0
0
Размеры закрытой полости определяются требуемым значением K. Задаваясь значением K в диапазоне значений от -0,66 до +0,5, по формуле (1) определяются геометрические размеры плавающей матрицы (h, ρ, ρ) и выталкивателя (ρ) (см. фиг.2). Причем, регулировка значения силы противодавления осуществляется за счет подключенной к устройству, системы управления с контрольно-измерительной аппаратурой, а сжатый воздух подается в рабочее пространство контейнера через фитинг и систему каналов, выполненных в жестком основании. Текущее положение матрицы, а соответственно и значение высоты (h), определяется значением давления деформируемого материала на формообразующей поверхности устройства и значением силы противодавления со стороны упругого элемента.
0
0
0
0
Задав перед проведением испытания значения (h, ρ, ρ, K) по формуле (1) определяется значение высоты (h) закрытой полости, соответствующей высоте выдавливаемого утолщения. Причем значение (h) будет соответствовать строго определенному значению ПНС, т.к. показатель Kявляется задаваемым параметром.
0
0
0
0
Например, образец имеет до пластической деформации радиус ρ=10 мм; после пластической деформации радиус утолщения на образце составляет ρ=15 мм; длина образца подвергаемая пластической деформации h = 26 мм. Требуется создать на боковой поверхности образца в месте формирования утолщения ПНС=+0,2. Тогда по формуле (1) значение h=19,63 мм. Далее, проводится деформация образца с целью выдавливания утолщения высотой h и определяется значение деформации на боковой поверхности выдавливаемого утолщения. Для расчета деформации возможно применение одного из известных в теории обработки металлов давлением методов. Зная деформацию на боковой поверхности и соответствующее ей значение ПНС, определяем одну точку диаграммы пластичности. Далее задаем значение ПНС +0,5 и вновь рассчитываем по формуле (1) значение h. Значению K=+0,5 соответствует значение h=23,89 и т.д. Таким образом, задав как минимум три противоположных по знаку значения K из диапазона от -0,66 до +0,5, обеспечиваем построение по результатам исследований.
Технический результат, достигаемый при реализации полезной модели, заключается:
- в создании универсального устройства для исследования пластичности металлов и сплавов;
0
0
0
- в возможности построения диаграммы пластичности с применением результатов исследований проведенных с помощью данного устройства, содержащего несколько комплектов рабочего инструмента, а именно: пуансонов, плавающих матриц и выталкивателей, имеющих различные размеры формообразующей поверхности (h, ρ, ρ) и соответствующие различным значениям K.
Дополнительным техническим результатом является:
- возможность изменения геометрии формообразующей поверхности подвижной матрицы;
- достижение на протяжении всего процесса деформации постоянного ПНС на наружной боковой поверхности утолщения;
- возможность получения значений ПНС в диапазоне от -0,66 до +0,5.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем верхний подвижный пуансон, неподвижный контейнер, установленный на неподвижном основании и охватывающий подвижную матрицу, имеется упругий элемент в виде сжатого воздуха. В случае применения сжатого воздуха в неподвижном основании выполняются каналы для подачи сжатого воздуха в рабочее пространство между матрицей и основанием. Давление сжатого воздуха может быть постоянным либо переменным. Изменение давления воздуха вызывает изменение силы противодавления и, соответственно, положение плавающей матрицы.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - представлен в разрезе предлагаемый штамп в исходном положении, где упругий элемент - сжатый воздух;
на фиг.2 - геометрические размеры формообразующей поверхности плавающей матрицы;
на фиг.3 - принципиальная схема управления штампом: упругий элемент - сжатый воздух.
Устройство состоит из неподвижного контейнера 1, опирающегося на жесткое основание 3, внутри контейнера 1 размещена подвижная (плавающая) матрица 2, которая перемещается вдоль оси контейнера 1 и удержание матрицы 2 в верхнем (исходном) положении осуществляется за счет упругого элемента 4, расположенного между жестким основанием 3 и матрицей 2, при этом в матрице 2 установлен пуансон 5, воздействующий на заготовку 7, расположенную на неподвижном выталкивателе 6, который опирается на жесткое основание 3
В жестком основании 3 выполнена система каналов, заканчивающаяся фитингом 8, через который сжатый воздух, используемый в качестве упругого элемента, попадают в рабочее пространство контейнера 1, расположенное между жестким основанием 3 и матрицей 2. Для предотвращения утечек сжатого воздуха из рабочего пространства устройства, на матрице 2 и в жестком основании 3 предусмотрены уплотнительные элементы 9.
При проектировании устройства должно быть учтено, что для удержания матрицы в исходном положении на начальной стадии процесса деформирования заготовки должно быть достаточно давление воздуха.
В системе привода устройства (пневматический привод - фиг.3) установлен шаровой кран 10, регулятор давления 11, контрольно-измерительная аппаратура - манометры 12, обратный клапан 13, обеспечивающий односторонний подвод сжатого воздуха к жесткому основанию 3 через фитинг 8 (фиг.1) и предохранительный клапан 14.
Регулятор давления 11, установленный на входной магистрали, ведущей к устройству, должен быть отрегулирован на давление, соответствующее весу матрицы с учетом потерь воздуха через зазоры; предохранительный клапан 14, установленный в выходной магистрали, должен быть отрегулирован на избыточное давление, создаваемое под плавающей матрицей 2 во время рабочего хода пуансона 4.
Устройство работает следующим образом.
Через систему каналов от фитинга 8 в жестком основании 3 подается сжатый воздух в рабочее пространство контейнера 1, благодаря чему матрица 2 удерживается в рабочем положении. В рабочее пространство матрицы 2 помещается заготовка 7, которая деформируется пуансоном 5 до определенной высоты (h), задавая желаемый ПНС, геометрия деталей рабочего инструмента - матрицы 2 - определяется по формуле (1).