УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПЛАСТМАСС НА СРЕЗ

Полезная модель относится к устройствам для механических испытаний образцов конструкционных материалов и может быть использована для испытаний пластмасс на срез.
Испытания на срез позволяют получить данные по прочности пластмассы на срез.
Известно устройство для испытаний пластмасс на срез по круговому контуру, содержащее матрицу в виде нижней прямоугольной плиты с двумя направляющими штоками, предназначенными для установки на них верхней прямоугольной плиты, в центре верхней и нижней плит расположены отверстия для срезающего пуансона и срезанной части испытуемого образца пластмассы соответственно, пуансон с закрепленным в нижней его части с помощью гайки образцом базируется относительно матрицы по оси отверстия верхней плиты. Верхняя и нижняя плиты стягиваются между собой четырьмя болтами для фиксации образца в процессе испытаний. Для уменьшения износа пуансон и направляющие штоки выполнены из инструментальной стали, обработанной на высокую твердость. В отверстия нижней и верхней плит запрессованы втулки также из инструментальной стали (ASTM D732-10 «Standard test method for Shear strength of plastics by punch tool», 2010).
Недостатком данного устройства является его конструктивная сложность, а также сложность в эксплуатации. В результате перекоса плит устройство может заклинивать в процессе сборки-разборки из-за маленьких зазоров между штоками нижней плиты и стенками отверстий под них в верхней плите, а также из-за небольшой толщины верхней плиты. Устройство имеет множество поверхностей, требующих точной обработки: должна быть обеспечена соосность отверстий под пуансон в верхней и нижней плитах, соосность штоков и направляющих отверстий, минимальные допуски формы и размеров при выполнении отверстий, штоков и пуансона.
Учитывая запрессовку в отверстия нижней и верхней плит втулок из инструментальной стали, соблюсти данные условия при изготовлении устройства довольно сложно. Кроме того, для испытания каждого образца необходимо производить равномерную затяжку и последующее отвинчивание четырех болтов, что снижает производительность испытаний.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является устройство для испытаний материалов на срез посредством продавливания через круглое отверстие, содержащее матрицу с круглым отверстием, установленную в цилиндрической обойме, прижимную гайку с направляющей втулкой, цилиндрический пуансон с плоским торцом, проходящий через отверстия в матрице и прижимной гайке, и фиксирующее кольцо для образца, размещенное в зазоре между верхней поверхностью матрицы и прижимной гайкой. Образец материала в виде круговой пластинки размещается на торце матрицы (на верхней поверхности) и прижимается к нему с помощью прижимной гайки, которая навинчивается на обойму матрицы. Соосность образца и отверстия в матрице обеспечивается с помощью фиксирующего кольца. Срез осуществляется пуансоном, который перемещается по направляющей втулке, расположенной в центре прижимной гайки соосно с отверстием в матрице («Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Т. II: Методы исследования механических свойств металлов». Под редакцией С.И. Кишкиной и Н.М. Склярова, М., «Машиностроение», 1974 г., с. 320, с. 48-49).
В устройстве-прототипе отсутствуют элементы жесткого крепления образца к пуансону, в связи с чем во время испытаний образец прогибается. В виду этого испытания пластмасс невозможно проводить в соответствии со стандартом ASTM D732. Кроме того, центрирование прижимной гайки с отверстием для направления пуансона относительно матрицы производится только по резьбе, при этом конструктивные элементы для точного центрирования пуансона относительно матрицы отсутствуют, что может привести к увеличению инструментальной погрешности и разброса результатов испытаний.
Технической задачей полезной модели является разработка конструктивно упрощенного устройства для испытаний пластмасс на срез в соответствии с методикой ASTM D732.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности сборки устройства и стабильности результатов испытаний пластмасс на срез, упрощение конструкции устройства и упрощение процесса испытаний.
Технический результат достигается за счет того, что предложено устройство для испытаний пластмасс на срез, содержащее срезающий пуансон 2 и свинченные по резьбе матрицу 5 и прижим 6, прижим охватывает верхнюю часть матрицы и срезающий пуансон, матрица, срезающий пуансон и прижим расположены соосно, при этом в срезающем пуансоне расположено отверстие 9 с болтом для крепления образца 1, на внешней поверхности матрицы и на внутренней поверхности прижима расположены центрирующие пояски 7 и 8, прижим имеет выступ 14 в верхней части.
На внешней поверхности нижней части матрицы и на внешней поверхности прижима может быть нанесено рифление 10 и 11.
На внешней поверхности в нижней части матрицы и на внешней поверхности прижима могут быть расположены буртики с рифлением.
На внешней поверхности выступа прижима могут быть расположены лыски под ключ.
Устройство может быть выполнено из термически обработанной конструкционной стали. Рабочие торцы пуансона и матрицы при этом в процессе изготовления устройства подвергают поверхностной закалке на глубину не менее 5 мм.
Предложенное устройство предназначено для проведения испытаний на срез на образцах размером 50×50 мм, толщиной от 1,27 до 12,7 мм, с центральным сквозным отверстием диаметром 11 мм.
Конструкция предложенного устройства представлена на фигурах 1-4. На фигуре 1 изображено предложенное устройство для испытаний пластмасс на срез, на фигуре 2 - срезающий пуансон, на фигуре 3 - матрица, на фигуре 4 - прижим.
На фигурах обозначены следующие элементы:
1 - образец пластмассы для испытания,
2 - срезающий пуансон,
3 - болт,
4 - шайба,
5 - матрица,
6 - прижим,
7 - центрирующий поясок матрицы,
8 - центрирующий поясок прижима,
9 - отверстие с резьбой для болта,
10 - рифление на внешней поверхности матрицы,
11 - рифление на внешней поверхности прижима,
12 - буртик с рифлением на матрице,
13 - резьба,
14 - выступ в верхней части прижима,
15 - центральное отверстие матрицы,
16 - центральное отверстие прижима,
17 - лыски под ключ.
18 - буртик с рифлением на прижиме.
Определение прочности пластмасс на срез с помощью предложенного устройства осуществляется следующим образом.
Вначале к пуансону 2 прикрепляют образец пластмассы 1 с помощью болта 3 и массивной шайбы 4, которая должна препятствовать изгибу образца при затяжке болта 3. Болт при этом проходит через центральное отверстие в образце и завинчивается в отверстие с резьбой 9 пуансона 2.
Пуансон с закрепленным на нем образцом располагают в соответствующем отверстии 16 прижима 6, после чего производят свинчивание прижима 6 и матрицы 5. При этом образец 1 оказывается прижатым торцом прижима 6 к торцу матрицы 5, а пуансон 2 располагается соосно отверстию 15 матрицы 5.
Фиксация образца между внутренним торцом прижима 6 и торцом матрицы 5 должна обеспечивать предотвращение его изгиба в процессе испытаний.
На внешней поверхности в нижней части матрицы 5 и на внешней поверхности прижима 6 могут быть расположены буртики 12 с рифлением и 18 для удобства ручной сборки-разборки.
Далее матрица 5 и прижим 6 свинчиваются по резьбе 13.
Для облегчения свинчивания матрицы и прижима вручную на внешней поверхности нижней части матрицы 5 и на внешней поверхности прижима 6 может быть нанесено рифление 10 и 11 соответственно.
Для обеспечения соосности отверстия 16 прижима 6 относительно отверстия 15 матрицы 5 и, соответственно, срезающего пуансона 2 относительно отверстия 15 матрицы 5, на внешней поверхности матрицы и на внутренней поверхности прижима расположены центрирующие пояски 7 и 8 соответственно. Их наличие повышает точность сборки устройства и стабильность результатов испытания.
Выступ 14 служит для увеличения глубины отверстия 16. Также на нем могут располагаться лыски 17 под ключ, наличие которых упростит сборку устройства и повысит стабильность результатов испытаний.
Изгибающий момент, действующий на пуансон, уменьшается за счет уменьшения длины участка пуансона, выходящего из отверстия 16. При этом увеличение глубины отверстия способствует уменьшению контактных напряжений на поверхностях контакта пуансона и отверстия 16, что должно привести к снижению интенсивности их износа. За счет этого исключается необходимость применения в данном отверстии направляющей втулки из износостойкого материала.
Для обеспечения идентичных условий фиксации образцов на торце матрицы свинчивание матрицы и прижима можно производить с моментом затяжки регламентированной величины, что может осуществляться с использованием динамометрического ключа. Для этого на внешней поверхности выступа 14 могут быть расположены лыски 17 под ключ.
Позиционирование пуансона 2 относительно центрального отверстия (гнезда) 15 матрицы осуществляется с помощью центрального отверстия (направляющего отверстия) прижима 16.
После свинчивания матрицы и прижима до упора в образец 1 начинают испытание образца пластмассы 1 на срез. С этой целью к пуансону 2 прикладывают нагрузку, в результате чего происходит срез образца по контуру рабочего торца пуансона и кругового отверстия гнезда матрицы. Максимальная нагрузка, предшествующая разрушению, определяет прочность образца на срез.
Детали устройства изготавливаются из термически обработанной конструкционной стали.
Торец пуансона, к которому крепится образец, и верхний торец матрицы (рабочие торцы устройства) перед эксплуатацией можно обработать поверхностной закалкой на глубину не менее 5 мм. Это обеспечит возможность повторной шлифовки указанных торцов и продлит срок эксплуатации устройства. При этом исключается необходимость использовать в качестве рабочих частей матрицы отдельных деталей из материалов высокой твердости.
Таким образом, выполнение на торце пуансона резьбового отверстия делает принципиально возможным использование данного приспособления для испытаний на срез по стандарту ASTM D732-10 с обеспечением жесткой фиксации образца к торцам матрицы и пуансона. Наличие на внешней поверхности матрицы и на внутренней поверхности прижима центрирующих поясков повышает точность сборки устройства и стабильность результатов испытаний на срез. Исключение имеющихся в прототипе фиксирующего кольца для центрирования образца, составной матрицы и направляющей втулки в отверстии прижима упрощает конструкцию устройства.