Пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів

Реферат: Пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані верхній та нижній пуансони з виступами, співвісними пуансонам, виступи контактують з дослідним зразком, який встановлений між ними. При цьому виступи разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину, яка розташована концентрично виступам та зразку і заповнена еластичним матеріалом. Один із виступів пуансонів виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно нього при стисканні пуансоном еластичного матеріалу, а діаметр стрижневої частини виступу, яка проходить через пуансон, менший за діаметр зразка. На стрижневій частині виступу розташована змінна прокладка, яка забезпечує необхідний зазор між торцями пуансона та стрижневої частини виступу. UA 113115 U (12) UA 113115 U UA 113115 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі обробки металів тиском і може бути використана для дослідження властивостей некомпактних матеріалів за допомогою пластичної деформації осадженням з гідростатичним тиском і застосовуватися у машинобудуванні та авіадвигунобудуванні для отримання параметрів, які характеризують некомпактні пористі металеві та неметалеві заготівки, зокрема, які синтезовано методами порошкової металургії та шляхом 3D-друку. Відомий пристрій для гідростатичного пресування (дослідження властивостей) некомпактних зразків за допомогою пластичної деформації осадженням з гідростатичним тиском, що містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один одному розташовані верхній та нижній пуансони, між ними з зазором встановлено зразок, при цьому пуансони разом з матрицею утворюють порожнину, яка розташована концентрично зразку і заповнена рідиною [1]. Гідростатичний тиск створюють шляхом переміщення одного з пуансонів до контакту зі зразком. Потім деформують зразок осадженням з гідростатичним тиском, при цьому тиск в матриці підвищується до кінця осадження. Недоліком пристрою є необхідність ущільнення матриці, що знижує точність вимірювання параметрів, які характеризують пористий зразок. Відомий пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів (зразків) за допомогою пластичної деформації осадженням з гідростатичним тиском, вибраний нами як прототип, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані верхній та нижній пуансони з виступами, співвісними пуансонам, виступи контактують з дослідним зразком, який встановлений між ними, при цьому виступи разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину, яка розташована концентрично виступам та зразку і заповнена еластичним матеріалом [2]. Гідростатичний тиск створюють шляхом стискання пуансоном еластичного матеріалу при його переміщенні одночасно з деформуванням зразка осадженням, при цьому тиск в матриці підвищується до кінця осадження. Загальними суттєвими ознаками відомого пристрою та того, що заявляється, є матриця з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані верхній та нижній пуансони з виступами, співвісними пуансонам, виступи контактують з дослідним зразком, який встановлений між ними, при цьому виступи разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину, яка розташована концентрично виступам та зразку і заповнена еластичним матеріалом. Недоліками відомого пристрою є неможливість попереднього підвищення тиску в матриці до початку деформування зразка, що знижує точність вимірювання параметрів, які характеризують матеріал зразка. При наявності зазорів між еластичним матеріалом і елементами пристрою відсутність попереднього гідростатичного тиску в момент початку осадження може приводити до руйнування некомпактного зразка. Наявність зазорів унеможливлює також створення переднього тиску перед початком осадження зразка, що знижує рівень гідростатичного тиску під час осаджування та якість зразків. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів за допомогою пластичної деформації зразка осадженням в умовах радіального гідростатичного стиснення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що один із виступів пуансонів виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно нього при стисканні пуансоном еластичного матеріалу, а діаметр стрижневої частини виступу, яка проходить через пуансон, менший за діаметр зразка, на стрижневій частині виступу розташована змінна прокладка, яка забезпечує необхідний зазор між торцями пуансона та стрижневої частини виступу. Наявність того, що один із виступів пуансонів виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно нього при стисненні пуансоном еластичного матеріалу дозволяє при ході повзуна преса спочатку стиснути еластичний матеріал у порожнині матриці пуансоном до контакту повзуна з стрижневою частиною виступу, яка проходить через пуансон, з виступом, який контактує зі зразком, матеріал якого досліджують, і таким чином забезпечити необхідне навантаження зразка всебічним тиском перед деформуванням його осадженням. Змінення величини обмеженого осьового зміщення прокладкою, яка забезпечує необхідний зазор між торцями пуансона та стрижневої частини виступу, дозволяє керувати рівнем гідростатичного тиску перед деформуванням зразка. Крім цього, пуансон та виступ можуть бути використані як месдози для вимірювання окремо гідростатичного тиску при стисканні еластичного матеріалу і осьового навантаження зразка, що знижує розсіювання результатів вимірювання зусиль осьового та радіального навантаження зразка. 1 UA 113115 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Те, що діаметр стрижневої частини виступу, яка проходить через верхній пуансон, менший за діаметр зразка, дозволяє притиснути зразок до виступів пуансонів при стисненні еластичного матеріалу згідно з формулою: 2 2 F=3,14/4*(D1 -D0 )*p, де D0, D1 - діаметри зразка та виступу верхнього пуансона відповідно; р - гідростатичний тиск з боку еластичного матеріалу, і таким чином забезпечити нерухомість зразка і рухомого виступу в процесі попереднього стиснення еластичного матеріалу у порожнині матриці верхнім пуансоном. Таким чином, конструкція пристрою дає можливість уникнути деформування зразка осадженням без попереднього стиснення еластичного матеріалу і вирішити задачу удосконалення пристрою для дослідження властивостей некомпактних зразків, що суттєво підвищує точність отримуваних даних. Знижується розсіювання результатів вимірювання зусиль осьового та радіального навантаження зразка, яке виникає внаслідок нещільного прилягання еластичного матеріалу до порожнини матриці. В цьому випадку осьова деформація зразка з'являється в умовах відсутності гідростатичного тиску, що призводить до зниження якості його дослідження або руйнування. Конструкція пристрою для дослідження властивостей матеріалу некомпактних зразків пояснюється кресленнями, де зображено: фіг. 1 - схема розташування пуансонів та зразка у матриці у вихідному положенні; фіг. 2 - схема пристрою після створення гідростатичного тиску перед деформуванням; фіг. 3 - схема пристрою наприкінці деформування зразка; фіг. 4 - графік змінення тиску у порожнині матриці пристрою. Пристрій містить матрицю 1 (фіг. 1) з бандажем 2, осьовим каналом діаметром D 2, в якому протилежно один до одного розташовані нижній пуансон з виступом 3 та верхній виступ 4, які співвісні пуансонам, а між ними встановлений зразок 5 діаметром D0. Виступи виконують осьове навантаження та деформування зразка. Виступи разом зі зразком 5 та матрицею 1 утворюють порожнину, яка заповнена еластичним матеріалом 6. Виступ 4 має стрижневу частину 7 діаметром D1, на якій розташована месдоза 8, що дозволяє контролювати осьове зусилля на зразок, та яка входить в пуансон 9. Цей виступ 4 виконаний з можливістю відносного осьового зміщення відносно пуансона 9 на величину Z, а діаметр D 1 стрижневої частини 7, яка входить в пуансон, менший за діаметр зразка D0. Месдоза 8 закрита прокладкою 10, що дозволяє змінювати величину зазору Z. Наявність стрижневої частини 7 і месдози 8 окремо від верхнього пуансона 9 дозволяє контролювати окремо тиск р в еластичному матеріалі 6 та осьове зусилля на зразок F. За рахунок різниці діаметрів при підвищенні тиску р з боку еластичного матеріалу 6 зразок 5 притискається до виступів 3, 4 з зусиллям, яке визначається формулою: 2 2 F=3,14/4*(D1 -D0 )*p. Таким чином забезпечується нерухомість зразка 5 (фіг. 2) в процесі стискання еластичного матеріалу 6 у порожнині матриці 1 верхнім пуансоном 9 на ході Z повзуна преса (не показаний) до контакту з прокладкою 10. При подальшому одночасному переміщенні пуансона 9 (фіг. 3) з прокладкою 10, месдозою 8, стрижневою частиною 7 та виступом 4 відбувається одночасне деформування зразка 5 осадженням виступами 3, 4 та підвищення тиску в еластичному матеріалі 6. На фіг. 4 показано змінення тиску р у порожнині матриці пристрою, а зусилля F, яке притискає виступ 4 (фіг. 1) до зразка 5, змінюється пропорційно тиску. Тиск змінюється в три етапи: до р1 (фіг. 4) на шляху S1 -за рахунок пружних властивостей еластичного матеріалу, відбувається заповнення зазорів; до р2 на шляху S2 - за рахунок об'ємного стиснення еластичного матеріалу без деформування зразка, до контакту повзуна преса (не показаний) з прокладкою 10 (фіг. 2), при цьому Z=S1+S2 (фіг. 4); до р3 на шляху S3 - за рахунок об'ємного стиснення еластичного матеріалу з одночасним осадженням зразка виступами 3, 4 (фіг. 3) до діаметра D3. Пристрій працює наступним чином. В матрицю 1 (фіг. 1) з бандажем 2, встановлену на стіл преса (не показаний), встановлюють нижній нерухомий пуансон з виступом 3. Потім в матрицю 1 встановлюють зразок з некомпактного матеріалу 5 та частину еластичного матеріалу 6. На зразок 5 встановлюють рухому відносно пуансона 9 стрижневу частину 7 з виступом 4 і навколо його стрижневої частини 7 встановлюють другу частину еластичною матеріалу 6. Концентрично нього в матрицю також встановлюють верхній пуансон 9, а зверху - месдозу 8 та прокладку 10. Під час робочого ходу спочатку відбувається переміщення верхнього пуансона 9 (фіг. 2), який виконує функцію месдози, що викликає змінення тиску р (фіг. 4) та зусилля F у порожнині матриці 1 (фіг. 2) пристрою. Спочатку тиск змінюється за рахунок пружних властивостей еластичного матеріалу 6 на шляху S1 (фіг. 4), коли відбувається заповнення зазорів, при цьому 2 UA 113115 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 виникає тиск р1. Потім на шляху S2 (тиск р2) пуансона 9 (фіг. 2) починається об'ємне стиснення еластичного матеріалу 6 до контакту повзуна преса (не показаний) з прокладкою 10, при цьому Z=S1+S2 (фіг. 4). Після цього разом з пуансоном 9 починається переміщення прокладки 10 (фіг. 3), центральної месдози 8 з стрижневою частиною 7 та виступом 4. При цьому починається деформування зразка 5 осадженням виступами 3, 4. Гідростатичний тиск на зразок 5 з боку еластичного матеріалу 6, при цьому також зростає більш інтенсивно на шляху S 3 (фіг. 4). Максимальний тиск досягає значення р3. Рух верхнього пуансона 9 (фіг. 3) в процесі випробування відбувається до руйнування зразка, який змінює свій діаметр до D3 на шляху S3 (фіг. 4). Після закінчення процесу деформування зусилля на пуансон 9 (фіг. 3) та месдозу 8 знімається, пуансони 3, 9 разом з пружним матеріалом 6 і зразком 5, який здеформовано, видаляють з матриці 1 пристрою. Приклад конструкції пристрою. Пристрій містить матрицю 1 (фіг. 1) з осьовим каналом діаметром D2=20 мм, в якому протилежно один до одного розташовані верхній 9 та нижній пуансони з виступами 4, 3 діаметром 12 мм, а між ними встановлений зразок з некомпактного матеріалу 5 діаметром D0=10 мм та висотою 15 мм, отриманий шляхом холодного пресування та наступного вакуумного спікання порошку титану ПТ-5, при цьому виступи разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину висотою 40 мм, яка заповнена еластичним матеріалом 6 поліуретаном СКУ ПФЛ. Виступ 4 виконаний з можливістю відносного осьового зміщення відносно пуансона 9 на величину Z, а діаметр стрижневої частини 7 цього виступу D 1=8 мм, який входить в пуансон 9, менший за діаметр зразка D0=10 мм. На стрижневу частину 7 встановлено месдозу 8, яка закрита змінною прокладкою 10, що дозволяє змінювати величину зазору Z. Наявність месдози 8 дозволяє контролювати окремо осьове зусилля на зразок F та тиск р в еластичному матеріалі 6, який регулюють за допомогою змінної прокладки 10 та відповідної зміни Z. За рахунок різниці діаметрів D1 та D0 при підвищенні тиску з боку еластичного матеріалу зразок притискається до виступів пуансонів з зусиллям, яке визначається згідно з формулою: 2 2 F=3,14/4*(D1 -D0 )*p. Значення тиску на ході Z=S1+S2=3 мм (при S1=1 мм) складало 280 МПа, а в кінці деформування 680 МПа при загальному ході S=S1+S2+S3=6 мм. Таким чином, застосування пропонованого пристрою дозволяє більш точно виконувати дослідження властивостей матеріалу некомпактних зразків, шляхом того, що один з виступів пуансона 9 (фіг. 1) виконано з можливістю обмеженого відносного осьового зміщення відносно нього при стисканні пуансоном еластичного матеріалу, що дозволяє стискати еластичний матеріал окремо від деформування зразка і забезпечує надійність створення заданого тиску в матриці перед початком деформування зразка, а діаметр виступу, який входить в пуансон, менший за діаметр зразка, що забезпечує постійне притискання верхнього виступу до зразка при навантаженні еластичного матеріалу пуансоном. Джерела інформації: 1. Пат. 129858 Российская Федерация, МПK В21J 5/04 (2006.01), В21J 13/02 (2006.01). Устройство для полунепрерывного гидромеханического прессования [Текст] / Залазинский А.Г. [и др.]; заявители и патентообладатели Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук. - № 2012142103/02; заявл. 02.10.12; опубл. 10.07.2013, бюл. № 19, ил. 2. Березин И.М. Создание экспериментальной установки для гидростатического сжатия пористых материалов [Текст] / И.М. Березин // Вестник ПНИНУ. Механика. - 2013 - № 2. - С. 3751. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані верхній та нижній пуансони з виступами, співвісними пуансонам, виступи контактують з дослідним зразком, який встановлений між ними, при цьому виступи разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину, яка розташована концентрично виступам та зразку і заповнена еластичним матеріалом, який відрізняється тим, що один із виступів пуансонів виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно нього при стисканні пуансоном еластичного матеріалу, а діаметр стрижневої частини виступу, яка проходить через пуансон, менший за діаметр зразка, 3 UA 113115 U на стрижневій частині виступу розташована змінна прокладка, яка забезпечує необхідний зазор між торцями пуансона та стрижневої частини виступу. 4 UA 113115 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5