Пристрій з мультиплікатором для дослідження властивостей некомпактних матеріалів

Реферат: Пристрій з мультиплікатором для дослідження властивостей некомпактних матеріалів, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані нижній та верхні центральний і кільцевий співвісні пуансони, між центральним та нижнім пуансонами розташований дослідний зразок, кільцевий пуансон контактує з еластичним матеріалом, який заповнює порожнину в матриці, концентричну зразку, кільцевий пуансон виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно центрального пуансона при стисканні кільцевим пуансоном еластичного матеріалу, яке регулюється змінною проставкою, що розташована на стрижневій частині центрального пуансона. Над матрицею співвісно розташований додатковий циліндр, який має нижній кільцевий плунжер, що контактує з кільцевим пуансоном, а також верхній кільцевий плунжер, до якого прикладається зовнішнє зусилля, через верхній кільцевий плунжер в циліндрі проходить стрижнева частина центрального пуансона, а внутрішня порожнина в циліндрі заповнена еластичним матеріалом, між центральним пуансоном і стрижневою частиною виконано потовщення, яке розміщене у нижньому плунжері, його верхній кільцевий торець контактує з еластичним матеріалом в циліндрі, при цьому змінна проставка забезпечує необхідний зазор між торцями стрижневої частини центрального пуансона та верхнього плунжера. UA 121911 U (12) UA 121911 U UA 121911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі обробки металів тиском і може бути використана для дослідження властивостей некомпактних матеріалів підвищеної міцності 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 дослідження властивостей некомпактних матеріалів (зразків) за допомогою пластичної деформації осадженням з гідростатичним тиском, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані нижній та верхній пуансони, які контактують з дослідним зразком, який встановлений між ними, при цьому пуансони контактують з еластичним матеріалом, який заповнює порожнину в матриці концентричну зразку [1]. Гідростатичний тиск створюється шляхом стискання пуансоном еластичного матеріалу при його переміщенні одночасно з деформуванням зразка осадженням, при цьому тиск в матриці підвищується до кінця осадження. Відомий також пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів, вибраний нами як прототип, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані нижній та верхні центральний і кільцевий співвісні пуансони, між верхнім центральним та нижнім пуансонами розташований дослідний зразок, кільцевий пуансон контактує з еластичним матеріалом, який заповнює порожнину в матриці, концентричну зразку, кільцевий пуансон виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно центрального при стисканні кільцевим пуансоном еластичного матеріалу, яке регулюється змінною проставкою, що розташована на стрижневій частині центрального пуансона, а діаметр стрижневої частини центрального пуансона, яка проходить через кільцевий пуансон, менший за діаметр зразка [2]. Гідростатичний тиск створюється шляхом стискання кільцевим пуансоном еластичного матеріалу при його переміщенні перед та 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 нижній та верхні центральний і кільцевий співвісні пуансони, між верхнім центральним та нижнім пуансонами розташований дослідний зразок, кільцевий пуансон контактує з еластичним матеріалом, який заповнює порожнину в матриці концентричну зразку, кільцевий пуансон виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно центрального при стисканні кільцевим пуансоном еластичного матеріалу, яке регулюється змінною проставкою, що розташована на стрижневій частині центрального пуансона. Недоліками відомого пристрою є те, що стрижнева частина центрального пуансона має діаметр, менший за діаметр зразка, тому при дослідженні зразків з високоміцних матеріалів знижується надійність пристрою. При вимірюванні параметрів, які характеризують матеріал високощільних зразків з міцних матеріалів, стрижнева частина центрального пуансона може пластично деформуватися, втрачаючи стійкість або руйнуватися. Це звужує технологічні можливості пристрою. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення пристрою для дослідження властивостей некомпактних матеріалів за допомогою пластичної деформації зразка осадженням в умовах радіального гідростатичного стиснення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що над матрицею співвісно розташований додатковий циліндр, який має нижній кільцевий плунжер, який контактує з кільцевим пуансоном, а також верхній кільцевий плунжер, до якого прикладається зовнішнє зусилля, через верхній кільцевий плунжер в циліндрі проходить стрижнева частина центрального пуансона, а внутрішня порожнина у циліндрі заповнена еластичним матеріалом, між центральним пуансоном і стрижневою частиною виконано потовщення, яке розміщене у нижньому плунжері, при цьому його верхній кільцевий торець контактує з еластичним матеріалом в циліндрі, при цьому змінна проставка забезпечує необхідний зазор між торцями стрижневої частини центрального пуансона та верхнього плунжера. Наявність додаткового циліндра, розташованого співвісно над матрицею, який має нижній та верхній кільцеві плунжери, через які проходить стрижнева частина центрального пуансона, а порожнина між плунжерами та циліндром заповнена еластичним матеріалом, дозволяє змінити конструкцію стрижневої частини центрального пуансона і підвищити його діаметр і таким чином зменшити напругу в ній. Крім того, додатковий циліндр заповнений еластичним матеріалом, що дозволяє підвищити діаметри елементів пристрою незалежно від розмірів зразка, зменшити тиск в еластичному матеріалі циліндра і застосувати його для мультиплікації тиску в матриці. Це розширює технологічні можливості пристрою при створенні гідростатичного тиску на дослідний 1 UA 121911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зразок за рахунок використання додаткового циліндра більшого діаметра і створення більшого тиску в матриці, що забезпечується мультиплікацією тиску між циліндром і матрицею. Потовщення, яке виконано між центральним пуансоном і стрижневою частиною і розміщене у нижньому плунжері дозволяє розділити зусилля на еластичний матеріал в циліндрі зі сторони верхнього кільцевого плунжера на дві частини: на нижній кільцевий плунжер і передати його на кільцевий пуансон, розташований в матриці, а також на верхній кільцевий торець потовщення стрижневої частини центрального пуансона. Зусилля на верхній кільцевий торець потовщення стрижневої частини притискає центральний пуансон до дослідного зразка і не дозволяє еластичному матеріалу в матриці піднімати центральний пуансон при підвищенні тиску, оскільки діаметр центрального пуансона більше діаметра зразка. Таким чином конструкція пристрою дає можливість уникнути деформування стрижневої частини центрального пуансона за рахунок розміщення його в верхньому циліндрі і збільшення його діаметра, що в цілому призводить до виключення його руйнування. Конструкція пристрою для дослідження властивостей матеріалу некомпактних зразків пояснюється кресленнями, де зображено: - фіг. 1 - схема розташування пуансонів та зразка в матриці у вихідному положенні; - фіг. 2 - положення деталей пристрою після створення гідростатичного тиску перед деформуванням зразка; - фіг. 3 - положення деталей пристрою наприкінці деформування зразка; - фіг. 4 - графік змінення тиску у порожнині матриці та циліндра пристрою. Пристрій містить матрицю 1 (фіг. 1) з бандажем 2 і осьовим каналом діаметром D1, в якому протилежно один до одного розташовані нижній пуансон 3, та два верхні співвісні центральний пуансон 4, кільцевий пуансон 5. Пуансон 4 діаметром D2 є центральним, між ним та нижнім пуансоном 3 розташований дослідний зразок 6 діаметром D 0. Кільцевий пуансон 5 контактує з еластичним матеріалом 7, який заповнює порожнину в матриці 1 концентрично зразку 6. Нижній 3 та центральний 4 пуансони виконують осьове навантаження та деформування зразка 6 після створення в еластичному матеріалі 7 гідростатичного тиску. Центральний пуансон 4 має стрижневу частину 8 діаметром D5, на якій розташована месдоза 9, яка дозволяє контролювати осьове зусилля на зразок. Це зусилля прикладається до месдози, коли йде процес деформування зразка після створення гідростатичного тиску на нього. Над матрицею 1 співвісно розташований додатковий циліндр 10, з внутрішнім діаметром D 3,який має нижній 11 та верхній 12 кільцеві плунжери, а порожнина між плунжерами та циліндром заповнена еластичним матеріалом 13. Через верхній кільцевий плунжер в циліндрі проходить стрижнева частина 8 центрального пуансона. Між центральним пуансоном 4 і стрижневою частиною 8 виконано потовщення 14 діаметром D4, яке розміщене у нижньому плунжері 11, при цьому його верхній кільцевий торець контактує з еластичним матеріалом 13 в додатковому циліндрі 10 і в процесі роботи еластичний матеріал 13 створює тиск на торець потовщення і постійно притискає центральний пуансон 4 до зразка 6. До верхнього кільцевого плунжера 12 прикладається зовнішнє зусилля, а нижній кільцевий плунжер 11 контактує з кільцевим пуансоном 5 і передає навантаження від еластичного матеріалу 13 на еластичний матеріал 7 для створення гідростатичного тиску на зразок 6 з забезпеченням мультиплікації тиску за рахунок різниці площин кільцевого плунжера 11 і кільцевого пуансона 5. Загальне зусилля F1 навантаження верхнього плунжера 11 повзуном преса при створенні тиску в циліндрі визначається за формулою: 2 2 F1 = 3,14/4*[(D3 -D5 )*P2], (1) де D3 - діаметр циліндра, D5 - діаметр стрижневої частини центрального пуансона; Р2 - тиск в еластичному матеріалі в циліндрі. Кільцевий пуансон 5 виконаний з можливістю відносного осьового зміщення відносно центрального пуансона 4 на величину Z для попереднього створення в еластичному матеріалі 7 гідростатичного тиску на зразок 6. Месдоза 9 закрита змінною проставкою 15, що дозволяє змінювати величину зазору Z між торцями стрижневої частини 8 та верхнього плунжера 12. Наявність месдози 9 дозволяє контролювати осьове зусилля на зразок 6 при його деформуванні, а верхній плунжер 12 також грає роль месдози і дозволяє контролювати тиск Р 2 в еластичному матеріалі 13. Зусилля F1 розділяється на дві частини, перша з яких F2 діє на нижній кільцевий плунжер 11, через нього на кільцевий пуансон 5, створюючи тиск в еластичному матеріалі 7 у порожнині матриці 1. Зусилля F2 визначається за формулою: 2 2 F2 = 3,14/4*[(D3 -D4 )*P2], (2) 2 UA 121911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 де D4 - діаметр потовщення, яке виконано між центральним пуансоном і стрижневою частиною. Мультиплікація забезпечує підвищення тиску в матриці, який визначається за формулою: 2 2 2 2 P1-P2*[(D3 -D4 )/(D1 -D2 )], (3) де P1 - гідростатичний тиск з боку еластичного матеріалу в матриці; D1 - діаметр матриці. Друга частина зусилля F1 постійно утримує зразок між пуансонами - F3. Тиск F3 в еластичному матеріалі 13 циліндра притискає зразок до пуансонів 3, 4 матриці при стисненні в ній еластичного матеріалу 7 визначається за формулою: 2 2 2 2 F3 = 3,14/4*[(D4 -D5 )*Р2-(D2 -D0 )*P1]. (4) Тиск F3 забезпечує нерухомість зразка і центрального пуансона в процесі попереднього стиснення еластичного матеріалу в порожнині матриці верхнім кільцевим пуансоном. Таким чином забезпечується нерухомість зразка 6 (фіг. 2) висотою Н 0 в процесі стиснення еластичного матеріалу 7 у порожнині матриці 1 верхнім кільцевим пуансоном 5 на ході Z повзуна преса (не позначено) до контакту з проставкою 15. При подальшому одночасному переміщенні верхнього кільцевого плунжера 12 (фіг. 3) разом з проставкою 15, месдозою 9, стрижневою частиною 8, потовщенням 14 та центральним пуансоном 4 відбувається деформування зразка 6 осадженням пуансонами 3, 4 до висоти Нк та підвищення тиску в еластичному матеріалі 7. Одночасно підвищується тиск в еластичному матеріалі 13, а нижній кільцевий плунжер 11 передає навантаження на кільцевий пуансон 5 при цьому вони переміщуються разом. На фіг.4 показано змінення тиску Р1, Р2 у порожнинах матриці 1 та циліндрі 10 пристрою, а зусилля F3, яке притискає пуансон 4 (фіг. 1) до зразка 6, змінюється пропорційно тискам Р 1, Р2. Тиск змінюється в три етапи: спочатку до Р1а, Р2а (фіг. 4) на шляху повзуна преса (не позначено) разом з плунжером 12 - S1a+S2a, де S1a - переміщення нижнього плунжера 11 з кільцевим пуансоном 5, a S2a - переміщення верхнього плунжера 12 при стисненні еластичного матеріалу 13. Ці переміщення виникають за рахунок пружних властивостей еластичних матеріалів 7 та 13 відповідно, при цьому відбувається заповнення зазорів у матриці 1 та циліндрі 10. Потім тиск збільшується до Р1b, Р2b на шляху S1b + S2b - за рахунок об'ємного стиснення еластичних матеріалів 7 та 13 без деформування зразка 6, до контакту повзуна преса (не позначено) з проставкою 15 (фіг. 2), при цьому Z = S1a+S2a+S1b+S2b (фіг. 4). На третьому етапі тиск підвищується до Р1с, Р2с на шляху S2c = Hk-Н0 - за рахунок об'ємного стиснення еластичних матеріалів 7 та 13 (фіг. 3) з одночасним осадженням зразка пуансонами 3, 4 до заданого діаметру або до руйнування. Пристрій працює наступним чином. В матрицю 1 (фіг. 1) з бандажем 2, встановлену на стіл преса (не позначено), встановлюється нижній нерухомий пуансон 3. Потім в матрицю 1 встановлюється зразок з некомпактного матеріалу 6 та еластичний матеріал 7. В матрицю встановлюється кільцевий пуансон 5, потім в нього встановлюється центральний пуансон 4 в зібраному виді з верхнім додатковим циліндром 10 і іншими деталями. Додатковий циліндр 10 попередньо збирається з внутрішніми деталями, для цього в нього встановлюється послідовно нижній кільцевий плунжер 11, зверху центральний пуансон 4 з стрижневою частиною 8 і потовщенням 14, потім концентрично стрижневій частині 8 еластичний матеріал 13 і зверху - верхній кільцевий плунжер 12. На стрижневу частину 8 зверху встановлюється послідовно месдоза 9 та проставка 15. Під час робочого ходу спочатку відбувається переміщення верхнього кільцевого плунжера 12 (фіг.2), який виконує функцію месдози з зусиллям F1 (1), що викликає змінення тиску Р2 (фіг. 4) в еластичному матеріалі 13 (фіг.2), розташованому у порожнині циліндра 10 пристрою. Зусилля F2, (2) передається на нижній кільцевий плунжер 11, що викликає його переміщення разом з кільцевим пуансоном 5 та підвищення тиску Р1 (3) в еластичному матеріалі 7 в порожнині матриці 1 з мультиплікацією. Одночасно тиск в еластичному матеріалі 13 додаткового циліндра 10 діє на торець потовщення 14, притискаючи центральний пуансон 4 до зразка 6, утримуючи його в такому стані зусиллям F3 (4). Спочатку при переміщенні верхнього кільцевого плунжера 12 тиск змінюється за рахунок пружних властивостей еластичних матеріалів 13 та 7 на шляху S 1a+S2а (фіг. 4), заповнюючи зазори, при цьому виникає тиск Р1а, Р2а. Потім на шляху кільцевого плунжера 12 (фіг.2) S2a+S2b виникає об'ємне стиснення еластичних матеріалів 13 та 7 до тиску Р 2а, Р2b. Переміщення верхнього кільцевого плунжера 12 при цьому здійснюється до контакту повзуна преса (не позначено) з проставкою 15, при цьому Z = S1a+S2a+S1b+S2b (фіг. 4). Після цього разом з верхнім кільцевим плунжером 12 починається переміщення проставки 15 (фіг. 3), месдози 9 з стрижневою частиною 8, потовщенням 14 та центральним пуансоном 4. 3 UA 121911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При цьому деформується зразок 6 осадженням пуансонами 3, 4. Гідростатичний тиск на зразок 6 з боку еластичного матеріалу 7 також зростає більш інтенсивно на шляхах стискання еластичних матеріалів 13, 7 - S1c, S2c (фіг. 4). Максимальний тиск досягає значень Р1с, Р2с. Рух центрального пуансона 4 (фіг. 3) в процесі цього етапу випробування відбувається до заданого діаметра або до руйнування зразка 6 на шляху S2c= Hk-Н0 (фіг. 4). Після закінчення процесу деформування зусилля на кільцевий плунжер 12 (фіг.3) та месдозу 9 знімається, циліндр 10 з внутрішніми деталями 11-15 та центральним пуансоном 4 піднімається та видаляється з матриці 1 пристрою. Потім пуансони - нижній 3, кільцевий 5 разом з еластичним матеріалом 7 і зразком 6, який здеформовано, видаляється з матриці 1 пристрою. Приклад конструкції пристрою. Пристрій містить матрицю 1 (фіг. 1) з осьовим каналом діаметром D1 = 20 мм, в якому протилежно друг до друга розташовували нижній 3 пуансон діаметром D1 = 20 мм та верхній кільцевий 5 пуансон з діаметрами D 1 = 20 мм, D2 = 12 мм, а між ними встановлений зразок з некомпактного матеріалу 6 діаметром D0 = 10 мм та висотою Н0 = 15 мм (фіг. 2), отриманий шляхом холодного пресування та наступного вакуумного спікання порошку титана ПТ-5-1, при цьому пуансони разом зі зразком та матрицею утворюють порожнину висотою 30 мм, яка заповнена еластичним матеріалом 7 - поліуретаном СКУ ПФЛ. Додатковий циліндр 10 (фіг. 1) діаметром D 3 = 60 мм попередньо збирали, для цього в нього встановлювали послідовно нижній кільцевий плунжер 11, зверху центральний пуансон 4 діаметром D2 = 12 мм з стрижневою частиною 8 діаметром D 5 = 20 мм і потовщенням 14 діаметром D4 = 28 мм, потім концентрично стрижневій частині 8 - еластичний матеріал 13 висотою 15 мм і зверху - верхній кільцевий плунжер 12. На стрижневу частину 8 зверху встановлювали послідовно месдозу 9 та проставку 15, що дозволяє змінювати величину зазору Z. За рахунок різниці діаметрів D0, D2 та D4, D5 при підвищенні тиску з боку еластичного матеріалу 13 зразок 6 постійно притискається до пуансонів 3, 4 з зусиллям, яке визначається згідно з формулою (3). Значення тиску до початку деформування на ході Z = S 1a+S2a+S1b+S2b - 6 мм (при S1a+S2a = 1,2 мм) складало 400 МПа, а в кінці деформування 840 МПа при загальному ході Z + (Hk-Н0) = 9 мм. Таким чином, застосування пропонованого пристрою дозволяє більш надійно виконувати дослідження властивостей матеріалу некомпактних зразків підвищеної міцності, шляхом того, що використання додаткового циліндра дозволяє підвищити діаметр стрижневої частини центрального пуансона і таким чином зменшити напругу в ній. Застосування додаткового циліндра для мультиплікації тиску в матриці розширює технологічні можливості пристрою. Потовщення стрижневої частини дозволяє постійно притискати центральний пуансон до дослідного зразка і не дозволяти еластичному матеріалу в матриці піднімати центральний пуансон при підвищенні в ньому тиску. Джерела інформації: 1 Березин, И.М. Создание экспериментальной установки для гидростатического сжатия пористых материалов [Текст] / И.М. Березин // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2013. - №2. - С. 3751. 2 Пат. 113115 Україна, МПК G01N 3/08. G01N 3/24. Пристрій для дослідження властивостей некомпактних матеріалів / Тарасов О.Ф., Павленко Д.В.. Aлтухов О.В. - № u201607615; заяв. 11.07.2016; опубл. 10.01.2017, бюл. № 1/2016. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій з мультиплікатором для дослідження властивостей некомпактних матеріалів, який містить матрицю з осьовим каналом, в якому протилежно один до одного розташовані нижній та верхні центральний і кільцевий співвісні пуансони, між центральним та нижнім пуансонами розташований дослідний зразок, кільцевий пуансон контактує з еластичним матеріалом, який заповнює порожнину в матриці, концентричну зразку, кільцевий пуансон виконано з можливістю обмеженого осьового зміщення відносно центрального пуансона при стисканні кільцевим пуансоном еластичного матеріалу, яке регулюється змінною проставкою, що розташована на стрижневій частині центрального пуансона, який відрізняється тим, що над матрицею співвісно розташований додатковий циліндр, який має нижній кільцевий плунжер, що контактує з кільцевим пуансоном, а також верхній кільцевий плунжер, до якого прикладається зовнішнє зусилля, через верхній кільцевий плунжер в циліндрі проходить стрижнева частина центрального пуансона, а внутрішня порожнина в циліндрі заповнена еластичним матеріалом, між центральним пуансоном і стрижневою частиною виконано потовщення, яке розміщене у нижньому плунжері, його верхній кільцевий торець контактує з еластичним матеріалом в 4 UA 121911 U циліндрі, при цьому змінна проставка забезпечує необхідний зазор між торцями стрижневої частини центрального пуансона та верхнього плунжера. 5 UA 121911 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6