Устройство для определения коэффициента трения порошков по неметаллическим материалам

Устройство для определения коэффициента трения порошков по неметаллическим материалам с повышенной точностью содержит полую цилиндрическую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны и силоизмерительный рычаг для регистрации момента трения, закрепленный на обойме. Торцы пуансонов образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца из порошка. Обойма установлена с возможностью вращения относительно пуансонов. В торцах верхнего и нижнего пуансонов выполнены углубления, в которых жестко установлены контробразцы из неметаллического материала. Углубления в торцах пуансонов могут быть выполнены в виде усеченного конуса. Углубления в торцах пуансонов могут быть выполнены с рельефной поверхностью. В пуансонах могут быть выполнены сквозные осевые отверстия.

Полезная модель относится к устройствам для определения параметров трения и может быть использована для определения коэффициента трения порошков в эластичных средах, пластмассах, керамике и др.

Известна установка для исследования трения в процессе прессования металлических порошков [Жданович Г.М., «Теория прессования металлических порошков», изд-во «Металлургия», 1969, с.262], содержащая матрицу и установленные с обеих сторон матрицы верхний и нижний пуансоны, причем верхний пуансон установлен с возможностью вращения относительно матрицы благодаря соединению пуансона с упорным шарикоподшипником через упорную втулку, торцы пуансонов образуют с внутренней частью матрицы рабочую полость для засыпки образца из порошка, контробразцом является торцевая часть верхнего пуансона. Силоизмерительное устройство для регистрации момента трения закреплено на пуансоне.

Известное устройство невозможно непосредственно использовать без изменения его конструкции для измерения трения порошков по неметаллическим материалам (например, полиуретану), так как при больших давлениях пуансоны, изготовленные из неметаллических материалов, будут деформироваться и разрушаться.

Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения сил трения при деформировании металлов [Авторское свидетельство СССР 373593, кл. G01N 19/02, опубл. 12.03.1973], содержащее полую цилиндрическую обойму и установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, высота которой равна или меньше ее диаметра, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, при этом обойма установлена с возможностью вращения относительно пуансонов, и силоизмерительный рычаг для регистрации момента трения, закрепленный на обойме.

Недостатком известного устройства является то, что при больших давлениях, соизмеримых с реальными давлениями в технологических процессах, например, при прессовании порошков эластичными средами, невозможно определять коэффициент трения порошков по неметаллическим материалам. Это обусловлено тем, что в качестве контробразца невозможно использовать непосредственно обойму из эластичного материала, так как при больших давлениях порошок попадает в зазор между пуансонами и обоймой и искажает определяемые параметры.

Кроме того, работа известного устройства основана на определении силы трения на боковой поверхности образца по контробразцу, что требует знания коэффициента бокового давления, который меняется при изменении нагрузки, что также вносит погрешности в определение коэффициента трения.

Задачей полезной модели является создание новых средств для определения с высокой точностью коэффициентов трения порошков по неметаллическим материалам при давлениях, соизмеримых с реальными давлениями прессования порошков.

Поставленная задача решается следующим образом.

Аналогично прототипу устройство для определения коэффициента трения порошков по неметаллическим материалам, содержит полую цилиндрическую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, и силоизмерительный рычаг для регистрации момента трения, закрепленный на обойме, установленной с возможностью вращения относительно пуансонов. В отличие от прототипа, в торцах верхнего и нижнего пуансонов выполнены углубления, в которых жестко установлены контробразцы из неметаллического материала.

Углубления в торцах пуансонов могут быть выполнены в виде усеченного конуса и с рельефной поверхностью для надежной фиксации контробразцов.

В пуансонах могут быть выполнены сквозные осевые отверстия под крепежные элементы, например винты, для крепления контробразцов из неметаллического материала в углублениях пуансонов.

Устройство в предложенной совокупности существенных признаков является новым средством для определения коэффициентов трения порошков по неметаллическим материалам при давлениях, соизмеримых с реальными давлениями прессования порошков.

Установка контробразцов в углублениях пуансонов повышает точность измерений за счет отсутствия трения боковой поверхности контробразцов по внутренней поверхности обоймы.

Использование двух контробразцов из неметаллического материала исключает необходимость учета момента трения жесткого пуансона по порошку. В предлагаемом устройстве вращается только обойма с образцом из порошка, что позволяет измерять только момент трения образца по контробразцам, не учитывая дополнительные моменты трения.

При применении схемы двустороннего прессования, которое можно обеспечить, например, прессованием образцов из порошка по принципу «плавающей матрицы», плотность образца из порошка практически равномерна.

Благодаря вышеуказанным преимуществам конструкции устройства достигается высокая точность определения коэффициента трения, и расширяются технологические возможности использования устройства. Определение коэффициента трения может осуществляться в широком диапазоне давлений от 50 до 600 МПа и более.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом.

Фиг. - принципиальная схема устройства для определения коэффициента трения порошков по неметаллическим материалам.

Устройство содержит цилиндрическую обойму 1, установленную на плите силового устройства (пресса), входящие в отверстие обоймы верхний 2 и нижний 3 пуансоны. Контробразцы 4 и 5 из неметаллического материала (например, полиуретана) установлены в углублениях пуансонов 2, 3. Углубления выполнены в виде усеченного конуса с рельефной поверхностью. К обойме 1 прикреплен рычаг 6 для соединения с силоизмерительным устройством. Контробразцы 4, 5 закреплены в углублениях пуансонов 2, 3 винтами 7.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрическую обойму 1 с помещенным в ее полости нижним пуансоном 3 и жестко закрепленным в углублении пуансона 3 контробразцом 5 устанавливают на плите силового устройства (пресса). В полость обоймы 1 засыпают исследуемый образец 8 из порошка. Верхний пуансон 2 с жестко закрепленным в его углублении контробразцом 4 вводят в полость обоймы 1. При работе силового устройства (пресса) происходит уплотнение образца 8 с требуемым усилием Q, необходимым для достижения заданной плотности. Давление, создаваемое в образце 8, передается на стенки обоймы 1. При прессовании порошка по принципу «плавающей матрицы» его уплотнение осуществляется обоими пуансонами 2, 3, благодаря чему плотность образца 8 становится равномерной.

Момент трения определяется путем прикладывания требуемого усилия к рычагу 6, в результате которого обойма 1 с образцом 8 приводится во вращение относительно неподвижных пуансонов 2 и 3 с контробразцами 4 и 5, и измеряется с помощью силоизмерительного устройства.

Момент М на силоизмерительном устройстве складывается из момента M₁ сил трения двух торцевых поверхностей образца 8 по торцевым поверхностям контробразцов 4, 5 и момента М₂ сил трения боковых поверхностей верхнего и нижнего пуансонов 2, 3 по поверхности полости обоймы 1.

Момент M₁ сил трения двух торцевых поверхностей образца 8 по торцевым поверхностям контробразцов 4, 5 можно определить по формуле:

,

где µ - коэффициент трения;

R - радиус полости обоймы, м;

Q - усилие сжатия образца, Н.

Момент М₂ сил трения боковой поверхности верхнего и нижнего пуансонов 2 и 3 по поверхности полости обоймы 1 определяется экспериментально путем вращения обоймы относительно пуансонов при отсутствии образца.

Следовательно, коэффициент трения µ может быть определен зависимостью:

,

где М - момент на силоизмерительном устройстве, Нм;

М₂ - момент сил трения боковой поверхности верхнего и нижнего пуансонов 2 и 3 в обойме 1, определенный экспериментально, Нм.

Предлагаемое устройство позволяет определить связь между давлением прессования и коэффициентом трения прессуемого порошка по неметаллическим материалам, что необходимо при расчете технологических процессов изготовления изделий из порошков.

1. Устройство для определения коэффициента трения порошков по неметаллическим материалам, содержащее полую цилиндрическую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, и силоизмерительный рычаг для регистрации момента трения, закрепленный на обойме, установленной с возможностью вращения относительно пуансонов, отличающееся тем, что в торцах верхнего и нижнего пуансонов выполнены углубления, в которых жестко установлены контробразцы из неметаллического материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что углубления в торцах пуансонов выполнены в виде усеченного конуса.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что углубления в торцах пуансонов выполнены с рельефной поверхностью.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в пуансонах выполнены сквозные осевые отверстия.