Измерение перемещений

Чаще всего при изучении процессов обработки металлов давлением исследователя интересует не просто сила деформирования, а ее изменение при перемещении деформирующего инструмента, а ето означает, что одновременно с записью изменения силы необходимо регистрировать и перемещение верхнего штампа или ползуна пресса. Для решения этой задачи используют измерительные устройства, называемые ходографами.

Ходографы бывают тех типов: пластинчатые, клиновые и струнные.

Пластинчатые ходографы применяют для записи сравнительно небольших перемещений. Они представляют собой консольную пластину, жестко закрепленную с одного конца на столе пресса или нижней половине штампа. На другой ее конец воздействует движущийся элемент ползуна или верхнего штампа (рисунок 15).

Если рабочий датчик наклеивают вдоль пластины сверху, то компенсационный можно наклеить на пластину снизу. Тогда чувствительность моста увеличивается вдвое.

Тарируют ходограф с помощью рейсмаса. Тарировочный график получается линейным, если длина пластины на порядок больше измеряемого хода.

Рисунок15. Пластинчатый ходограф:

1 – пластина; 2 – тензодатчик; 3 – клеевой слой

Если необходимо измерить поперечные размеры деформируемой поковки, то можно выполнить пластинчатый ходограф в виде скобы (рисунок 16).

Рисунок16. Скоба для измерения поперечных перемещений:

1 – пластина; 2 – подвижный щуп; 3 – неподвижный щуп

Для измерения перемещений средней величины можно использовать клиновые ходографы (рисунок 17).Устройство клинового ходографа понятно из рисунка.

Рисунок17. Клиновой ходограф:1 – датчики; 2 – клин

Большие перемещения, например при вытяжке кузовных деталей на прессе двойного действия, можно записывать с помощью струнногоходографа (рисунок 18).

Рисунок 18. Струнный ходограф:

1 – проволока («струна»); 2 – токосъемник; 3 – вольтметр

В этом случае на станине пресса укрепляется проволока, к концам которой подводится небольшое постоянное напряжение, а на ползуне пресса устанавливается токосъемник. При перемещении ползуна токосъемник скользит по проводнику и на вольтметр или другой записывающий прибор подается изменяющееся напряжение (такое измерительное устройство называется устройством потенциометрического типа).

Измерение деформаций

В настоящее время деформации в очаге принято измерять с помощью двух методов: методом координатных сеток и методом муара.

Метод координатных сеток

Для оценки ло­кальных и интегральных характеристик деформированного состояния в теле выделяют элементарный объем и следят за перемещением этого объема в пластической области. Оценку деформированному состоя­нию дают по изменению размеров и формы выделенного объема (по перемещениям характерных точек) или же по изменению физико-механических свойств материала этого объема в процессе деформа­ции. В первом случае методы изучения деформированного состояния называются геометрическими. Обычно предполагается, что тело изо­тропно, а деформация в пределах выделенного объема однородна. Ес­ли размеры, характеризующие элементарный объем, малы, то полу­ченные средние параметры формоизменения в этом объеме могут быть отнесены к его центру и рассматриваться как локальные.

Размеры выделенного объема должны быть выбраны такими, что­бы полученная информация была достаточно надежной для оценки локальной деформации. Чем меньше размеры элементарного объема, тем с большим основанием можно отнести полученные характеристи­ки деформированного состояния к центру ячейки и повысить точность определения локальных характеристик. С другой стороны, выбор очень малых объемов может привести к проявлению микронеодно­родности и микроанизотропии зерен кристаллического тела и умень­шению точности измерения размеров объема, что вызовет погреш­ность оценки характеристик деформированного состояния. Поэтому важное значение имеет правильный выбор оптимальных размеров вы­деленного элементарного объема.

Минимальные размеры ячеек координатной сетки не должны быть менее 0,2 мм, максимальные могут достигать 10 мм.

Для использования метода координатных сеток необходимо выбрать плоскость, на которую наносится исходная координатная сетка и которая последеформации образца или заготовки должна остаться плоскостью. Напрмер, при изучении деформированного состояния при выдавливании осесимметричных заготовок в качестве такой плоскости можно выбрать меридиональную плоскость. Следует изготовить две одинаковые половины исходной заготовки в виде полуцилиндра, на одну из которых наносят координатную сетку царапанием с помощью рейсмаса или другого устройства подобного типа. Затем обе половин образца соединяют (иногда с помощью пайки) и продавливают через матрицу. При больших значениях деформации риска (след острия индентора) размывается и точность измерения снижается.

Деформация может быть однократной (для стационарных процессов) и поэтапной (для нестационарных). В последнем случае после каждого этапа деформирования и снятия данных (координат узлов нанесенной сетки) старая сетка удаляется и наносится новая.

Рисунок 19. Схема для нахождения компонент тензора

скоростей деформации по искажению координатной сетки

Вычисление скорости деформации на каждом этапе проводят по следующей методике. В системе локальных координат x,y,θ (рисунок 19) компоненты тензора скоростейдеформации

,

где – ход пуансона на этапе с индексомi.

Затем вычисляют интенсивность скоростей деформации . Если ячейка лежит на свободной поверхности, то, пользуясь соотношениями, связывающими компоненты тензора напряжений с компонентами тензора скоростей деформации, а также принимая во внимание, что нормальное напряжение на свободной поверхности равно нулю, можно вычислить среднее напряжение, интенсивность напряжений и показатель напряженного состоянияK(отношение среднего нормального напряжения к интенсивности напряжений).Если ячейка прямоугольная,

,

если треугольная –

где – угол между нормалью к свободной поверхности и осьюx.

К другим способам получения различной информации по искажению координатной сетки при деформировании относится способ, согласно которому фиксируются перемещения узлов сетки, аппроксимация перемещений этих узлов непрерывными или кусочно-непрерывными аналитическими функциями, например кубическими или бикубическими сплайнами, и дальнейшее вычисление скоростей точек в очаге деформации, скоростей деформации и напряжений с использованием известных соотношений теории пластичности – соотношений Коши, уравнений Леви –Мизеса и диференциальных уравнений равновесия.

При обработке результатов измерения искажений координатной сетки следует учитывать также переопределенность системы уравнений, используемых в теории пластичности, поскольку в теории обработки металлов давлением принято условие постоянства объема. Например, искажение сетки, нанесенной на меридиональную плоскость осесимметричной заготовки или осесимметричного полуфабриката позволяет непосредственно измерить все три линейные деформации, в то время как для несжимаемого тела достаточно измерения только двух величин.