CN103033421A - 一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置 - Google Patents

Abstract

一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置，它涉及一种测试管材力学性能的实验装置，本发明为解决现有的管材力学性能的胀形实验装置无法实现连续测量、测量效率低、实验装置尺寸大、实验成本高以及实验周期长的问题。底板平放设置，第一固定板和第二固定板垂直固接在底板板面的两端，第一固定板的第一通孔与第二固定板的第二通孔同轴设置；两个密封嵌块垂直于底板的板面设置且两个密封嵌块设置在第一固定板和第二固定板之间，两个密封嵌块与第一固定板和第二固定板的板面相互平行设置，导柱的两端通过螺帽紧固，调整块水平设置在两个密封嵌块之间且调整块的两端分别顶靠在两个密封嵌块相对的内端面上。本发明用于测试管材的力学性能。

Description

一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置

技术领域

本发明涉及一种测试管材力学性能的实验装置。

背景技术

在材料加工成形过程中，为了选择合理的工艺流程、确定工艺参数及进行成形后产品的性能分析，需要准确测试材料的力学性能。对于管材，一般沿着轴向和环向存在明显的力学性能差异。管材的轴向力学性能可通过单向拉伸实验进行测试，但是对于环向或其他方向的力学性能，如果沿相应方向截取试样并展平后再进行单向拉伸，则材料的性能必然因展平过程而发生变化，实验所得的结果并不能准确反映管材真实的力学性能。

管材胀形实验是准确测试管材力学性能的新方法。通过测量胀形过程中管坯内部的胀形压力、管坯的胀形高度以及管坯的壁厚等数据，利用专用的理论分析公式可以计算得到管材的等效应力应变曲线。因为胀形实验时仍然保持管坯的原始形状，所以可以直接得到较为准确的力学性能结果。

目前，利用管材胀形实验测试管材力学性能，尚未形成通用或标准的实验方法，试样的制备、胀形时的约束边界条件及数据分析处理方法等都不统一。胀形实验时更是缺乏专用的实验装置。现有的用于管材胀形实验的装置，存在如下问题：(1)实验中测量胀形区管材壁厚时，有的采用“中断实验”取下管坯进行测量，有的采用“多个试样”分别胀形后测量，都无法实现胀形过程中壁厚的连续测量，导致实验繁琐、效率很低；(2)实验时管材端部的受力或约束条件不同，导致实验结果缺乏可比性；(3)实验多是在通用液压机上进行，需要左右两侧的水平油缸推动冲头实现管端的密封，设备尺寸大、动作复杂；(4)通过闭合上下模具实现管材端部的约束，对于不同直径和不同长度的管坯，需要采用不同的模具，模具成本高；(5)实验数据的采集相对独立、分散，需要将多个数据汇总后再进行后续处理才能得到应力应变曲线等，实验周期长，结果处理繁琐。

发明内容

本发明为解决现有的管材力学性能的胀形实验装置无法实现连续测量、测量效率低、实验装置尺寸大、实验成本高以及实验周期长的问题，进而提供一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置包括液压泵站、油缸、压力传感器、位移传感器、增压装置、计算机、约束框架和调整块，约束框架包括底板、第一固定板、第二固定板、移动密封冲头、固定密封冲头、两个密封嵌块和多个导柱，第一固定板板面上的四角处沿第一固定板板面的厚度方向各加工有一个第一通孔，第二固定板板面上的四角处沿第二固定板的厚度方向各加工有一个第二通孔，第二固定板的中心处沿第二固定板的厚度方向加工有工艺孔，每个密封嵌块的中心处沿密封嵌块的厚度方向加工有定位孔，每个密封嵌块端面上的四角处沿每个密封嵌块的厚度方向各加工有一个导向孔，移动密封冲头的侧壁上沿壁厚方向加工有压力检测孔，固定密封冲头的侧壁上沿壁厚方向加工有介质输入孔，底板平放设置，第一固定板和第二固定板垂直固接在底板板面的两端，第一固定板的第一通孔与第二固定板的第二通孔同轴设置；两个密封嵌块垂直于底板的板面设置且两个密封嵌块设置在第一固定板和第二固定板之间，两个密封嵌块与第一固定板和第二固定板的板面相互平行设置，两个密封嵌块的导向孔与第一固定板的第一通孔一一对应同轴设置，密封嵌块的定位孔与第二固定板的工艺孔同轴设置，导柱依次穿过相互同轴设置的第一通孔、导向孔和第二通孔，导柱的两端通过螺帽紧固，两个密封嵌块与导柱滑动连接，调整块水平设置在两个密封嵌块之间且调整块的两端分别顶靠在两个密封嵌块相对的内端面上，固定密封冲头可拆卸固接在第一固定板板面的中心处且固定密封冲头与定位孔同轴设置，固定密封冲头的介质输入孔朝上设置，液压泵站与油缸连通设置，移动密封冲头可拆卸固接在油缸的活塞杆的端面上且移动密封冲头与活塞杆同轴设置，移动密封冲头和固定密封冲头同轴设置，移动密封冲头的压力检测孔朝上设置，移动密封冲头穿过工艺孔设置，待测管坯设置在两个密封嵌块之间，待测管坯的两端分别设置在两个密封嵌块的定位孔内，固定密封冲头顶靠在待测管坯靠近第一固定板一侧的管口处并将其密封，移动密封冲头通过油缸的推力顶靠在待测管坯靠近第二固定板一侧的管口处并将其密封，压力传感器的检测一端插入移动密封冲头的压力检测孔内，压力传感器的另一端与计算机连接，位移传感器的检测一端连接在待测管坯外壁的中部，位移传感器的另一端与计算机连接；增压装置通过导管插入固定密封冲头的介质输入孔内并与待测管坯连通设置。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明结构简单，制造成本低，利用约束框架对待测管坯进行定位，定位效果好，同时利用传感器进行试验数据的采集，实现了测量的连续性，采集数据后通过计算机进行数据分析，可以使试验周期缩短到原来的四分之一。

附图说明

图1是本发明中约束框架的立体图，图2是本发明的结构原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明，本实施方式的一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置包括液压泵站1、油缸2、压力传感器3、位移传感器4、增压装置5、计算机6、约束框架7和调整块9，约束框架7包括底板7-1、第一固定板7-2、第二固定板7-3、移动密封冲头7-5、固定密封冲头7-6、两个密封嵌块7-4和多个导柱7-7，第一固定板7-2板面上的四角处沿第一固定板7-2板面的厚度方向各加工有一个第一通孔7-2-1，第二固定板7-3板面上的四角处沿第二固定板7-3的厚度方向各加工有一个第二通孔7-3-1，第二固定板7-3的中心处沿第二固定板7-3的厚度方向加工有工艺孔7-3-2，每个密封嵌块7-4的中心处沿密封嵌块7-4的厚度方向加工有定位孔7-4-1，每个密封嵌块7-4端面上的四角处沿每个密封嵌块7-4的厚度方向各加工有一个导向孔7-4-2，移动密封冲头7-5的侧壁上沿壁厚方向加工有压力检测孔7-5-1，固定密封冲头7-6的侧壁上沿壁厚方向加工有介质输入孔7-6-1，底板7-1平放设置，第一固定板7-2和第二固定板7-3垂直固接在底板7-1板面的两端，第一固定板7-2的第一通孔7-2-1与第二固定板7-3的第二通孔7-3-1同轴设置；两个密封嵌块7-4垂直于底板7-1的板面设置且两个密封嵌块7-4设置在第一固定板7-2和第二固定板7-3之间，两个密封嵌块7-4与第一固定板7-2和第二固定板7-3的板面相互平行设置，两个密封嵌块7-4的导向孔7-4-2与第一固定板7-2的第一通孔7-2-1一一对应同轴设置，密封嵌块7-4的定位孔7-4-1与第二固定板7-3的工艺孔7-3-2同轴设置，导柱7-7依次穿过相互同轴设置的第一通孔7-2-1、导向孔7-4-2和第二通孔7-3-1，导柱7-7的两端通过螺帽紧固，两个密封嵌块7-4与导柱7-7滑动连接，调整块9水平设置在两个密封嵌块7-4之间且调整块9的两端分别顶靠在两个密封嵌块7-4相对的内端面上，固定密封冲头7-6可拆卸固接在第一固定板7-2板面的中心处且固定密封冲头7-6与定位孔7-4-1同轴设置，固定密封冲头7-6的介质输入孔7-6-1朝上设置，液压泵站1与油缸2连通设置，移动密封冲头7-5可拆卸固接在油缸2的活塞杆2-1的端面上且移动密封冲头7-5与活塞杆2-1同轴设置，移动密封冲头7-5和固定密封冲头7-6同轴设置，移动密封冲头7-5的压力检测孔7-5-1朝上设置，移动密封冲头7-5穿过工艺孔7-3-2设置，待测管坯8设置在两个密封嵌块7-4之间，待测管坯8的两端分别设置在两个密封嵌块7-4的定位孔7-4-1内，固定密封冲头7-6顶靠在待测管坯8靠近第一固定板7-2一侧的管口处并将其密封，移动密封冲头7-5通过油缸2的推力顶靠在待测管坯8靠近第二固定板7-3一侧的管口处并将其密封，压力传感器3的检测一端插入移动密封冲头7-5的压力检测孔7-5-1内，压力传感器3的另一端与计算机6连接，位移传感器4的检测一端连接在待测管坯8外壁的中部，位移传感器4的另一端与计算机6连接；增压装置5通过导管插入固定密封冲头7-6的介质输入孔7-6-1内并与待测管坯8连通设置。

具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的油缸2的推力范围为50～500kN。其他组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的利用胀形实验装置直接测试管材力学性能的具体过程为：

步骤1：根据待测管坯8的初始壁厚、外径及长度选择相应的密封嵌块7-4、移动密封冲头7-5和固定密封冲头7-6，将固定密封冲头7-6安装在第一固定板7-2板面的中心处，将移动密封冲头7-5安装到油缸2的活塞杆2-1上；

步骤2：调整液压泵站1的工作压力使油缸2的推力范围为50～500kN；

步骤3：将待测管坯8设置在两个密封嵌块7-4之间，待测管坯8的两端分别设置在两个密封嵌块7-4的定位孔7-4-1内，利用油缸2的活塞杆2-1端部的移动密封冲头7-5挤压待测管坯8的端部使其扩口并将其顶靠在密封嵌块7-4上实现待测管坯8端部的密封，将压力传感器3的检测一端插入移动密封冲头7-5内，压力传感器3的另一端与计算机6连接，位移传感器4的检测一端连接在待测管坯8上，位移传感器4的另一端与计算机6连接；

步骤4：启动增压装置5，向待测管坯8内部不断充入高压介质使待测管坯8发生胀形变形；

步骤5：利用压力传感器3和位移传感器4分别记录胀形过程中待测管坯8内部的高压介质的压力和待测管坯8的胀形高度，直至待测管坯8破裂；

步骤6：测量待测管坯8破裂点的壁厚t_end，通过理论计算获得胀形过程中每一时刻的壁厚t；每一时刻的管材壁厚t通过如下公式计算：

t＝t₀-bh

式中：t₀为管材的初始壁厚，h为管材的胀形高度，b为线性系数；

步骤7：根据实验获得的数据，利用计算机6的分析处理软件获得待测管坯8的等效应力应变曲线；等效应力应变曲线满足如下形式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=K{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^n$

式中：

为等效应力，

为等效应变，K为强度系数，n为硬化指数。

具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式的步骤4和步骤5中的高压介质为水、乳化液、氮气或空气。其他条件和步骤与具体实施方式三相同。

Claims (4)

1.一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置，其特征在于：所述胀形实验装置包括液压泵站(1)、油缸(2)、压力传感器(3)、位移传感器(4)、增压装置(5)、计算机(6)、约束框架(7)和调整块(9)，约束框架(7)包括底板(7-1)、第一固定板(7-2)、第二固定板(7-3)、移动密封冲头(7-5)、固定密封冲头(7-6)、两个密封嵌块(7-4)和多个导柱(7-7)，第一固定板(7-2)板面上的四角处沿第一固定板(7-2)板面的厚度方向各加工有一个第一通孔(7-2-1)，第二固定板(7-3)板面上的四角处沿第二固定板(7-3)的厚度方向各加工有一个第二通孔(7-3-1)，第二固定板(7-3)的中心处沿第二固定板(7-3)的厚度方向加工有工艺孔(7-3-2)，每个密封嵌块(7-4)的中心处沿密封嵌块(7-4)的厚度方向加工有定位孔(7-4-1)，每个密封嵌块(7-4)端面上的四角处沿每个密封嵌块(7-4)的厚度方向各加工有一个导向孔(7-4-2)，移动密封冲头(7-5)的侧壁上沿壁厚方向加工有压力检测孔(7-5-1)，固定密封冲头(7-6)的侧壁上沿壁厚方向加工有介质输入孔(7-6-1)，底板(7-1)平放设置，第一固定板(7-2)和第二固定板(7-3)垂直固接在底板(7-1)板面的两端，第一固定板(7-2)的第一通孔(7-2-1)与第二固定板(7-3)的第二通孔(7-3-1)同轴设置；两个密封嵌块(7-4)垂直于底板(7-1)的板面设置且两个密封嵌块(7-4)设置在第一固定板(7-2)和第二固定板(7-3)之间，两个密封嵌块(7-4)与第一固定板(7-2)和第二固定板(7-3)的板面相互平行设置，两个密封嵌块(7-4)的导向孔(7-4-2)与第一固定板(7-2)的第一通孔(7-2-1)一一对应同轴设置，密封嵌块(7-4)的定位孔(7-4-1)与第二固定板(7-3)的工艺孔(7-3-2)同轴设置，导柱(7-7)依次穿过相互同轴设置的第一通孔(7-2-1)、导向孔(7-4-2)和第二通孔(7-3-1)，导柱(7-7)的两端通过螺帽紧固，两个密封嵌块(7-4)与导柱(7-7)滑动连接，调整块(9)水平设置在两个密封嵌块(7-4)之间且调整块(9)的两端分别顶靠在两个密封嵌块(7-4)相对的内端面上，固定密封冲头(7-6)可拆卸固接在第一固定板(7-2)板面的中心处且固定密封冲头(7-6)与定位孔(7-4-1)同轴设置，固定密封冲头(7-6)的介质输入孔(7-6-1)朝上设置，液压泵站(1)与油缸(2)连通设置，移动密封冲头(7-5)可拆卸固接在油缸(2)的活塞杆(2-1)的端面上且移动密封冲头(7-5)与活塞杆(2-1)同轴设置，移动密封冲头(7-5)和固定密封冲头(7-6)同轴设置，移动密封冲头(7-5)的压力检测孔(7-5-1)朝上设置，移动密封冲头(7-5)穿过工艺孔(7-3-2)设置，待测管坯(8)设置在两个密封嵌块(7-4)之间，待测管坯(8)的两端分别设置在两个密封嵌块(7-4)的定位孔(7-4-1)内，固定密封冲头(7-6)顶靠在待测管坯(8)靠近第一固定板(7-2)一侧的管口处并将其密封，移动密封冲头(7-5)通过油缸(2)的推力顶靠在待测管坯(8)靠近第二固定板(7-3)一侧的管口处并将其密封，压力传感器(3)的检测一端插入移动密封冲头(7-5)的压力检测孔(7-5-1)内，压力传感器(3)的另一端与计算机(6)连接，位移传感器(4)的检测一端连接在待测管坯(8)外壁的中部，位移传感器(4)的另一端与计算机(6)连接；增压装置(5)通过导管插入固定密封冲头(7-6)的介质输入孔(7-6-1)内并与待测管坯(8)连通设置。

2.根据权利要求1所述的一种直接测试管材力学性能的胀形实验装置，其特征在于：油缸(2)的推力范围为50～500kN。

3.一种应用权利要求1或2所述的胀形实验装置直接测试管材力学性能的方法：其特征在于：管材力学性能的具体测试过程为：

步骤1：根据待测管坯(8)的初始壁厚、外径及长度选择相应的密封嵌块(7-4)、移动密封冲头(7-5)和固定密封冲头(7-6)，将固定密封冲头(7-6)安装在第一固定板(7-2)板面的中心处，将移动密封冲头(7-5)安装到油缸(2)的活塞杆(2-1)上；

步骤2：调整液压泵站(1)的工作压力使油缸(2)的推力范围为50～500kN；

步骤3：将待测管坯(8)设置在两个密封嵌块(7-4)之间，待测管坯(8)的两端分别设置在两个密封嵌块(7-4)的定位孔(7-4-1)内，利用油缸(2)的活塞杆(2-1)端部的移动密封冲头(7-5)挤压待测管坯(8)的端部使其扩口并将其顶靠在密封嵌块(7-4)上实现待测管坯(8)端部的密封，将压力传感器(3)的检测一端插入移动密封冲头(7-5)内，压力传感器(3)的另一端与计算机(6)连接，位移传感器(4)的检测一端连接在待测管坯(8)上，位移传感器(4)的另一端与计算机(6)连接；

步骤4：启动增压装置(5)，向待测管坯(8)内部不断充入高压介质使待测管坯(8)发生胀形变形；

步骤5：利用压力传感器(3)和位移传感器(4)分别记录胀形过程中待测管坯(8)内部的高压介质的压力和待测管坯(8)的胀形高度，直至待测管坯(8)破裂；

步骤6：测量待测管坯(8)破裂点的壁厚t_end，通过理论计算获得胀形过程中每一时刻的壁厚t；每一时刻的管材壁厚t通过如下公式计算：

t＝t₀-bh

式中：t₀为管材的初始壁厚，h为管材的胀形高度，b为线性系数；

步骤7：根据实验获得的数据，利用计算机(6)的分析处理软件获得待测管坯(8)的等效应力应变曲线；等效应力应变曲线满足如下形式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}=K{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}^n$

式中：

为等效应力，

为等效应变，K为强度系数，n为硬化指数。

4.根据权利要求3所述的直接测试管材力学性能的方法：其特征在于：步骤4和步骤5中的高压介质为水、乳化液、氮气或空气。

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