CN103411839A - 一种金属通电剪切试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属通电剪切试验装置及试验方法，通过剪切试验装置实现在高能电脉冲电流条件下的材料抗剪强度的测定。其底座安装在试验机工作台上，凹模固定在底座的凹槽中间，凸模位于凹模的上方，绝缘板位于凸模和连接杆之间，连接杆安装在绝缘板上方，通过紧固螺栓将连接杆和绝缘板紧固在凸模上，剪切试样放置在凹模的两个圆孔中对称安装，高能脉冲电源位于底座端部，且与底座之间保持安全距离，高能脉冲电源的引出导线固连在剪切试样两端部的夹头上。本发明通过研究在通电条件下材料的机械性能，确定高能电脉冲对材料机械性能参数的影响效果，提供材料在通电条件下的机械性能参数，尤其是抗剪强度，用于电塑性加工。

Description

一种金属通电剪切试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于金属剪切试验领域，具体地说,涉及一种金属通电剪切试验装置及试验方法。

背景技术

工程结构件除承受拉力和压力外，大多还承受剪切力的作用，有些情况剪切力还起着主要的作用。如蒸汽锅炉、桥梁及飞机中的铆钉，结构件上的销子等都是受剪切力的作用，它们的抗剪强度如何关系到构件的安全，因此在结构件的设计和制造时都必须考虑材料的剪切强度。近年来，国内外许多学者把高能电脉冲作为一种新的技术手段引入材料制备与试验加工的研究中，材料在运动电子作用下，变形抗力急剧下降，塑性明显提高的现象称为电塑性效应，电塑性效应不仅可以降低普通材料的变形抗力，大幅增加材料的成形极限，同时改善产品的表面质量，提高成材率，特别适用于加工那些难变形材料及异形件，因此，有必要研究在通电条件下材料的机械性能，一般研究材料的抗拉强度、抗压强度和抗剪强度，确定高能电脉冲对材料机械性能参数的影响效果，提供材料在通电条件下的机械性能参数，用于电塑性加工，近年来，随着高新技术的迅速发展和各种新材料的发现，对于新材料的加工也需要不同于常规的新加工技术，因而材料的电塑性加工必将得到迅速发展，但是，目前实验室中采用的常规剪切试验方法无法满足通电要求。现有公开的技术文献《钛合金丝材剪切强度影响因素试验研究》中介绍了一种纯剪切试验方法,采用圆形剪切孔代替普通剪切试验所采用的半圆型剪切孔，降低剪切过程中应力集中现象，使实验结果更加精确，但是，由于模具全金属结构，无法满足加电试验要求，而且试验机主体都是钢铁结构，极易导电，直接通电试验，会危及人员及设备安全，必须进行绝缘处理。

发明内容

为克服实验中常规剪切试验方法无法满足通电要求，以及普通剪切试验半圆形剪切孔所伴随的应力过度集中及剪切断面与试样轴线不垂直问题，本发明提出一种金属通电剪切试验装置及试验方法；通过设计一种简易的剪切试验装置实现在高能电脉冲电流条件下的材料抗剪强度的测定；通过研究在通电条件下材料的机械性能，确定高能电脉冲对材料机械性能参数的影响效果，提供材料在通电条件下的机械性能参数，尤其是抗剪强度，用于电塑性加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种金属通电剪切试验装置，包括凸模、凹模、底座、夹头、连接杆、绝缘板、绝缘垫圈、绝缘套筒和高能脉冲电源，所述底座为凹形长方体，凹槽中间的宽度大于两端宽度，凹槽内两端有安装孔；凹模位于底座上凹槽内，凹模底部的凸块与底座中间部位凹槽相合，凹模两侧壁中间部位有通孔；凸模位于凹模的上方，凸模下部半圆形刃口处的两侧面与凹模通孔的两内侧面平行安装，绝缘板位于凸模和连接杆之间，连接杆安装在绝缘板上方，连接杆两端通孔与绝缘板两端通孔和凸模两端螺纹盲孔同轴，连接杆与绝缘板通过紧固螺栓紧固在凸模上，绝缘套筒与绝缘垫圈安装在连接杆两端通孔中；剪切试样放置在凹模的两个通孔中，剪切试样两端有夹头对称安装；高能脉冲电源位于底座端部，且与底座之间保持安全距离，高能脉冲电源的引出导线固连在剪切试样两端部的夹头上；底座安装在试验机工作台上。

一种根据所述的金属通电剪切试验装置进行剪切试验的方法，其特点在于包括如下步骤:

步骤1.通过对剪切装置进行绝缘设计来保证了操作人员及机器设备的安全，其中绝缘板位于连接杆与凸模之间，起绝缘连接杆与凸模的目的，底座通过螺栓连接紧固到电子万能试验机工作台上，底座采用绝缘材料，起绝缘凹模与电子万能试验机工作台的目的；

步骤2.测量剪切试件受剪处的直径D，通过公式S=πD²/4计算出截面面积S，将剪切试样放在凹模的圆孔中，连接高能脉冲电源；

步骤3.设定万能试验机参数；将高能脉冲电源的引出导线连接到剪切试样两端的夹头上；电流为400A，每隔30S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S，在整个剪切试验过程中，始终保持所设定的参数；

步骤4.完成试验条件设定，调整试验机横梁位置，选择适当量程，接通高能脉冲电源，试验开始，平稳施加载荷，直至试样断裂；

步骤5.试样断裂后，记下剪断时电子万能试验机上显示的最大荷载P，按照公式τ_b=P(2S)计算出试样的剪切强度。

有益效果

本发明提出的一种金属通电剪切试验装置及试验方法，能很好的保证剪切试样与电子万能试验机的绝缘性，并且避免了表面喷涂绝缘层方法伴随的摩擦破损以及涂层老化脱落缺陷。在金属通电剪切试验装置中绝缘板位于连接杆与凸模之间，对连接杆与凸模进行绝缘；凹模放置在底座的方槽内，将底座通过紧固螺栓安装在电子万能试验机的工作台上，底座采用绝缘材料，对凹模与电子万能试验机工作台起到绝缘的作用，保证了操作人员及机器设备的安全。采用夹头将导线固定在剪切试样上，防止导线的接触不良及脱落，在保证安全的情况下完成在高能脉冲电流条件下金属剪切试验。本发明的凹模剪切刃口采用圆形剪切口代替半圆形剪切口的双剪试验方式，解决了试样在半圆形刀口剪切下会发生上翘的问题以及由于弯矩作用使得断口剪切面与试样轴线不垂直的问题，能够降低剪切过程中应力集中现象，使实验结果更精确。本发明完全能够满足在高能电脉冲电流条件要求的剪切试验装置进行测量材料抗剪强度，其结构简单、易于加工制造、绝缘效果好，能很好的保证剪切试验结果的可靠性，并可用于后期的电塑性加工研究。

附图说明

下面结合附图对本发明一种金属通电剪切试验装置及试验方法作进一步的详细说明。

图1为本发明的金属通电剪切试验装置示意图。

图2为连接杆与凸模连接结构剖视图。

图3为连接杆示意图。

图4为绝缘块示意图。

图5为凸模轴测图。

图6为凹模轴测图。

图7为底座示意图。

其中:

1.紧固螺栓2.绝缘板3.凸模4.凹模5.底座6.夹头7.高能脉冲电源8.剪切试样9.连接杆10.绝缘垫圈11.绝缘套筒

具体实施方式

本实施例是一种金属通电剪切试验装置及试验方法。采用径向压缩加载方式将材料剪切试样的受剪截面剪断，以测得剪切强度，为了降低剪切过程中应力集中现象，使实验结果更加精确，凹模剪切刃口采用圆形剪切口代替半圆形剪切口的双剪试验方式，将试验装置按装配顺序组装好，高能脉冲电源的导线连接到剪切试样上，调整电子万能试验机，接通高能脉冲电源进行通电剪切试验，试样剪断后，记下剪切试验过程的最大试验载荷P，按照公式τ_b=P(2S)计算出剪切强度。

参阅图1-图7，本实施例是用于长度为120mm，直径为10mm的铝合金棒材通电剪切试验；试验装置包括紧固螺栓1、凸模3、凹模4、底座5、夹头6、连接杆9、绝缘板2、绝缘垫圈10、绝缘套筒11和高能脉冲电源7，底座5为凹形长方体，凹槽中间的宽度大于两端宽度，凹槽内两端有安装孔；凹模4安装在底座5上凹槽内，凹模4底部的凸块与底座5中间部位凹槽相合，凹模两侧壁中间部位有通孔；凸模3安装在凹模4的上方，凸模3下部半圆形刃口处的两侧面与凹模4通孔的两内侧面平行安装，绝缘板2位于凸模3和连接杆9之间，连接杆9安装在绝缘板2上方，连接杆9两端通孔与绝缘板2两端通孔和凸模3两端螺纹盲孔同轴，连接杆9与绝缘板2通过紧固螺栓1紧固在凸模3上，绝缘套筒11与绝缘垫圈10安装在连接杆9两端通孔中；剪切试样8放置在凹模4的两个通孔中，剪切试样8两端有夹头6对称安装；高能脉冲电源7位于底座端部，而且与底座5之间保持安全距离。高能脉冲电源7的引出导线固连在剪切试样8两端部的夹头6上；底座5通过螺栓安装在电子万能试验机工作台上。底座5的尺寸根据各个部件的装配位置及对试验装置刚度的要求确定，材料为高强度酚醛树脂层压板；本实施例中，底座5的主体尺寸为160mm×80mm×55mm的长方体，凹模4的安装尺寸为80mm×60mm×25mm，底座5的两端安装孔为Φ10mm；凸模3半圆形刃口半径为5mm，凸模3两侧壁厚度为10mm，凸模3外表面涂有一层绝缘漆。凹模4尺寸由凸模3的尺寸及试验装置刚度的要求确定，凹模4的外表面涂有一层绝缘漆。绝缘板2的尺寸由连接块9的尺寸及所需承受压力确定，材料为高强度酚醛树脂层压板，具体尺寸为80mm×40mm×10mm的长方体，上面开有两个Φ10mm的通孔。连接杆9上部直径为30mm，高为60mm的圆台，上端部一段有螺纹，下部为80mm×40mm×10mm的方台，上面开有2个Φ14的通孔安装绝缘套筒。高能脉冲电源7为中山宝辰牌高能脉冲开关电源，其相关参数如下，输出直流电流:0～200A，400A，600A……30000A可调，脉冲占空比:0～100%连续可调，脉冲频率:0～20000HZ连续可调，根据具体成形零件的尺寸调节输出直流电流的大小。绝缘套筒11的内径尺寸为5mm，外径尺寸为7mm，高度为10mm，绝缘垫圈10的内径尺寸为5mm，外径尺寸为10mm，厚度为4mm。

本发明一种根据所述的金属通电剪切试验装置进行剪切试验的方法，具体步骤如下:

第一步，通过对剪切装置进行绝缘设计保证了操作人员及机器设备的安全，其中绝缘板安装在连接杆与凸模之间，对连接杆与凸模进行绝缘，底座通过螺栓连接紧固到电子万能试验机工作台上；底座采用绝缘材料，起到绝缘凹模与电子万能试验机工作台的目的。

第二步，取剪切试样的三个不同位置测量剪切试件受剪处的直径D，取平均值来减小测量读数误差，通过公式S=πD²/4计算出截面面积S，然后将剪切试样放在凹模的圆孔中，调节左右对称来保证受力均匀，用夹头将导线固定在剪切试样上防止导线的接触不良及脱落，导线另一端连接在高能脉冲电源上，最后完成整个装置的接线。

第三步，将高能脉冲电源的引出导线连接到剪切试样两端的夹头上；启动控制计算机，完成计算机与电子万能试验机的联机操作，设置试验速度，本实施例中剪切试验速度选择5mm/min，试验模式选择单向压缩加载方式，设定脉冲电流为400A，每隔30S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S，在整个剪切试验过程中，始终保持所设定的电流参数；选择适当量程，平稳施加载荷，直至试样断裂。

第四步，试样断裂后，记下剪断时电子万能试验机上显示的最大荷载P，按照公式τ_b=P(2S)计算出试样的剪切强度。

Claims (2)

1.一种金属通电剪切试验装置，其特征在于:包括凸模、凹模、底座、夹头、连接杆、绝缘板、绝缘垫圈、绝缘套筒和高能脉冲电源，所述底座为凹形长方体，凹槽中间的宽度大于两端宽度，凹槽内两端有安装孔；凹模位于底座上凹槽内，凹模底部的凸块与底座中间部位凹槽相合，凹模两侧壁中间部位有通孔；凸模位于凹模的上方，凸模下部半圆形刃口处的两侧面与凹模通孔的两内侧面平行安装，绝缘板位于凸模和连接杆之间，连接杆安装在绝缘板上方，连接杆两端通孔与绝缘板两端通孔和凸模两端螺纹盲孔同轴，连接杆与绝缘板通过紧固螺栓紧固在凸模上，绝缘套筒与绝缘垫圈安装在连接杆两端通孔中；剪切试样放置在凹模的两个通孔中，剪切试样两端有夹头对称安装；高能脉冲电源位于底座端部，且与底座之间保持安全距离，高能脉冲电源的引出导线固连在剪切试样两端部的夹头上；底座安装在试验机工作台上。

2.一种根据权利要求1所述的金属通电剪切试验装置进行剪切试验的方法，其特征在于包括如下步骤:

步骤1.通过对剪切装置进行绝缘设计来保证了操作人员及机器设备的安全，其中绝缘板位于连接杆与凸模之间，起绝缘连接杆与凸模的目的，底座通过螺栓连接紧固到电子万能试验机工作台上，底座采用绝缘材料，起绝缘凹模与电子万能试验机工作台的目的；

步骤2.测量剪切试件受剪处的直径D，通过公式S=πD²/4计算出截面面积S，将剪切试样放在凹模的圆孔中，连接高能脉冲电源；

步骤3.设定万能试验机参数；将高能脉冲电源的引出导线连接到剪切试样两端的夹头上；电流为400A，每隔30S发一次脉冲电，每个脉冲持续0.03S，在整个剪切试验过程中，始终保持所设定的参数；

步骤4.完成试验条件设定，调整试验机横梁位置，选择适当量程，接通高能脉冲电源，试验开始，平稳施加载荷，直至试样断裂；

步骤5.试样断裂后，记下剪断时电子万能试验机上显示的最大荷载P，按照公式τ_b=P(2S)计算出试样的剪切强度。

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