CN104568570A - 一种热作模具材料热机疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热作模具材料热机疲劳试验装置，包括动力系统、加热系统、传动系统、回复系统和控制测试系统。装置可以近似模拟金属板材温热冲压中模具冲头接触热作模具的冲击-拖拽全过程，既实现了模具材料在实际运行条件下所受交变机械应力状态，也考虑了模具材料所受的交变热载荷状态。而且通过液压机可以方便控制冲程次数，便于研究不同冲程下热作模具材料的力学变化和微观变化特征。使用发明所公布试验装置对热作模具材料的热机疲劳性能进行研究，具有可靠性高、稳定性好、测量值更加逼近真实状况的特点，同时该装置更换模具材料简单方便，操作便捷，及其适用于基础实验研究。

Description

一种热作模具材料热机疲劳试验装置

技术领域

本发明属于疲劳性能试验装置技术领域，尤其涉及一种热作模具材料热机疲劳试验装置。

背景技术

热作模具的失效往往是由循环交变的热载荷和机械载荷的共同作用，即热机械疲劳失效而造成的。热机械疲劳是部件疲劳损伤中最为复杂的问题，它涉及到载荷循环、温度循环、蠕变和环境效应等多种因素。热冲压生产过程中热作模具正是处于典型的交变循环热机载荷工况，且热冲压模具内具有错综复杂的冷却系统，使得针对热作模具热机疲劳的研究和分析更加复杂。热作模具材料在受到交变应力的作用下，由于某点或某些点产生局部的永久性的结构变化，在一定循环次数之后形成热裂、撕裂、粘接或发生断裂，将会导致疲劳破坏。尽管目前对这个复杂过程的机制还没有一个统一完整的认识，但人们开始做一些合金的热机械疲劳试验，为热机械疲劳的机理分析和寿命预测提供有用的数据。

疲劳破坏具有很大的突然性，必须提前加以预防，掌握预测热作模具材料疲劳寿命的方法。对于高速冲液压机械，其疲劳属于高周疲劳问题，需要通过试验来对其疲劳性能进行研究。若用实际产品直接进行疲劳性能研究，则试验周期长、成本高，因此疲劳性能研究必须简化为针对典型模具特征的专项试验方法。而现有技术中的关于热作模具材料的热机疲劳实验装置大多应用在低周期的疲劳试验中，而对高周期或者超高周期的疲劳实验无法进行检测。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种热作模具材料热机疲劳试验装置，包括动力系统、加热系统、传动系统、回复系统和控制测试系统；所述传动系统对热作模具材料施加交变应力，所述回复系统与传动系统配合工作对热作模具材料施加回复力，当热作模具材料在被加载时所述动力系统对下滑位移、冲击力、冲击次数进行调节控制和记录，所述加热系统对热作模具材料在加载过程中进行加热和温度控制，所述控制测试系统检测热作模具材料在加载过程中的温度信息和压力信息对加载过程进行实时监控、检测出热作模具材料的热机疲劳性能。

所述动力系统包括液压机、固定模柄、压力传感器、冲头基座和冲头，所述液压机与固定模柄固定连接，所述固定模柄上连接压力传感器，所述压力传感器设置在冲头基座上，所述冲头与冲头基座固定连接；

所述加热系统包括多个电加热管、线路集成器和温控器，所述多个电加热管设置在热作模具材料的管道内，所述电加热管通过导线与线路集成器相连接，所述线路集成器与温控器相连接；

所述传动系统包括刚性折线臂和支撑轴，所述刚性折线臂和支撑轴呈一定角度配合连接，所述支撑轴固定连接在支撑座上，所述刚性折线臂的末端连接有拉杆；

所述回复系统包括弹簧、支撑盘和用于支撑传动系统的机座，所述弹簧穿接在拉杆上，所述支撑盘与拉杆的底端固定连接，所述机座的底面设置有固定槽，所述弹簧安装在固定槽内；工作状态下：所述拉杆拉动支撑盘运动，所述支撑盘带动弹簧压缩和伸展；

所述控制测试系统包括冲头热电偶、用于检测实验过程中温度信息的热电偶I、用于控制电加热管的加热温度的热电偶II和多个采温模块，所述冲头热电偶的一端与冲头基座相连接另一端与采温模块相连接，所述热电偶I和热电偶II的一端与刚性折线臂上的电加热管相连接另一端与采温模块相连接。

所述控制测试系统还包括电脑控制终端，所述压力传感器将检测到的对热作模具材料加载过程中的加载力大小传送至电脑控制终端。

所述刚性折线臂上设置有容纳热作模具材料的凹槽，所述刚性折线臂的末端通过销子与拉杆配合连接，所述拉杆通过加固套环与刚性折线臂固定连接。

所述刚性折线臂与支撑轴的连接处的底部设置有多个垫块，当传动系统完全受力时，刚性折线臂由垫块支撑。

所述机座上设置有导向槽，所述拉杆通过导向槽进行导向。

所述冲头的底端设置有孔槽，所述冲头热电偶设置在孔槽内。

所述冲头所采用的热作模具材料的热处理硬度在HRC62以上，所述冲头的表面设置有合金镀层。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，近似模拟金属板材热冲压的全过程，既实现了模具材料在实际运行条件下所受交变机械应力状态，也考虑了模具材料所受的交变热载荷状态，同时还考虑了热作模具在含有冷却水影响的情况。具有可靠性高、稳定性好、测量值更加逼近真实状况的特点，同时该装置更换模具材料简单方便，操作便捷，及其适用于基础实验研究。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明热作模具材料热机疲劳试验装置的立体图

图2为本发明中动力系统的结构示意图

图3为本发明中加热系统的结构示意图

图4为本发明中传动系统的结构示意图

图5为本发明中回复系统的结构示意图

图6为本发明中控制测试系统的结构示意图

图7为本发明中弹簧固定结构示意图

图8为本发明中热作模具材料示意图

图中：1、固定模柄；2、压力传感器；3、冲头基座；4、紧固螺母；5、液压机；6、紧固扣；7、冲头；8、孔槽；9、温控器；10、线路集成器；11、线路接口；12、电加热管；13、矩形槽；14、热作模具材料；15、凹槽；16、刚性折线臂；17、支撑座；18、支撑轴、19、固定螺母；20、加固套环；21、支撑盘；22、销子；23、拉杆；24、弹簧；25、电脑控制终端；26、采温模块；27、冲头热电偶；28、热电偶I；29、热电偶II；30、信号线；31、垫块；32、导向槽；33、固定槽；36、机座、37、加热孔；39、合金镀层。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1-6所示的一种热作模具材料热机疲劳试验装置包括动力系统、加热系统、传动系统、回复系统和控制测试系统。所述传动系统对热作模具材料14施加交变应力。当实验开始时，液压机5带动冲头7冲击在热作模具材料14上面产生交变应力，刚性折线臂16会在力的作用下开始移动将液压机5的力传至刚性折线臂16后部分的弹簧以及拉杆23处。回复系统与传动系统配合工作对热作模具材料14施加回复力。当液压机5冲击热作模具材料14时会起到缓冲作用，当液压机5冲击结束开始回程时，弹簧14会推动支撑盘17回复，支撑盘17拉动拉杆23，拉杆23带动刚性折线臂16回复使整个刚性折线臂16回复到初始位置，用于下一次循环使用。当热作模具材料14在被加载时所述动力系统对下滑位移、冲击力、冲击次数进行调节控制和记录。加热系统对热作模具材料14在加载过程中进行加热和温度控制，所述控制测试系统检测热作模具材料14在加载过程中的温度信息和压力信息对加载过程进行实时监控、检测出热作模具材料14的热机疲劳性能。

进一步的，如图2所述的动力系统包括液压机5、固定模柄1、压力传感器2、冲头基座3和冲头7。液压机5与固定模柄1固定连接，固定模柄1上连接压力传感器2，压力传感器2设置在冲头基座3上，冲头7与冲头基座3固定连接。固定模柄1与液压机5通过紧固扣6进行固定连接。冲头基座3通过紧固螺母4与压力传感器2固定连接。冲头基座3上有对应的固定螺纹孔用于将螺钉插入，压力传感器2上也有对应位置的孔可以使螺钉从这些孔穿过，当将其都穿过时，固定模柄1上也有对应的螺纹孔将螺钉固定，这样压力传感器2就固定在中间。

如图3所示，加热系统包括多个电加热管12、线路集成器10和温控器9，多个电加热管12设置在热作模具材料14的管道内，所述电加热管12通过导线与线路集成器10相连接，所述线路集成器10与温控器9相连接。通过温控器9上线路接口11提供的220v交流电进行加热。加热温度通过线路集成器10由温控器9控制。同时在安置热作模具材料14的凹槽15底部及侧围布置了数毫米厚的石棉布。

如图4所示：传动系统包括刚性折线臂16和支撑轴18，刚性折线臂16和支撑轴18呈一定角度配合连接，所述支撑轴18固定连接在支撑座17上，所述刚性折线臂16的末端连接有拉杆23。支撑轴18通过固定螺母19与支撑座17固定连接。支撑座17通过螺母固定在机座36上。刚性折线臂16末端加工有U型槽，并在U型槽内配合销子22装有拉杆23，通过加固套环20加强固定，拉杆23与销子22以及加固套环20的配合为螺纹配合。热作模具材料14通过紧固螺栓固定在折线臂的凹槽15内。在刚性折线臂16的侧面设置两个矩形槽13，用于引导热电偶的工作。

如图5所示：回复系统包括弹簧24、支撑盘21和用于支撑传动系统的机座36，所述弹簧24穿接在拉杆23上，所述支撑盘21与拉杆23的底端固定连接，机座36的底面设置有固定槽33，弹簧24安装在固定槽33内；工作状态下：拉杆23拉动支撑盘21运动，支撑盘21带动弹簧24压缩和伸展。随弹簧24伸缩而摆动的拉杆23通过机座上的导向槽32进行导向。

如图6所示：控制测试系统包括冲头热电偶27、用于检测实验过程中温度信息的热电偶I28、用于控制电加热管12的加热温度的热电偶II29和多个采温模块26，所述冲头热电偶27的一端与冲头基座3相连接另一端与采温模块26相连接，所述热电偶I28和热电偶II29的一端与刚性折线臂16上的电加热管12相连接，另一端与采温模块26相连接。试验过程中的温度曲线可以实时在计算机中显示。加载力使用压力传感器2通过信号线30连接到电脑终端25上进行监测。

如图7所述：整套结构通过支撑盘21、拉杆23、导向槽32以及固定螺母19组合固定在液压机5上。弹簧24通过支撑盘21和导向槽32共同夹持固定在机座36上，支撑盘21通过拉杆23以及固定螺母19产生支撑力，将弹簧24固定牢靠，其中导向槽32可以对拉杆23起到导向的作用。

如图8所示：试验用热作模具材料为普通碳钢、铸钢、冷作模具钢、热作模具钢和特种热作模具钢。热作模具材料14加工为长方体形状，每种材料可以加工3个加热孔37，材料表面经强化处理后有2-3μm厚度的合金镀层39。热作模具材料14底面加工有螺栓孔，通过螺栓孔与刚性折线臂16连接。

进一步的，所述控制测试系统还包括电脑控制终端25，压力传感器2将检测到的对热作模具材料14加载过程中的加载力大小传送至电脑控制终端25内进行实时数据信息显示。

进一步的，所述刚性折线臂16的末端通过销子22与拉杆23配合连接，所述刚性折线臂16上设置有容纳热作模具材料14的凹槽15，拉杆23通过加固套环20与刚性折线臂16固定连接。

进一步的，所述刚性折线臂16与支撑轴18的连接处的底部设置有垫块31，当传动系统完全受力时，刚性折线臂16由垫块31支撑。

进一步的，所述机座36上设置有导向槽32，所述拉杆23通过导向槽32进行导向。

进一步的，冲头7的底端设置有孔槽8，所述冲头热电偶27设置在孔槽8内。

进一步的，冲头7所采用的热作模具材料的热处理硬度在HRC62以上，所述冲头7的表面设置有合金镀层。

本发明提供的热作模具材料热机疲劳试验装置，可以近似模拟金属板材热冲压的全过程，既实现了模具材料在实际运行条件下所受交变机械应力状态，也考虑了模具材料所受的交变热载荷状态。模具材料温度最高可达300℃，通过精确调节液压机冲压速度、冲压力、保压力可分别实现不同节拍的冲压工况。冲头和热作模具材料温度的精确监测使得实验参数可以精确控制和记录。而且通过液压机可以方便控制冲程次数，便于研究不同冲程下热作模具材料的力学变化和微观变化特征。使用本发明所公布试验装置对热作模具材料的热机疲劳性能进行研究，具有可靠性高、稳定性好、测量值更加逼近真实状况的特点，同时该装置更换模具材料简单方便，操作便捷，及其适用于基础实验研究。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征在于包括动力系统、加热系统、传动系统、回复系统和控制测试系统；所述传动系统对热作模具材料(14)施加交变应力，所述回复系统与传动系统配合工作对热作模具材料(14)施加回复力，当热作模具材料(14)在被加载时所述动力系统对下滑位移、冲击力、冲击次数进行调节控制和记录，所述加热系统对热作模具材料(14)在加载过程中进行加热和温度控制，所述控制测试系统检测热作模具材料(14)在加载过程中的温度信息和压力信息对加载过程进行实时监控、检测出热作模具材料(14)的热机疲劳性能。

2.根据权利要求1所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述动力系统包括液压机(5)、固定模柄(1)、压力传感器(2)、冲头基座(3)和冲头(7)，所述液压机(5)与固定模柄(1)固定连接，所述固定模柄(1)上连接压力传感器(2)，所述压力传感器(2)设置在冲头基座(3)上，所述冲头(7)与冲头基座(3)固定连接；

所述加热系统包括多个电加热管(12)、线路集成器(10)和温控器(9)，所述多个电加热管(12)设置在热作模具材料(14)的管道内，所述电加热管(12)通过导线与线路集成器(10)相连接，所述线路集成器(10)与温控器(9)相连接；

所述传动系统包括刚性折线臂(16)和支撑轴(18)，所述刚性折线臂(16)和支撑轴(18)呈一定角度配合连接，所述支撑轴(18)固定连接在支撑座(17)上，所述刚性折线臂(16)的末端连接有拉杆(23)；

所述回复系统包括弹簧(24)、支撑盘(21)和用于支撑传动系统的机座(36)，所述弹簧(24)穿接在拉杆(23)上，所述支撑盘(21)与拉杆(23)的底端固定连接，所述机座(36)的底面设置有固定槽(33)，所述弹簧(24)安装在固定槽(33)内；工作状态下：所述拉杆(23)拉动支撑盘(21)运动，所述支撑盘(21)带动弹簧(24)压缩和伸展；

所述控制测试系统包括冲头热电偶(27)、用于检测实验过程中温度信息的热电偶I(28)、用于控制电加热管(12)的加热温度的热电偶II(29)和多个采温模块(26)，所述冲头热电偶(27)的一端与冲头基座(3)相连接另一端与采温模块(26)相连接，所述热电偶I(28)和热电偶II(29)的一端与刚性折线臂(16)上的电加热管(12)相连接另一端与采温模块(26)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述控制测试系统还包括电脑控制终端(25)，所述压力传感器(2)将检测到的对热作模具材料(14)加载过程中的加载力大小传送至电脑控制终端(25)。

4.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述刚性折线臂(16)上设置有容纳热作模具材料(14)的凹槽(15)，所述刚性折线臂(16)的末端通过销子(22)与拉杆(23)配合连接，所述拉杆(23)通过加固套环(20)与刚性折线臂(16)固定连接。

5.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述刚性折线臂(16)与支撑轴(18)的连接处的底部设置有多个垫块(31)，当传动系统完全受力时，刚性折线臂(16)由垫块(31)支撑。

6.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述机座(36)上设置有导向槽(32)，所述拉杆(23)通过导向槽(32)进行导向。

7.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述冲头(7)的底端设置有孔槽(8)，所述冲头热电偶(27)设置在孔槽(8)内。

8.根据权利要求2所述的一种热作模具材料热机疲劳试验装置，其特征还在于：所述冲头(7)所采用的热作模具材料的热处理硬度在HRC62以上，所述冲头(7)的表面设置有合金镀层。