CN108398328A - 十字形试样双向拉伸测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种十字形试样双向拉伸测试装置，包括上模座、下模座、两对拉伸机构和导向杆组件；每一对拉伸机构包括两滑动限位槽、第一滑块、第二滑块、第一推块组件和第二推块组件；每一对拉伸机构的两滑动限位槽对置于预设中心位置的两侧并固定于下模座上；第一滑块和第二滑块设置于滑动限位槽内；第一滑块和第二滑块分别形成第一斜面；第一推块组件和第二推块组件固定于上模座，第一推块组件和第二推块组件分别形成和对应的第一斜面配合的第二斜面；两对拉伸机构的拉伸方向相互垂直。本发明的一种十字形试样双向拉伸测试装置，面向高强度材料试样，并具有能够提供足够大的载荷、结构稳定和成本低廉的优点。

Description

十字形试样双向拉伸测试装置

技术领域

本发明涉及拉伸测试装置领域，尤其涉及一种十字形试样双向拉伸测试装置。

背景技术

金属板材的塑性成形在现代工业生产中占有重要的地位，其产品涉及航空航天、汽车制造、电子电器、仪器仪表、装备制造等诸多行业。成形极限是板材成形领域中重要的性能指标和工艺参数，反映了板材在塑性失稳前所能取得的最大变形程度。以极限应变为基础的成形极限图可用来判断复杂形状冲压件工艺设计的合理性，分析冲压件的成形质量并改进工艺，以保证冲压生产过程的顺利进行。

要通过实验的方式测定材料的成形极限图，需要通过一定的方法沿不同的应变路径将板料冲压至失稳破裂，得到板料在拉伸条件下的极限状态，然后测量该极限状态下的应变。板料成形中的受力状态大多为平面应力状态或者接近平面应力状态，受力的形式包括拉/拉、拉/压、压/压三种状态在不同比例下的组合。其中，双向拉伸区常用的实验测试方法有球头胀形实验和双向拉伸实验等。球头胀形实验的基本原理是在模具上设置限制材料流动的拉延筋，毛坯在凸模的压力作用下表面积增大，厚度减薄，从而处于双向拉伸变形状态。球头胀形实验已有成熟的实验规范，应用非常广泛，但该实验较难及时判断材料断裂的临界点，不能准确地评价材料双向拉伸性能。十字拉伸实验的基本原理是对交叉呈“十”字形状试样的4个十字臂分别进行拉伸，使试样中心区域在双向拉伸的作用下产生塑性变形。十字拉伸实验是实现复杂加载路径的有效方法，中心区域的应变大小测量方便，并且可以调整不同方向载荷的应力比，更方便对材料在双向拉伸状态下的力学性能和成形极限进行测试，因此在材料的塑性研究中得到了广泛应用。

目前现有的十字拉伸测试设备普遍采用以下形式：以十字形试样的四个加载臂为基准构建测试框架，每个加载臂均通过一套液压驱动装置来实现加载过程，试样的四个十字臂分别由楔形夹夹住，保证双向加载过程中试样中心不发生轴向移动，且两端载荷大小相等方向同轴，每个方向上液压缸的载荷大小可独立伺服控制，设有载荷传感器来对加载过程中的载荷进行实时测量，并通过A/D数据采集卡来完成实验数据的记录和存储。

在实验过程中，该种装置存在以下问题：每个伺服液压缸所提供的加载能力有限，对于某些抗拉强度在1500MPa以上甚至更高的材料，通过伺服液压缸产生的加载力往往不足以使试样在双向拉伸的作用下发生破裂，无法判断材料的塑性成形极限；该装置所能装载的十字形试样尺寸较小，这在一定程度上会影响到试样中心区域形变的均匀性及应变测量的精度；由于在每个加载臂上都设置了一套液压驱动系统，会使得这一整套设备结构复杂，体积和占地面积庞大，设备制造、运输、安装、调试等过程困难并且容易损坏，制造维护成本高昂。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种十字形试样双向拉伸测试装置，面向高强度材料试样，并具有能够提供足够大的载荷、结构稳定和成本低廉的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种十字形试样双向拉伸测试装置，包括一上模座、一下模座、两对拉伸机构和一导向杆组件；每一对所述拉伸机构包括两滑动限位槽、一第一滑块、一第二滑块、一第一推块组件和一第二推块组件；每一对所述拉伸机构的两所述滑动限位槽对置于一预设中心位置的两侧并固定于所述下模座上；所述第一滑块和所述第二滑块分别可沿一拉伸方向往复运动地设置于所述滑动限位槽内；所述第一滑块和所述第二滑块邻近所述预设中心位置的一侧分别形成沿所述拉伸方向延伸并向所述下模座方向倾斜的第一斜面；所述第一推块组件和所述第二推块组件固定于所述上模座邻近所述下模座的一面，且所述第一推块组件位置与所述第一滑块对应，所述第二推块组件位置与所述第二滑块对应，所述第一推块组件和所述第二推块组件分别形成和对应的所述第一斜面配合的第二斜面；两对所述拉伸机构的所述拉伸方向相互垂直；所述导向杆组件连接于所述上模座与所述下模座之间。

优选地，还包括两载荷传感器，所述第一滑块形成一第一试样连接部，所述载荷传感器分别固定于两所述第二滑块上并连接一第二试样连接部。

优选地，所述第一滑块包括两所述第一斜面，所述第一斜面分布于所述第一滑块的两侧，两所述第一斜面之间形成一平台，所述平台邻近所述预设中心位置的一侧形成所述第一试样连接部。

优选地，所述第二滑块包括两所述第一斜面，所述第一斜面分布于所述第二滑块的两侧，两所述第一斜面之间沿所述拉伸方向形成一通槽，所述载荷传感器固定于所述第二滑块远离所述预设中心位置的一侧，且所述载荷传感器的一测量杆插设于所述通槽内并连接所述第二试样连接部。

优选地，还包括两连接件，所述连接件的顶面形成所述第二试样连接部，各所述测量杆邻近所述预设中心位置的一端顶部分别可拆卸地连接一所述第二试样连接部的底面，所述第二试样连接部设置于所述通槽内，且所述平台的顶面和所述连接件的顶面在同一水平平面内。

优选地，每一所述第二滑块和对应所述滑动限位槽内之间连接有一拉杆式位移传感器；且所述拉杆式位移传感器沿对应所述第二滑块的所述拉伸方向设置。

优选地，所述上模座形成一观察洞口，所述观察洞口的位置与所述预设中心位置对应。

优选地，所述导向杆组件包括两导柱和复数个限位柱，所述导柱包括一套管和一导向柱，所述上模座的两侧沿竖直方向分别形成一导向孔，所述套管固定于所述上模座的导向孔中，所述导向孔的孔径与所述套管的外径配合；所述导向柱固定于所述下模座的顶面并与所述套管的位置对应，所述套管可沿所述导向柱轴向往复运动地套设于所述导向柱外；每一所述限位柱包括一上限位柱和一下限位柱，所述上限位柱固定于所述上模座的底面，所述下限位柱固定于所述下模座的顶面并与所述上限位柱的位置一一对应。

优选地，两所述导柱分别设置于所述上模座两端的异侧偏心位置。

优选地，还包括一垫板，所述垫板固定于所述下模座上，所述滑动限位槽通过所述垫板固定于所述下模座上；每一所述滑动限位槽包括固定于所述垫板的两导向块和两限位块，所述导向块相互平行并沿所述拉伸方向布设，所述限位块垂直于两所述导向块并固定于两所述导向块的两端；所述滑动限位槽内沿所述拉伸方向固定有一对复位弹簧。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

通过第一滑块、第二滑块、第一推块组件和第二推块组件的第一斜面和第二斜面间的配合，将竖直方向的下压运动转化为第一滑块和第二滑块在水平方向上的滑移运动，再由第一滑块和第二滑块带动十字形试样实现双向拉伸过程，结构稳定、成本低廉，并能够提供足够大的载荷。导向杆组件连接于上模座1与下模座之间，在压模过程中起支撑、定位和导向作用。

1、可在现有的压力机上实现十字形试样的双向拉伸功能，无需配套专用的伺服液压动力系统；

2、全部采用机械结构设计，性能可靠稳定，不易损坏；

3、可以实现试样双向自动对中，能够有效避免传统十字拉伸设备因偏载所造成的设备振动，减小试样十字臂处的切向剪应力；

4、可以通过调整某个拉伸方向上斜楔的高度，实现“单向拉伸-双向拉伸”两步加载过程，完成复杂加载路径下材料力学性能和成形极限的测试；

5、可以实现大尺寸试样的双向拉伸功能，中心变形区域尺寸较大，更有利于提高试样中心区域形变的均匀性和应变测量结果的精度；

6、可以对十字臂施加更大的拉力，现有的伺服液压缸所提供的拉力大约为10t左右，本发明可完成40t的拉力的施加与采集测试功能，可用于超高强度材料的双向拉伸测试；

7、结构简单，体积和占地面积较小，设备制造、运输、安装、调试等过程方便，制造维护成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施例的十字形试样双向拉伸测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的上模座的结构示意图；

图3为本发明实施例的去除了上模座的十字形试样双向拉伸测试装置的结构示意图；

图4为本发明实施例的第一滑块与第一推块组件配合结构示意图；

图5为本发明实施例的第一滑块的结构示意图；

图6为本发明实施例的第二滑块的结构示意图；

图7为本发明实施例的第二滑块与载荷传感器和拉杆式位移传感器的连接机构示意图。

具体实施方式

下面根据附图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1～图4，本发明实施例的一种十字形试样双向拉伸测试装置，包括一上模座1、一下模座2、两对拉伸机构3、一导向杆组件4和一垫板5；每一对拉伸机构3包括两滑动限位槽31、一第一滑块32、一第二滑块33、一第一推块组件34和一第二推块组件35；垫板通过销钉固定于下模座2上，每一对拉伸机构3的两滑动限位槽31对置于一预设中心位置的两侧并通过垫板5固定于下模座2上；第一滑块32和第二滑块33分别可沿一拉伸方向往复运动地设置于滑动限位槽31内；第一滑块32和第二滑块33邻近预设中心位置的一侧分别形成沿拉伸方向延伸并向下模座2方向倾斜的第一斜面321；第一推块组件34和第二推块组件35固定于上模座1邻近下模座2的一面，且第一推块组件34位置与第一滑块32对应，第二推块组件35位置与第二滑块33对应，第一推块组件34和第二推块组件35分别形成和对应的第一斜面321配合的第二斜面341；两对拉伸机构3的拉伸方向相互垂直；导向杆组件4连接于上模座1与下模座2之间，在压模过程中起支撑、定位和导向作用，保证上下模座在水平方向上不发生偏移。滑动限位槽31内沿拉伸方向固定有一对复位弹簧。

本实施例中，第一推块组件34和第二推块组件35分别包括两相互间隔设置的斜楔，斜楔通过销钉固定于上模座1的底面。第一滑块32和第二滑块33底面与垫板5接触并可相对滑动。

上模座1对应位置处开设有八个一定深度的矩形凹槽，八个斜楔分别嵌入相应的凹槽之中，上端面保持等高，并通过销钉与上模座1相连接。

本实施例中，每一滑动限位槽31包括固定于垫板5的两导向块311和两限位块312，导向块311相互平行并沿拉伸方向布设，限位块312垂直于两导向块311并固定于两导向块311的两端。导向块311和两限位块312用于配合形成滑动限位槽31用于限制第一滑块32和第二滑块33的活动范围。导向块311布置在左右两侧，以保证第一滑块32和第二滑块33只能够沿着加载臂的方向前后运动，限位块312则共同限制了第一滑块32和第二滑块33的移动距离。一限位块312上设有复位弹簧。

自然状态时，在复位弹簧的作用下，第一滑块32和第二滑块33顶在邻近预设中心位置的限位块312上；随着压机带动上模座1下压，第一滑块32和第二滑块33在第一斜面321和第二斜面341的作用下沿着导向块311向外移动，当第一滑块32和第二滑块33与后端的限位块312相接触时，拉伸加载过程结束；当压机带动上模座1向上抬起时，第一滑块32和第二滑块33在复位弹簧作用下恢复自然状态，顶在前端的限位块312上。

上模座1形成一观察洞口11，观察洞口11的位置与预设中心位置对应。观察洞口11足够大能够以便在试验过程中利用数字图像相关测量技术(Digital Image Correlation,DIC)对试样中心变形区域应变进行实时观测。

导向杆组件4包括两导柱41和复数个限位柱42，导柱41包括一套管411和一导向柱412，上模座1的两侧沿竖直方向分别形成一导向孔12，套管411固定于上模座1的导向孔12中，导向孔12的孔径与套管411的外径配合；导向柱412固定于下模座2的顶面并与套管411的位置对应，套管411可沿导向柱412轴向往复运动地套设于导向柱412外；每一限位柱42包括一上限位柱421和一下限位柱422，上限位柱421固定于上模座1的底面，下限位柱422固定于下模座2的顶面并与上限位柱421的位置一一对应。两导柱41分别设置于上模座1两端的异侧偏心位置，以预留出传感器的移动空间。

通过第一滑块32、第二滑块33、第一推块组件34和第二推块组件35的第一斜面321和第二斜面341间的配合，将竖直方向的下压运动转化为第一滑块32和第二滑块33在水平方向上的滑移运动，再由第一滑块32和第二滑块33带动十字形试样6实现双向拉伸过程，结构稳定、成本低廉，并能够提供足够大的载荷。

当两个方向上的第一斜面321和第二斜面341的设置高度相等时，试样呈现双向等拉状态。可根据实际需要通过调整某一个方向上第一斜面321和第二斜面341的高度使两个拉伸方向上的第一斜面321和第二斜面341接触时不等高，这样上模座1下压时，该拉伸方向上的第二斜面341将首先与对应的第一斜面321接触，带动该拉伸方向的第一滑块32和第二滑块33向外滑动，此时十字形试样6呈单向拉伸状态；当上模座1继续下压一定距离后，另一个拉伸方向上的第二斜面341与对应的第一斜面321接触，之后上模座1下压带动两个拉伸方向的第一滑块32和第二滑块33向外滑动，十字形试样6转化为双向拉伸状态，这样即可实现“单向拉伸-双向拉伸”两步加载路径下材料的力学性能和成形极限测试。

请参阅图3、图5～图7，还包括两载荷传感器36，第一滑块32形成一第一试样连接部322，载荷传感器36分别固定于两第二滑块33上并连接一第二试样连接部371。载荷传感器36通过销钉固定于第二滑块33上。

本实施例中，第一试样连接部322和第二试样连接部371采用连接孔。

第一滑块32和第二滑块33分别包括分布于两侧的两第一斜面321；其中，第一滑块32的两第一斜面321之间形成一平台323，平台323邻近预设中心位置的一侧形成第一试样连接部322。平台323用于安装十字形试样6。

第二滑块33的两第一斜面321之间沿拉伸方向形成一通槽331，载荷传感器36固定于第二滑块33远离预设中心位置的一侧，且载荷传感器36的一测量杆361插设于通槽331内并连接第二试样连接部371。

还包括两连接件37，连接件37的顶面形成第二试样连接部371，各测量杆361邻近预设中心位置的一端顶部分别可拆卸地连接一第二试样连接部371的底面，第二试样连接部371设置于通槽331内，且平台323的顶面和连接件37的顶面在同一水平平面内。

连接件37作用一方面是保证其上平面与第一滑块32和第二滑块33的上平面等高方便安装试样，另一方面是当连接孔局部破损时便于及时更换。

每一第二滑块33和对应滑动限位槽31内之间连接有一拉杆式位移传感器38；且拉杆式位移传感器38沿对应第二滑块33的拉伸方向设置。本实施例中，拉杆式位移传感器38一端固定在对应滑动限位槽31，另一端通过一L形连接块连接在第二滑块33上。这样第二滑块33运动带动拉杆式位移传感器38运动，可以实现拉伸过程中位移量的实时测量。

请参阅图1～图7，本发明实施例的一种十字形试样双向拉伸测试装置，其工作过程如下，首先安装十字形试样6，将十字形试样6的四个加载臂分别连接第一试样连接部322和第二试样连接部371；然后通过外部压力机带动上模座1向下压，与上模座1固连的第一推块组件34和第二推块组件35通过第二斜面341和第一斜面321的配合带动对应的第一滑块32和第二滑块33向外滑移，与第一滑块32和第二滑块33相连的十字形试样6的加载臂从而完成双向拉伸过程，并通过载荷传感器36和拉杆式位移传感器38实时测量拉伸过程中的载荷和位移大小。本发明实施例的一种十字形试样双向拉伸测试装置，可安装在现有的常规压力机上，实现大尺寸高强度材料十字形试样6的塑性行为研究、屈服轨迹确定、双向拉伸力学性能及成形极限测试等功能。

实验结果表明，本发明实施例的一种十字形试样双向拉伸测试装置，可以有效实现大尺寸高强度十字形试样6的双向拉伸功能，在拉伸过程中能够保持试样自动对中，对试样加载臂处的位移和拉力大小进行实时测量和记录，并通过数字图像相关测试技术对试样中心变形区域的应变进行实时观测。通过斜楔与滑块的斜面传动，将斜楔在竖直方向上的运动转化为滑块在水平方向上的运动，这样一方面可以利用现有的压力机作为动力源来完成双向拉伸功能，无需在每个十字臂方向上都配套一副专用的伺服液压动力系统；另一方面可以有效减小十字拉伸测试设备的占地空间，运输、安装、调试等过程更加方便，制造维护成本低廉。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，包括一上模座、一下模座、两对拉伸机构和一导向杆组件；每一对所述拉伸机构包括两滑动限位槽、一第一滑块、一第二滑块、一第一推块组件和一第二推块组件；每一对所述拉伸机构的两所述滑动限位槽对置于一预设中心位置的两侧并固定于所述下模座上；所述第一滑块和所述第二滑块分别可沿一拉伸方向往复运动地设置于所述滑动限位槽内；所述第一滑块和所述第二滑块邻近所述预设中心位置的一侧分别形成沿所述拉伸方向延伸并向所述下模座方向倾斜的第一斜面；所述第一推块组件和所述第二推块组件固定于所述上模座邻近所述下模座的一面，且所述第一推块组件位置与所述第一滑块对应，所述第二推块组件位置与所述第二滑块对应，所述第一推块组件和所述第二推块组件分别形成和对应的所述第一斜面配合的第二斜面；两对所述拉伸机构的所述拉伸方向相互垂直；所述导向杆组件连接于所述上模座与所述下模座之间。

2.根据权利要求1所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，还包括两载荷传感器，所述第一滑块形成一第一试样连接部，所述载荷传感器分别固定于两所述第二滑块上并连接一第二试样连接部。

3.根据权利要求2所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，所述第一滑块包括两所述第一斜面，所述第一斜面分布于所述第一滑块的两侧，两所述第一斜面之间形成一平台，所述平台邻近所述预设中心位置的一侧形成所述第一试样连接部。

4.根据权利要求3所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，所述第二滑块包括两所述第一斜面，所述第一斜面分布于所述第二滑块的两侧，两所述第一斜面之间沿所述拉伸方向形成一通槽，所述载荷传感器固定于所述第二滑块远离所述预设中心位置的一侧，且所述载荷传感器的一测量杆插设于所述通槽内并连接所述第二试样连接部。

5.根据权利要求4所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，还包括两连接件，所述连接件的顶面形成所述第二试样连接部，各所述测量杆邻近所述预设中心位置的一端顶部分别可拆卸地连接一所述第二试样连接部的底面，所述第二试样连接部设置于所述通槽内，且所述平台的顶面和所述连接件的顶面在同一水平平面内。

6.根据权利要求5所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，每一所述第二滑块和对应所述滑动限位槽内之间连接有一拉杆式位移传感器；且所述拉杆式位移传感器沿对应所述第二滑块的所述拉伸方向设置。

7.根据权利要求6所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，所述上模座形成一观察洞口，所述观察洞口的位置与所述预设中心位置对应。

8.根据权利要求7所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，所述导向杆组件包括两导柱和复数个限位柱，所述导柱包括一套管和一导向柱，所述上模座的两侧沿竖直方向分别形成一导向孔，所述套管固定于所述上模座的导向孔中，所述导向孔的孔径与所述套管的外径配合；所述导向柱固定于所述下模座的顶面并与所述套管的位置对应，所述套管可沿所述导向柱轴向往复运动地套设于所述导向柱外；每一所述限位柱包括一上限位柱和一下限位柱，所述上限位柱固定于所述上模座的底面，所述下限位柱固定于所述下模座的顶面并与所述上限位柱的位置一一对应。

9.根据权利要求8所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，两所述导柱分别设置于所述上模座两端的异侧偏心位置。

10.根据权利要求9所述的十字形试样双向拉伸测试装置，其特征在于，还包括一垫板，所述垫板固定于所述下模座上，所述滑动限位槽通过所述垫板固定于所述下模座上；每一所述滑动限位槽包括固定于所述垫板的两导向块和两限位块，所述导向块相互平行并沿所述拉伸方向布设，所述限位块垂直于两所述导向块并固定于两所述导向块的两端；所述滑动限位槽内沿所述拉伸方向固定有一对复位弹簧。