CN109708952A - 一种高速冲击成型极限测试设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速冲击成型极限测试设备及方法，它解决了现有技术中高速冲击下材料的极限成形性能不易测试的问题，具有能够检测金属的成形能力，通过控制气缸内冲击气体的压力可获得金属在破裂时的成形极限的效果；其技术方案为：包括气缸和固定座，所述气缸内部设有活塞，活塞端部可拆卸连接有冲头；所述固定座内部安装有用于固定试件的压紧套和凹模；在高压气体的推动作用下，活塞带动冲头运动使冲头穿过压紧套冲击试件。

Description

一种高速冲击成型极限测试设备及方法

技术领域

本发明涉及高速冲击成型领域，尤其涉及一种高速冲击成型极限测试设备及方法。

背景技术

高速冲击成型作为高速成型的一个典型应用，是一种在极短时间内(微秒级)释放高能量而使金属变形的成形方法。多种材料证明高速冲击成型能够有效地提高材料的成型能力，减小回弹。

但是，高速成型中几十每秒甚至几百每秒的高应变率拉伸或成型极限实验不容易进行，目前的试验设备没有制定相应标准。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高速冲击成型极限测试设备及方法，其具有能够检测金属的成形能力，通过控制气缸内冲击气体的压力可获得金属在破裂时的成形极限的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种高速冲击成型极限测试设备，包括气缸和固定座，所述气缸内部设有活塞，活塞端部可拆卸连接有冲头；

所述固定座内部安装有用于固定试件的压紧套和凹模；在高压气体的推动作用下，活塞带动冲头运动使冲头穿过压紧套冲击试件。

进一步的，所述气缸包括壳体、设于壳体内部的活塞、设于壳体两端的端盖I、端盖II。

进一步的，所述壳体内部靠近端盖II一侧固定有缓冲片。

进一步的，所述壳体侧面设置排气孔。

进一步的，所述端盖II设有用于冲头穿过的中心孔。

进一步的，所述中心孔内安装轴承以支撑冲头。

进一步的，所述气缸与固定座之间通过多个沿周向均匀分布的导向柱相连。

进一步的，所述固定座内部开设有用于安装压紧套和凹模的圆台孔，

所述压紧套一侧具有凸缘，凹模对应于压紧套一侧设有与所述凸缘相适配的凹槽。

进一步的，所述压紧套和凹模通过多个螺栓连接，且螺栓位于压紧套内部的部分套设有弹簧。

进一步的，所述气缸通过气管连接高压气罐，所述气管带有用于调节气源压力的阀门。

一种高速冲击成型极限测试方法，采用上述的测试设备，包括以下步骤：

(1)在冲头和试件表面涂抹润滑脂，并在试件表面制作坐标网；

(2)将试件放置于凹模的凹槽内，通过拧紧螺栓将压紧套与凹模夹紧；

(3)打开阀门，高压气体进入气缸推动活塞运动，冲头加速并冲击试件形成鼓包，直至鼓包顶部出现裂纹；

(4)冲头尾部连接活塞碰撞缓冲片，冲头运动终止，通过排气孔排气，关闭阀门。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的压紧套和凹模与固定座采用可拆卸连接，方便调整冲头尺寸与被测试件大小，提高设备的通用性；压紧套的凸缘和凹模的凹槽设计，方便固定试件；

(2)本发明的气体进入气缸中推动活塞和冲头运动，使冲头冲出后穿过压紧套冲击金属试件，通过控制气源的压力可调整冲头的冲击速度，以达到冲头冲破金属试件的目的；

(3)本发明通过检测试件破裂口附近的材料变形情况，可绘制金属成形极限图。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1的局部放大图；

图3为本发明的端盖II主视图；

图4为本发明的端盖II纵向剖视图；

图5为本发明的固定座主视图；

图6为本发明的固定座俯视图；

图7为本发明的固定座纵向剖视图；

图8为本发明的凹模结构示意图；

图9为本发明的压紧套结构示意图；

图10为本发明的冲头结构示意图；

图11为本发明的气体冲击原理图；

图12为试件结构示意图；

其中，1、端盖I，2、气缸，3、活塞，4、缓冲片，5、冲头、6、端盖II，7、导向柱，8、固定座，9、压紧套，10、凹模，11、工作台，12、阀门，13、排气孔，14、高压气罐，15、轴承，16、试件，17、弹簧，18、圆台孔，19、凹槽，20、凸缘。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在高速冲击下材料的极限成形性能不易测试的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种高速冲击成型极限测试设备及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图11所示，提供了一种高速冲击成型极限测试设备，试验时固定于工作台11表面，其包括气缸2、导向柱7和固定座8，气缸2与固定座8之间通过若干导向柱7相连。

所述气缸包括壳体、冲头5、活塞3、端盖I1和端盖II6，壳体内部中空，其一端安装端盖I1，另一端安装端盖II6，活塞3设于壳体内部。

在一些实施方式中，壳体的横截面呈圆环状。

端盖I1与气管的一端连通，气管的另一端连接提供高压气体的高压气罐14或其他供气设备，气体进入气缸2中推动活塞3和冲头5运动，使冲头5冲出后穿过压紧套9冲击试件16。

气管上设置阀门12，通过调节阀门12控制气源的压力以调整冲头5的冲击速度，从而达到冲头5冲破试件16的目的。

其中，试件16为金属试件，试件16的厚度为原材料厚度，其形状为圆形或者长圆形，试件16可减小宽度，如图12所示。

活塞3的纵向截面呈T字型，包括推动部和连接部，其中，推动部与壳体内壁接触，连接部的直径远小于推动部直径。

活塞3的末端(连接部一端)与冲头5可拆卸连接。

在一些实施方式中，活塞3末端开设有用于冲头5插入的孔，冲头5的尾部插入所述孔中，并在活塞3的侧面通过螺钉将其与冲头5固定连接。

如图3-图4所示，端盖II6的中心位置开设中心孔，中心孔的周向均匀布置多个用于固定导向柱的圆孔。

在一些实施方式中，端盖II6设置有三个圆孔。

端盖II6内侧固定缓冲片4，通过缓冲片4减缓活塞3的冲击力。

缓冲片4中心具有用于活塞3连接部穿过的孔，此孔与所述连接部间隙配合。

活塞3连接部与端盖II6的中心孔之间通过轴承15相连，通过轴承15支撑冲头5。

所述壳体侧面设置排气孔13，用于试验结束后将气体排出气缸2。

压紧套9和凹模10与固定座8采用可拆卸连接，方便调整冲头5尺寸与被测试件16的大小，提高设备的通用性。

如图5-图7所示，所述固定座8中心开设有用于安装压紧套9和凹模10的圆台孔18，圆台孔18周向均匀设有多个通孔。

在一些实施方式中，圆台孔18周向均匀设有三个通孔。

导向柱7的一端插入端盖II6的圆孔中，另一端插入固定座8的通孔中，通过导向柱7保证冲头5和凹模10之间的同轴度。

导向柱7用于定位，其与端盖II6、固定座8采用活动连接。

固定座8的圆台孔18中设有压紧套9和凹模10，如图9所示，压紧套9的横截面呈圆形，其一端具有凸缘20，且凸缘20直径小于压紧套9主体直径。

压紧套9中心设有用于冲头5穿过的孔，该孔周向均匀设有多个沉孔。

凹模10呈圆台型，其与压紧套9的连接端直径大于另一端，且靠近压紧套9一端开设凹槽19。

所述凹槽19的形状与凸缘20相适配，方便固定试件16。

试验时，试件16设置于凸缘20与凹槽19之间。

压紧套9的沉孔中有螺栓穿过，以实现与凹模10的连接；

位于沉孔中的螺栓段周向设置弹簧17，弹簧17起到调节压边力的作用；当对压边力有要求时，可调节弹簧17的压缩量。

本申请的另一种实施方式中，提供了一种高速冲击成型极限测试方法，采用上述实施方式中的测试设备，包括以下步骤：

步骤(1)试验前，在冲头5和试件16表面涂抹润滑脂，并在试件16表面做出直径为微米级的小圆圈以形成坐标网；

步骤(2)将试件16放置于凹模10的凹槽19内，通过拧紧螺栓将压紧套9与凹模10夹紧；

步骤(3)试验时，打开阀门12，高压气体进入气缸2推动活塞3运动，冲头5加速并冲击试件16形成鼓包，直至鼓包顶部出现裂纹；

步骤(4)冲头5尾部连接活塞3碰撞缓冲片4，冲头5运动终止，通过排气孔13排气；当活塞3碰到缓冲片4后关闭阀门12。

为了保证裂纹的有效性，需要通过实验多次调整气缸2与固定座8之间的距离。

本申请可测试试件16在高速冲击下的成形能力，冲击试验后，测出试件16刚好破裂时的冲头5压入深度，此深度值用来表征材料的延伸能力。

在裂纹附近完整网格上测量小圆圈变成椭圆的尺寸，计算椭圆长短轴应变，得到应变临界点。

通过改变板料形状及润滑方式来改变应力值的比例，测得不同的应变状态，以椭圆长轴和短轴应变为坐标，可绘成形极限图。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，包括气缸和固定座，所述气缸内部设有活塞，活塞端部可拆卸连接有冲头；

所述固定座内部安装有用于固定试件的压紧套和凹模；在高压气体的推动作用下，活塞带动冲头运动使冲头穿过压紧套冲击试件。

2.根据权利要求1所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述气缸包括壳体、设于壳体内部的活塞、设于壳体两端的端盖I、端盖II。

3.根据权利要求2所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述壳体内部靠近端盖II一侧固定有缓冲片。

4.根据权利要求2所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述壳体侧面设置排气孔。

5.根据权利要求2所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述端盖II设有用于冲头穿过的中心孔。

6.根据权利要求1所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述气缸与固定座之间通过多个沿周向均匀分布的导向柱相连。

7.根据权利要求1所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述固定座内部开设有用于安装压紧套和凹模的圆台孔，

所述压紧套一侧具有凸缘，凹模对应于压紧套一侧设有与所述凸缘相适配的凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述压紧套和凹模通过多个螺栓连接，且螺栓位于压紧套内部的部分套设有弹簧。

9.根据权利要求1所述的一种高速冲击成型极限测试设备，其特征在于，所述气缸通过气管连接高压气罐，所述气管带有用于调节气源压力的阀门。

10.一种高速冲击成型极限测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的测试设备，包括以下步骤：

(1)在冲头和试件表面涂抹润滑脂，并在试件表面制作坐标网；

(2)将试件放置于凹模的凹槽内，通过拧紧螺栓将压紧套与凹模夹紧；

(3)打开阀门，高压气体进入气缸推动活塞运动，冲头加速并冲击试件形成鼓包，直至鼓包顶部出现裂纹；

(4)关闭阀门，冲头尾部连接活塞碰撞缓冲片，冲头运动终止，通过排气孔排气，关闭阀门。