CN111024497B - 侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置及方法，包括与目标物接触以使得所述目标物变形的超声振子、用以固定所述超声振子的固定机构、及与所述固定机构对接且用以驱动所述固定机构及超声振子移动的调节机构，所述调节机构包括轴向调节组件及与所述轴向调节组件连接的高度调节组件；其中，所述轴向调节组件在外力的作用下与所述固定机构对接以使得所述固定机构轴向移动进而驱动所述超声振子轴向移动。通过设置有轴向调节组件及高度调节组件，能够调节超声振子与目标物之间的位置关系，快捷方便，使得超声场施加更为准确，提高其工作效率。

Description

侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置及方法，属于金属板材力学性能测试领域。

背景技术

通常将振动频率超过人类听觉极限20kHz的振动称为超声振动。超声振动作为一种声场，具有一定的物理能量，当作用到物体时，会产生一些明显的物理效应。比如，超声场作用到金属上时，金属的流动应力立即会降低，并且超声场能量密度越高，降低的越明显；当超声场作用时间比较短时，停止超声场作用，流动应力会立即回复到没有超声场时的状态；然而，超声场作用时间较长时，根据材料状态不同如加工硬化态或充分退火软态，当超声场停止作用时，流动应力不再回复到无超声场时的状态，而是减小或增加，即会产生残余软化或残余硬化现象，称之为“Blaha效应”。同时，振动方向如纵向或横向振动也会对金属材料力学性能产生显著影响。由此可见，超声场作用下金属材料塑性变形行为非常复杂，迫切需要对其作用规律进行深入研究。然而，现有实验方法主要采用振动与变形方向一致的拉伸或镦粗变形来研究超声场的作用规律，与大多数超声场助板材成形工艺中的状态并不一致，比如超声场助胀形、拉深、冲裁等，振动与变形方向是垂直的。因而，现有振动与变形方向一致的测试结果不能很好的指导方向不一致的情况。

另外，对于厚度较小的金属板材，采用拉伸变形的夹持端振动方式时，由于夹头与板材试样横截面积差别较大，超声场能量传递损失较大。同时，测试过程中，超声场在金属薄板内传播会发生改变，不再是单纯的纵向一个方向振动，而会产生其他方向的杂乱振动，并且杂乱程度随着板厚、拉伸试样长度和宽度等的改变而改变，从而影响测试结果准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置及方法，其超声场施加更加准确且效率更高。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，包括与目标物接触以使得所述目标物变形的超声振子、用以固定所述超声振子的固定机构、及与所述固定机构对接且用以驱动所述固定机构及超声振子移动的调节机构，所述调节机构包括轴向调节组件及与所述轴向调节组件连接的高度调节组件；其中，所述轴向调节组件在外力的作用下与所述固定机构对接以使得所述固定机构轴向移动进而驱动所述超声振子轴向移动。

进一步地，所述轴向调节组件包括与所述固定机构连接的调节板及在外力作用下可相对于所述调节板旋转以与所述固定机构对接的调节螺母。

进一步地，所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括与所述调节板连接且用以导向所述固定机构及超声振子轴向移动方向的导向柱。

进一步地，所述固定机构包括与所述超声振子连接的第一固定板、及通过连接柱与所述第一固定板连接的第二固定板，所述第一固定板及第二固定板可沿所述导向柱轴向移动。

进一步地，所述超声振子贯穿设置在所述第一固定板上，且所述超声振子的一端突伸出所述第一固定板以与所述目标物接触。

进一步地，所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括用以检测所述超声振子与所述目标物接触时的接触力的力传感器，所述力传感器的一端固定设置在所述固定机构上，所述力传感器的另一端与所述轴向调节组件对接。

进一步地，所述高度调节组件包括支撑柱、与所述轴向调节组件连接且可相较于所述支撑柱上下移动的第三固定板、及用以将所述第三固定板与所述支撑柱固定的紧固件。

进一步地，所述支撑柱上设置有齿条。

本发明还提供了一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形方法，采用如上所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，所述方法包括如下步骤：

将目标物固定在夹具上，并预设力值；

于所述目标物的高度方向上，调节所述高度调节组件以使得超声振子位于所述目标物的高度范围内；

调节轴向调节组件以使得固定机构轴向移动进而带动所述超声振子朝向所述目标物移动，直至所述超声振子的端面与所述目标物接触；

当所述超声振子与所述目标物之间的力值与所述预设力值相等，停止调节所述轴向调节组件。

进一步地，所述装置还包括力传感器，所述力传感器的一端与所述固定机构固定连接，所述力传感器的另一端与所述轴向调节组件对接，所述方法还包括：

调节所述轴向调节组件以使得所述轴向调节组件与所述力传感器对接，进而推动所述力传感器、固定机构及超声振子移动，直至所述超声振子的端面与所述目标物接触；

当所述超声振子的端面与所述目标物接触时，所述力传感器检测所述超声振子所受到的反作用力，所述反作用力的大小即为所述超声振子与所述目标物之间的力值。

本发明的有益效果在于：通过设置有轴向调节组件及高度调节组件，能够调节超声振子与目标物之间的位置关系，快捷方便，使得超声场施加更为准确，提高其工作效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1，本发明的一较佳实施例中的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，包括与目标物6接触以使得所述目标物6变形的超声振子1、用以固定所述超声振子1的固定机构2、及与所述固定机构2对接且用以驱动所述固定机构2及超声振子1移动的调节机构3，所述调节机构3包括轴向调节组件31及与所述轴向调节组件31连接的高度调节组件32，所述轴向调节组件31在外力的作用下与所述固定机构2对接以使得所述固定机构2及超声振子1轴向移动，所述高度调节组件32用以使得所述轴向调节组件31、固定机构2及超声振子1上下移动以调节高度。在本实施例中，轴向移动即横向移动，外力可以是用户施加的作用力亦或是机器施加的作用力。为了保证作用力的精准，该外力为机器施加的作用力，即轴向调节组件31与外部驱动装置连接。诚然，在其他实施例中，该外力也可以为其他，根据实际情况而定。

所述目标物6为金属薄板，其固定在拉伸试验机的夹具上。其中，拉伸试验机为高精度试验机，可进行力、位移的精确测量。

具体的，所述轴向调节组件31包括与所述固定机构2连接的调节板311及在外力作用下可相对于所述调节板311旋转以与所述固定机构2对接的调节螺母312，旋转所述调节螺母312以使得其可相对于所述调节板311移动并与固定机构2对接。所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括用以检测所述超声振子1与所述目标物6接触时的接触力的力传感器4，所述力传感器4的一端通过螺丝固定设置在所述固定机构2上，所述力传感器4的另一端与所述轴向调节组件31对接，即所述力传感器4的另一端与所述调节螺母312对接。在本实施例中，所述力传感器4为“己”字型，更方便固定及对接。诚然，在其他实施例中，所述力传感器4也可为其他形状，在此不做具体限定，根据实际情况而定。

所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括与所述调节板311连接且用以导向所述固定机构2及超声振子1轴向移动方向的导向柱5，所述导向柱5沿所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置的轴向布置。所述固定机构2包括与所述超声振子1连接的第一固定板21、及通过连接柱23与所述第一固定板21连接的第二固定板22，所述第一固定板21及第二固定板22可沿所述导向柱5轴向移动。所述超声振子1贯穿设置在所述第一固定板21上且通过螺丝固定在所述第一固定板21上，所述超声振子1的一端突伸出所述第一固定板21以与所述目标物6接触。

所述高度调节组件32包括支撑柱321、与所述轴向调节组件31连接且可相较于所述支撑柱321上下移动的第三固定板322、及用以将所述第三固定板322与所述支撑柱321固定的紧固件323，具体的，第三固定板322与调节板311连接。当第三紧固件323移动至目标位置时，调节所述紧固件323以使得第三固定板322固定在所述支撑柱321上。所述紧固件323为螺丝等常规结构，在此不做赘述。所述支撑柱321上设置有齿条324，用以增大所述支撑柱321及第三固定板322之间的摩擦力，防止脱离。支撑柱321用以支撑，根据实际应用场景将所述支撑柱321固定，从而以将侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置固定。

本发明还提供了一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形方法，所述方法包括如下步骤：

将目标物6固定在夹具上，并预设力值；

于所述目标物6的高度方向上，调节所述高度调节组件32以使得超声振子1位于所述目标物6的高度范围内；

调节轴向调节组件31以使得固定机构2轴向移动进而带动所述超声振子1朝向所述目标物6移动，直至所述超声振子1的端面与所述目标物6接触；

当所述超声振子1与所述目标物6之间的力值与所述预设力值相等，停止调节所述轴向调节组件31。

所述装置还包括力传感器4，所述力传感器4的一端与所述固定机构2固定连接，所述力传感器4的另一端与所述轴向调节组件31对接，所述方法还包括：

调节所述轴向调节组件31以使得所述轴向调节组件31与所述力传感器4对接，进而推动所述力传感器4、固定机构2及超声振子1移动，直至所述超声振子1的端面与所述目标物6接触；

当所述超声振子1的端面与所述目标物6接触时，所述力传感器4检测所述超声振子1所受到的反作用力，所述反作用力的大小即为所述超声振子1与所述目标物6之间的力值。

本发明的实施过程为：将金属薄板6夹持固定在拉伸试验机的夹具上，并通过拉伸试验机给金属薄板6提供拉伸张力。将侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置放置于拉伸试验机的侧面，使得超声振子1在金属薄板6高度方向的范围内。通过紧固件323、第三固定板322和支撑柱321的配合，调整超声振子1的高度，使超声振子1端面在金属薄板6的中间位置。然后，旋转调节螺母312，进而驱动固定机构2移动以驱动超声振子1移动。当超声振子1的端面与金属薄板6表面接触时，力传感器4会检测到反作用力，当该反作用力达到设定力值时，停止旋转调节螺母312。在本实施例中，设定力值的范围为1-10N。诚然，在其他实施例中，预设力值的范围也可为其他，根据实际情况而定，在此不做具体限定。

其中，超声振子1工作频率20-40kHz，轴向振幅1-10μm，轴向振幅可以通过超声振子1驱动电源的工作电流调整进行无级调整。当超声振子1位置调整到设定位置后，开启拉伸试验机进行金属薄板6的拉伸变形实验，并同时进行力、位移的实时测量。超声振子1工作开始时刻可根据测试需要进行设定启动时刻，其可以与拉伸变形一起启动工作，也可以在拉伸变形中间的任一时刻启动，而且超声振子1的作用时间、振幅等可以根据需要随时调整。待金属薄板6被拉伸断裂后，拉伸变形结束，将超声振子1位置调整到原始位置。将金属薄板6从拉伸试验机的夹具上取下，用于拉伸断口形貌、试样微观组织分析等。通过拉伸试验机记录的力、位移数据，进行数据处理，获得应力-应该关系曲线、屈服应力、抗拉应力以及硬化指数等多个力学性能参数。

综上所述：通过设置有轴向调节组件31及高度调节组件32，能够调节超声振子1与目标物6之间的位置关系，快捷方便，使得超声场施加更为准确，提高其工作效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，包括与目标物接触以使得所述目标物变形的超声振子、用以固定所述超声振子的固定机构、及与所述固定机构对接且用以驱动所述固定机构及超声振子移动的调节机构，所述调节机构包括轴向调节组件及与所述轴向调节组件连接的高度调节组件；其中，所述轴向调节组件在外力的作用下与所述固定机构对接以使得所述固定机构轴向移动进而驱动所述超声振子轴向移动；

所述高度调节组件包括支撑柱、与所述轴向调节组件连接且可相较于所述支撑柱上下移动的第三固定板、及用以将所述第三固定板与所述支撑柱固定的紧固件；所述支撑柱上设置有齿条；

其中，所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置的拉伸变形方法包括如下步骤：

将目标物固定在夹具上，并预设力值；

于所述目标物的高度方向上，调节所述高度调节组件以使得超声振子位于所述目标物的高度范围内；

调节轴向调节组件以使得固定机构轴向移动进而带动所述超声振子朝向所述目标物移动，直至所述超声振子的端面与所述目标物接触；

当所述超声振子与所述目标物之间的力值与所述预设力值相等，停止调节所述轴向调节组件。

2.如权利要求1所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述轴向调节组件包括与所述固定机构连接的调节板及在外力作用下可相对于所述调节板旋转以与所述固定机构对接的调节螺母。

3.如权利要求2所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括与所述调节板连接且用以导向所述固定机构及超声振子轴向移动方向的导向柱。

4.如权利要求3所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述固定机构包括与所述超声振子连接的第一固定板、及通过连接柱与所述第一固定板连接的第二固定板，所述第一固定板及第二固定板可沿所述导向柱轴向移动。

5.如权利要求4所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述超声振子贯穿设置在所述第一固定板上，且所述超声振子的一端突伸出所述第一固定板以与所述目标物接触。

6.如权利要求1所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置还包括用以检测所述超声振子与所述目标物接触时的接触力的力传感器，所述力传感器的一端固定设置在所述固定机构上，所述力传感器的另一端与所述轴向调节组件对接。

7.如权利要求6所述的侧向超声场助金属薄板拉伸变形装置，其特征在于，所述方法还包括：

调节所述轴向调节组件以使得所述轴向调节组件与所述力传感器对接，进而推动所述力传感器、固定机构及超声振子移动，直至所述超声振子的端面与所述目标物接触；

当所述超声振子的端面与所述目标物接触时，所述力传感器检测所述超声振子所受到的反作用力，所述反作用力的大小即为所述超声振子与所述目标物之间的力值。

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