CN111855391B - 一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具及其设计和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具及其设计和使用方法，卡具包括楔形卡块和柱形卡环，所述楔形卡块成组使用，共需2组分别夹持试样的两端；每组至少由2个楔形卡块组成1个台体，台体的侧面与面积较大的底面呈θ角，台体的上下底面中心开有一通孔，并提供了θ角的设计方法；所述柱形卡环呈柱状，内部有一腔体，且腔体为一台体，该台体的锥度与一组楔形卡块组成的台体锥度相同。本发明设计的卡具结构简单，装拆方便，且在高温拉伸试样的两端免去加工螺纹条件下，实现很大的加载力而不会失效，满足高温拉伸试验需求。

Description

一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具及其设计和使用方法
技术领域
本发明涉及一种高温拉伸卡具及其设计方法，特别涉及一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具及其设计和使用方法。
背景技术
物理模拟技术通常指利用小试样，借助于物理模拟装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程。其中受力，包括对小试样进行拉伸或压缩过程，采用热力模拟试验机完成。通常采用Gleeble热力模拟试验机进行高温拉伸时所用试样两端需要带有螺纹，以与锁紧螺母配合，并将其安装于锲形铜卡具上，对试样进行拉伸。然而，拉伸试样时，加载力逐渐增大，最终使螺母与试样连接紧密，不易取下。另外，试样在加工时两端螺纹的加工也费时、费力。
目前，用于高温拉伸试验的试样，除两端带有螺纹的试样，还有两端带有端头的试样，若采用此结构试样，需对试样两端的端头进行形状设计，以实现较大的加载能力，同时，加工此类试样的端头要求面积较大，导致需要坯料的量会成倍增加，且这也增加了试样的加工难度。
申请号为CN201510605178.3的专利公开了一种拉伸试验机用高温压缩拉伸一体化卡具，包括上下方向嵌套设置的上框架和下框架，其结构较复杂，而且没有考虑到卡具除了承受载荷外，还要具有良好的导电性能，不适用于Gleeble热力模拟试验机。若即能实现Gleeble热力模拟试验机用的拉伸样品没有螺纹连接，又能实现在该试验机上进行高温拉伸试验时对试样施加大载荷，需要重新设计出适合于Gleeble热力模拟试验机的高温拉伸实验用卡具装置，以达到足够的试样夹持力的条件下，简化试样结构尺寸。
发明内容
本发明目的在于提供一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具及其设计和使用方法，通过该方法设计的卡具不需在试样两端加工螺纹，就能够对试样施加大的加载力，在加载的过程中卡具组件与试样不会发生相对滑动而失效，满足高温拉伸试验需求。
为达到上述发明目的，通过如下技术方案实现：
一种热力模拟试验机用圆柱形试样高温拉伸卡具，包括楔形卡块和柱形卡环，所述楔形卡块成组使用，共需2组分别夹持试样的两端；每组至少由2个楔形卡块组成1个台体，台体侧面光滑并与面积较大的底面成θ角，台体的上下底面中心开有一通孔，通孔横截面的边缘处分布有与楔形卡块数量相对应的圆弧，且圆弧所在圆的直径与高温拉伸试样夹持部的直径相等；所述柱形卡环的内部空间为台体形，该台体空间内壁光滑且内壁锥度与一组楔形卡块组成的台体锥度相同，当所述一组楔形卡块夹持住圆柱形试样时，刚好能套入柱形卡环的台体形空间内，且一组楔形卡块可以在所述柱形卡环内自由滑动。
进一步的，每组楔形卡块的端部设有顶盘和顶柱，所述顶盘一端与楔形卡块接触，另一端与顶柱螺纹连接，旋动顶柱使其与试验机U型槽接触。
进一步的，所述台体为圆台体。
进一步的，所述柱形卡环的高度比与其相配合的一组楔形卡块组成的台体高度高。
一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具的设计方法，所述台体的侧面与面积较大的底面成θ角的确定方法如下：
当θ角为90度时，此时一组楔形卡块组成柱体，卡具不能对试样进行加载而失效，随着θ角由90度逐渐减小，柱形卡环的受力面积增大，但使楔形卡块对试样的正压力逐渐减小，若θ角太大柱形卡环的受力面积会很小，加载力太大可能导致失效，因此，需要确定出最佳的θ角，需要对柱形卡环、楔形卡块和试样之间的相互作用力进行分析。设所需的最大加载力为F，为试样所受的最大力，楔形卡块重力为mg，试样与楔形卡块之间的摩擦系数为μ1，两者之间的弹力、静摩擦力、滑动摩擦力分别为N1，f，f1，柱形卡环与楔形卡块之间的摩擦系数为μ2，两者之间的弹力和滑动摩擦力分别为N2，f2，若试样与楔形卡块，柱形卡环与楔形卡块之间发生相对滑动，则：
f1＝μ1N1 (1)
f2＝μ2N2 (2)
若有f1＞F＝f则，说明卡具装置能够提供足够的摩擦力，使试样能够达到最大的加载力。
对楔形卡块进行受力分析，受力示意图如图5所示，得：
f2sinθ+N2cosθ＝F (3)
N2sinθ-f2cosθ+mg＝N1 (4)
为了实现楔形卡块夹持住，则试样与楔形卡块之间必为静摩擦力f，即：
f＜f1＝μ1N1 (5)
当F远远大于mg时，mg可以忽略不计，由公式(3)、(4)和(5)联立得：
由公式(6)可知，只要θ角大于就可满足试样拉伸试验过程中夹持可靠。
进一步的，所述柱形卡环高度的确定方法如下：
设柱形卡环内腔的台体高为h，上下底面的直径分别为r，R，则有：
h＝(R-r)tanθ (7)。
一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具的使用方法，通过两U型槽U口处的每对支持块分别夹持高温拉伸试样的两端，柱形卡环紧靠支持块，且试样的两端露出长度大于等于柱形卡环的高度，并分别由置于柱形卡环内部空间的两组楔形卡块夹持。
进一步的，U型槽的剩余空间内置入顶盘和顶柱，旋动顶柱使其与U型槽接触，并使顶盘顶紧楔形卡块。
本发明的有益效果是：该热力模拟试验机用高温拉伸卡具及设计和使用方法，通过该方法设计的卡具结构简单，装拆方便，且在高温拉伸试样的两端免去加工螺纹条件下，实现很大的加载力而不会失效，从而简化试样加工工序，降低试样加工成本。
附图说明
图1单个高温拉伸卡具夹持试样总体结构图；
图2楔形卡块的主视图；
图3楔形卡块的左视图；
图4柱形卡环的剖面图；
图5楔形卡块的受力示意图。
图中：1柱形卡环；2楔形卡块；3顶盘；4顶柱；5试样；6支持块；7U型槽。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明热力模拟试验机用高温拉伸卡具及设计和使用方法做详细说明。本发明的保护范围不限于以下实施方式，列举这些方式仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
1.一种高温拉伸实验用卡具装置结构
该高温拉伸试验用卡具主要由柱形卡环1，楔形卡块2、顶盘3和顶柱4四部分组成。
楔形卡块2成组使用，每一对为一组，该高温拉伸试验用卡具的楔形卡块2共需两组分别夹持试样5的两端。
所述一组楔形卡块2组成一台体，台体的截面为圆形，上、下底面直径分别为，20mm、40mm，在台体的上下底面中心的通孔直径为10mm，与之垂直方向上的两点距离为9mm，台体高度比柱形卡环高度小d＝1mm；
所述柱形卡环1为外径48mm的圆柱，其内部腔体为上底面直径为20mm，下底面直径为40mm，柱形卡环高亦由下一步设计；
用于拉伸的试样为直径为10mm，高为120mm的圆柱；
顶盘为直径为19mm，高为30mm的柱体，中心处有直径为10mm、深20mm的螺孔，顶柱为直径为11mm，高为30mm的柱体，一端带有螺纹长度为20mm，顶盘一端与楔形卡块紧密接触，另一端与顶柱通过螺纹连接，旋动顶柱使其与试验机工作端紧密接触。
2.台体的侧面与下底面呈θ角的确定
一组楔形卡块2组成的台体的侧面光滑，两楔形卡块2的接触面粗糙，且其间摩擦系数为μ1＝0.5，其侧面与柱形卡环腔体表面间的摩擦系数为μ2＝0.1
对楔形卡块进行的受力分析确定柱形卡环内部台体的侧面与底面θ角。将μ1＝0.5，μ2＝0.1代入公式(6)得
tanθ＞2.625 (8)
即
θ＞arctan2.625 (9)
则确定θ角应大于69.15度，为了保证柱形卡环与楔形卡块具有很强的接触强度，确定θ角为70度。
3.柱形卡环高度的确定
根据公式(7)以及柱形卡环内腔台体的尺寸和确定的θ角，可以确定柱形卡环高度为15mm，因此，楔形卡块高度为14mm。
4.一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具的使用方法
通过两U型槽7U口处的每对支持块6分别夹持高温拉伸试样的两端，柱形卡环1紧靠支持块6，且试样5的两端露出长度5等于柱形卡环1的高度，并分别由置于柱形卡环1内部空间的两组楔形卡块2夹持。U型槽的剩余空间内置入顶盘3和顶柱4，旋动顶柱4使其与U型槽7接触，并使顶盘3顶紧楔形卡块2。启动试验机使其工作部分U型槽7移动，同时调整支持块6和楔形卡块2，直至两者与试样5不会发生相对滑动，最后加载，使试样5承受2000牛顿的力。该装置可以对试样施加2吨以上的拉伸载荷而不发生滑动。

Claims (8)

1.一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具，其特征在于，包括楔形卡块和柱形卡环，所述楔形卡块成组使用，共需2组分别夹持试样的两端；每组至少由2个楔形卡块组成1个台体，台体侧面光滑并与面积较大的底面成θ角，台体的上下底面中心开有一通孔，通孔横截面的边缘处分布有与楔形卡块数量相对应的圆弧，且圆弧所在圆的直径与高温拉伸试样夹持部的直径相等；所述柱形卡环的内部空间为台体形，该台体空间内壁光滑且内壁锥度与一组楔形卡块组成的台体锥度相同，当所述一组楔形卡块夹持住圆柱形试样时，刚好能套入柱形卡环的台体形空间内，所述θ角大于其中：μ1为试样与楔形卡块之间的摩擦系数，μ2为柱形卡环与楔形卡块之间的摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具，其特征在于，每组楔形卡块的端部设有顶盘和顶柱，所述顶盘一端与楔形卡块接触，另一端与顶柱螺纹连接，旋动顶柱使其与试验机U型槽接触。
3.根据权利要求1所述的一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具，其特征在于，所述台体为圆台体。
4.根据权利要求1所述的一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具，其特征在于，所述柱形卡环的高度比与其相配合的一组楔形卡块组成的台体高度高。
5.一种权利要求1～4任一项所述的一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具的设计方法，其特征在于，所述台体侧面与面积较大的底面成θ角的确定方法如下：
设试样所受的最大加载力为F，楔形卡块重力为mg，试样与楔形卡块之间的摩擦系数为μ1，两者之间的弹力、静摩擦力、滑动摩擦力分别为N1，f，f1，柱形卡环与楔形卡块之间的摩擦系数为μ2，两者之间的弹力和滑动摩擦力分别为N2，f2，若试样与楔形卡块，柱形卡环与楔形卡块之间发生相对滑动，则：
f1＝μ1N1(1)
f2＝μ2N2(2)
若有f1＞F＝f则，说明卡具能够提供足够的摩擦力，使试样能够达到最大的加载力；
对楔形卡块进行受力分析，得：
f2 sinθ+N2 cosθ＝F(3)
N2 sinθ-f2cosθ+mg＝N1(4)
为了保证加载可靠，则试样与楔形卡块之间必为静摩擦力f，即：
f＜f1＝μ1N1(5)
当F远远大于mg时，mg可以忽略不计，由公式(3)、(4)和(5)联立得：
由公式(6)可知，只要θ角大于就可满足试样拉伸试验过程中夹持可靠。
6.根据权利要求5所述的一种热力模拟试验机用高温拉伸卡具设计方法，其特征在于，所述柱形卡环高度的确定方法如下：
设柱形卡环内腔的台体高为h，上下底面的直径分别为r，R，则有：
h＝(R-r)tanθ(7)。
7.一种权利要求1～4任一项所述的热力模拟试验机用高温拉伸卡具的使用方法，其特征在于，通过两U型槽U口处的每对支持块分别夹持高温拉伸试样的两端，柱形卡环紧靠支持块，且试样的两端露出长度大于等于柱形卡环的高度，并分别由置于柱形卡环内部空间的两组楔形卡块夹持。
8.根据权利要求7所述的热力模拟试验机用高温拉伸卡具的使用方法，其特征在于，U型槽的剩余空间内置入顶盘和顶柱，旋动顶柱使其与U型槽接触，并使顶盘顶紧楔形卡块。
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