CN111855435B - 一种铝合金片测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种铝合金片测试系统,包括加热模组、降温模组和拉伸装置;其中,拉伸装置中的夹持部件夹持待测试的铝合金片,先移动到加热模组后对铝合金片进行加热,再移动到降温模组后对铝合金片降温,由拉伸装置对铝合金片进行拉伸加载。本发明的主要有益效果是本发明结构简单紧凑,在普通拉伸实验机上集成了温度控制模块,实现了复杂工艺路径下的铝合金高温变形行为测试,试样装夹方便,测试温度数据、应变数据可靠,提高了测试效率。本发明利用接触加热的方式提高了试样标距段内的温度均匀性,并提高了试样加热效率,实现了铝合金热冲压条件下温度、应变率相关的变形和断裂行为测试的目的。
Description
技术领域:
本发明涉及一种试验机与精密仪器技术领域,具体地涉及一种铝合金接触加热固溶-淬火-拉伸变形行为测试夹具。
背景技术:
目前,高强铝合金在航空航天和汽车轻量化中应用越来越广泛,但是铝合金在室温条件下塑性较差,冲压零件后续热处理工艺效率低,传统方法无法满足工艺要求,所以有学者提出铝合金热冲压、铝合金高效热成形等工艺技术:利用高温提升材料塑性,利用冷模淬火提升材料过饱和度,可同时实现零件形状和性能控制。
为了准确描述零件高温条件下的成形过程,需要对高温保温-降温成形的温度路径下的材料力学行为和减薄失效行为进行准确描述,然而传统电阻丝加热手段无法实现高温条件下快速升温、降温等测试要求,采用电流加热、涡流感应加热的方法同样会带来温度场分布不均、应变场难以观察测量等实际问题,实验数据精度无法保证。
中国专利CN110132724A和CN110132724A是分别利用电流加热、高温炉加热实现精确的温度反馈,利用水冷模块实现了高温拉伸中快速降温的目的,提升了试验测试数据的可靠性。然而,在试样标距段内温度分布往往不够均匀,难以保证发生变形的位置在设定温度下均匀变形,同时Gleeble测试平台造价相对昂贵、实验流程复杂。
因此,急需一种适合于铝合金薄壁构件热冲压成形过程中材料高温变形行为的测试夹具,其夹具结构形式应足够灵活,从而高效率低成本地测试不同温度、不同应变速率、不同应变状态下的力学行为和损伤失效行为。
发明内容:
为了克服现有技术中的缺陷,本发明设计了一种铝合金片测试系统,包括加热模组、降温模组和拉伸装置;其中,拉伸装置中的夹持部件夹持待测试的铝合金片,先移动到加热模组后对铝合金片进行加热,再移动到降温模组后对铝合金片降温,由拉伸装置对铝合金片进行拉伸加载。
在一个实施例中,所述夹持部件包括上夹持部件和下夹持部件,分别夹持在所述铝合金片的上端和下端。
在一个实施例中,还包括导向装置,在导向装置导向下,被夹持所述的铝合金片可以平移到所述加热模组的加热区域和所述降温模组的降温区域进行加热和降温。
在一个实施例中,所述加热模组包括两个加热块和第一加热源;其中,当所述铝合金片设在两个加热块之间后夹紧,由第一加热源对加热块加热,通过第一组定位销横向贯穿挡板后对两个加热块固定,由第一弹性组件来控制两个加热块对所述铝合金片的夹紧。
在一个实施例中,所述第一弹性组件包括第一连杆、第一弹簧和挡块;其中,第一连杆横向贯穿挡板后其第一端连接所述加热块,其第二端由挡块控制,第一弹簧设在所述挡板和所述加热块之间并套设在第一连杆上,挡块安装在所述挡板上,在挡块驱动下所述加热块克服第一弹簧的弹力后打开所述加热块,所述铝合金片可无阻尼移动。
在一个实施例中,还包括第一加热棒和第一热电偶,在所述加热块上开设放置第一加热棒的第一加热孔和放置第一热电偶的第一测温孔。
在一个实施例中,所述降温模组包括两个降温块和第二加热源;其中,当所述铝合金片设在两个降温块之间后夹紧,由第二加热源对降温块加热,通过第二组定位销横向贯穿挡板后对两个降温块固定,由第二弹性组件来控制两个降温块的夹紧。
在一个实施例中,所述第二组定位销由上、下两个定位销组成,其上定位销和下定位销在远离所述降温块的一端连接第二连杆;所述第二弹性组件包括顶针、凸轮、手柄和第二弹簧,顶针横向贯穿挡板后其第一端连接降温块,其第二端通过孔连接的方式连接在第二连杆中部开设的孔中,在所述降温块和所述挡板之间并套设在顶针的外部设有第二弹簧,由手柄驱动凸轮转动,在转动过程中,凸轮的凸起部驱动顶针向远离所述挡板的方向移动,顶针克服第二弹簧的弹力后将降温块打开,所述铝合金片可无阻尼移动。
在一个实施例中,还包括第二加热棒和第二热电偶,在所述降温块上开设放置第二加热棒的第二加热孔和放置第二热电偶的第二测温孔。
在一个实施例中,在所述挡板或所述加热块或所述降温块上开设观察孔。
一种铝合金片测试系统的测试方法,包如下步骤:
步骤S1)夹具安装:将底座通过拉伸装置的夹持部件连接至拉伸装置的下模座上,将试样件在拉伸装置的夹持部件中夹紧,并将夹具整体滑动至加热块对准试样件的位置;
步骤S2)加热保温:释放挡块将加热块夹紧试样件,打开温度控制系统,加热块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的高温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度,对试样保温指定时间;
步骤S3)降温控制:手柄带动凸轮顶住顶针打开降温块,降温块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的低温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度;
步骤S4)单向拉伸:拉动挡块打开加热块,将夹具整体快速平移至降温块对准试样的位置,通过手柄释放凸轮将降温块夹紧试样件,试样件接触传热迅速降温至次加热块温度,启动拉伸装置中的静态拉伸加载单元,采用位移控制对被测试样件进行静态拉伸加载,完成高温拉伸载荷的加载;同时,启动高温非接触式应变测量仪,对观察开孔内试样的应变场进行测量;
步骤S5)数据处理:将拉伸装置中的加载力数据与应变测量仪中的应变数据向匹配,同时可通过软件分析每一时刻的应变场分布作为判断减薄失效的依据,经过后续数据处理得到每个试样件的应力应变曲线以及发生减薄失效时的应变状态。
本发明的主要有益效果是:
1)本发明结构简单紧凑,在普通拉伸实验机上集成了温度控制模块,实现了复杂工艺路径下的铝合金高温变形行为测试,试样装夹方便,测试温度数据、应变数据可靠,提高了测试效率。
2)本发明利用接触加热的方式提高了试样标距段内的温度均匀性,并提高了试样加热效率,实现了铝合金热冲压条件下温度、应变率相关的变形和断裂行为测试的目的。
3)本发明提供了应变场观察窗口,方便利用DIC技术测试变形过程中的全场应变,可以实现对非均匀变形和变形局部化过程的准确测试。
4)本发明可通过设计不同几何尺寸的缺口试样、加装双向拉伸装置等方式实现热冲压条件下铝合金材料成形性能测试,达到测试不同变形路径下材料损伤开裂行为的目的,建立铝合金热冲压条件下减薄失效判据。
该发明能够复现铝合金热冲压过程中复杂温度路径下铝合金的高温变形行为,可实现对变形区域的温度场和应变场的精确测量和控制,为航空航天、汽车制造等领域铝合金薄壁构件热冲压成形过程中材料高温力学行为和损伤失效行为测试提供技术保障。
附图说明:
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显,在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征。其中:
图1揭示了本发明一实施例中,一种铝合金片测试系统整体结构的示意图;
图2为省略图1中拉伸机上夹持部件的立体结构示意图。
图3为图2的主视图。
图4为图2的左视图。
图5为图2的右视图。
图6为图2的俯视图。
图7揭示了本发明一实施例中,一种铝合金片测试系统测试方法的流程图。
具体实施方式:
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。应当指出的是,附图中描述的关系仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
参考图1并结合图2-图6,在实施例中,一种铝合金片测试系统,包括加热模组1、降温模组2和拉伸装置(图中未标注);其中,拉伸装置中的夹持部件夹持待测试的铝合金片3,先移动到加热模组1后对铝合金片3进行加热,再移动到降温模组2后对铝合金片3降温,由拉伸装置对铝合金片3进行拉伸加载。
优选地,夹持部件包括上夹持部件42和下夹持部件41,分别夹持在所述铝合金片3的上端和下端。
优选地,还包括导向装置5,在导向装置5导向下,被夹持所述的铝合金片3可以平移到所述加热模组的加热区域和所述降温模组的降温区域进行加热和降温。
优选地,所述加热模组1包括两个加热块11和12和第一加热源(图中未标注);其中,
当所述铝合金片3设在两个加热块11和12之间后夹紧,由第一加热源对加热块加热,通过第一组定位销13横向贯穿挡板14后对两个加热块固定,由第一弹性组件来控制加热块11和12对所述铝合金片的夹紧。
优选地,第一弹性组件包括第一连杆15、第一弹簧(图中未标注)和挡块16;其中,第一连杆15横向贯穿挡板14后其第一端连接所述加热块11,其第二端由挡块16控制,第一弹簧设在所述挡板14和所述加热块11之间并套设在第一连杆15上,挡块17安装在所述挡板14上,在挡块17驱动下所述加热块11克服第一弹簧的弹力后打开所述加热块11,所述铝合金片3可无阻尼移动。
优选地,还包括第一加热棒和第一热电偶(图中未标注),在所述加热块11和12上开设放置第一加热棒的第一加热孔131和放置第一热电偶的第一测温孔132。
优选地,所述降温模组2包括两个降温块21和22,以及第二加热源(图中未标注);其中,当所述铝合金片3设在两个降温块21和22之间后夹紧,由第二加热源对降温块加热,通过第二组定位销46横向贯穿挡板14后对两个降温块固定,由第二弹性组件来控制降温块21的夹紧。
可以理解的是,导向装置5可以由导向柱51和滑块52组成,滑块52可以沿着导向柱51滑动。
同样可以理解的是,在图2的实施例中,下夹持部件41的顶部安装底座49,在底座49的顶部安装底板43,导向装置5安装在底板43上。
同样可以理解的是,参考图2的实施例,在挡板14的顶部可以安装顶板44,在手柄上还设有手柄链接杆45
优选地,所述第二组定位销46由上定位销23和下定位销24组成,其上定位销23和下定位销24在远离降温块21的一端连接第二连杆28;所述第二弹性组件包括顶针25、凸轮26、手柄27和第二弹簧(图中未标注),顶针25横向贯穿挡板14后其第一端连接降温块21,其第二端通过孔连接的方式连接在第二连杆28中部开设的孔29中,在所述降温块21和22以及所述挡板14之间并套设在顶针的外部设有第二弹簧(图中未标注),由手柄27驱动凸轮26转动,在转动过程中,凸轮26的凸起部驱动顶针25向远离所述挡板14的方向移动,顶针25克服第二弹簧的弹力后将降温块21打开,所述铝合金片3可无阻尼移动。
优选地,还包括第二加热棒和第二热电偶(图中未标注),在所述降温块21和22上开设放置第二加热棒的第二加热孔122和放置第二热电偶的第二测温孔123。
优选地,在所述挡板14或所述加热块11和12或所述降温块21和22上开设观察孔121。
本发明的具体测试方法如下:
步骤S1)夹具安装:将底座通过拉伸装置的夹持部件连接至拉伸机的下模座上,将试样件在拉伸装置的夹持部件中夹紧,并将夹具整体滑动至主加热块对准试样件的位置;
步骤S2)加热保温:释放挡块将加热块夹紧试样件,打开温度控制系统,加热块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的高温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度,对试样件保温指定时间;
步骤S3)降温控制:手柄带动凸轮顶住顶针打开降温块,降温块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的低温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度;
步骤S4)单向拉伸:拉动挡块打开加热块,将夹具整体快速平移至降温块对准试样件的位置,通过手柄释放凸轮将降温块夹紧试样件,试样件接触传热迅速降温至次加热块温度,启动拉伸装置中的静态拉伸加载单元,采用位移控制对被测试样件进行静态拉伸加载,完成高温拉伸载荷的加载;同时,启动高温非接触式应变测量仪,对观察开孔内试样的应变场进行测量;
步骤S5)数据处理:将拉伸装置中的加载力数据与应变测量仪中的应变数据向匹配,同时可通过软件分析每一时刻的应变场分布作为判断减薄失效的依据,经过后续数据处理得到每个试样件的应力应变曲线以及发生减薄失效时的应变状态。
需要说明的是,本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例,所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术,包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物,在先公开使用等等,都可纳入本发明的保护范围。此外,本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式,本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合,除非相互之间产生矛盾。还需要注意的是,以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例,随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的,均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种铝合金片测试系统,其特征在于:包括加热模组、降温模组和拉伸装置;其中,
拉伸装置中的夹持部件夹持待测试的铝合金片,先移动到加热模组后对铝合金片进行加热,再移动到降温模组后对铝合金片降温,由拉伸装置对铝合金片进行拉伸加载;
所述夹持部件包括上夹持部件和下夹持部件,分别夹持在所述铝合金片的上端和下端;
还包括导向装置,在导向装置导向下,被夹持所述的铝合金片可以平移到所述加热模组的加热区域和所述降温模组的降温区域进行加热和降温;
所述加热模组包括两个加热块和第一加热源;其中,
当所述铝合金片设在两个加热块之间后夹紧,由第一加热源对加热块
加热,通过第一组定位销横向贯穿挡板后对两个加热块固定,由第一弹性组件来控制两个加热块对所述铝合金片的夹紧。
2.如权利要求1所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:所述第一弹性组件包括第一连杆、第一弹簧和挡块;其中,
第一连杆横向贯穿挡板后其第一端连接所述加热块,其第二端由挡块控制,第一弹簧设在所述挡板和所述加热块之间并套设在第一连杆上,挡块安装在所述挡板上,在挡块驱动下所述加热块克服第一弹簧的弹力后打开所述加热块,所述铝合金片可无阻尼移动。
3.如权利要求2所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:还包括第一加热棒和第一热电偶,在所述加热块上开设放置第一加热棒的第一加热孔和放置第一热电偶的第一测温孔。
4.如权利要求1所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:所述降温模组包括两个降温块和第二加热源;其中,当所述铝合金片设在两个降温块之间后夹紧,由第二加热源对降温块加热,通过第二组定位销横向贯穿挡板后对两个降温块固定,由第二弹性组件来控制两个降温块的夹紧。
5.如权利要求4所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:所述第二组定位销由上、下两个定位销组成,其上定位销和下定位销在远离所述降温块的一端连接第二连杆;所述第二弹性组件包括顶针、凸轮、手柄和第二弹簧,顶针横向贯穿挡板后其第一端连接降温块,其第二端通过孔连接的方式连接在第二连杆中部开设的孔中,在所述降温块和所述挡板之间并套设在顶针的外部设有第二弹簧,由手柄驱动凸轮转动,在转动过程中,凸轮的凸起部驱动顶针向远离所述挡板的方向移动,顶针克服第二弹簧的弹力后将降温块打开,所述铝合金片可无阻尼移动。
6.如权利要求5所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:还包括第二加热棒和第二热电偶,在所述降温块上开设放置第二加热棒的第二加热孔和放置第二热电偶的第二测温孔。
7.如权利要求4或5中任一所述的一种铝合金片测试系统,其特征在于:在所述挡板或所述加热块或所述降温块上开设观察孔。
8.一种如权利要求7的铝合金片测试系统的测试方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤S1)夹具安装:将底座通过拉伸装置的夹持部件连接至拉伸装置的下模座上,将试样件在拉伸装置的夹持部件中夹紧,并将夹具整体滑动至加热块对准试样件的位置;
步骤S2)加热保温:释放挡块将加热块夹紧试样件,打开温度控制系统,加热块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的高温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度,对试样件保温指定时间;
步骤S3)降温控制:手柄带动凸轮顶住顶针打开降温块,降温块通过加热棒开孔中的加热棒加热至指定的低温,通过热电偶开孔中的热电偶反馈控制温度;
步骤S4)单向拉伸:拉动挡块打开加热块,将夹具整体快速平移至降温块对准试样件的位置,通过手柄释放凸轮将降温块夹紧试样件,试样件接触传热迅速降温至次加热块温度,启动拉伸装置中的静态拉伸加载单元,采用位移控制对被测试样件进行静态拉伸加载,完成高温拉伸载荷的加载;同时,启动高温非接触式应变测量仪,对观察开孔内试样的应变场进行测量;
步骤S5)数据处理:将拉伸装置中的加载力数据与应变测量仪中的应变数据向匹配,同时可通过软件分析每一时刻的应变场分布作为判断减薄失效的依据,经过后续数据处理得到每个试样件的应力应变曲线以及发生减薄失效时的应变状态。
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