CN112697606A - 低频振动辅助等温拉伸表征测定装置 - Google Patents

Abstract

一种低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，包括：设置于万能试验机上的液压激振装置和温度控制装置，以及信息采集系统其中：待测金属试样设置于万能试验机上，温度控制装置对待测试样进行加热并保温的同时液压激振装置通过夹头对待测金属试样施加振动，整个过程中万能试验机保持对待测金属试样的夹持并测试，由信息采集系统采集等温振动条件下的材料力学性能。本发明实现对低频振动塑性成形过程中金属振动软化与热致软化行为的定量表征，可控性好，测量精度高，所能提供的激振力大。

Description

低频振动辅助等温拉伸表征测定装置

技术领域

本发明涉及的是一种振动塑性加工领域的技术，具体是一种低频振动辅助等温拉伸表征测定装置。

背景技术

振动塑性加工是指通过将超声波、机械波等形式的振动施加在塑性成形的模具或坯料上，以达到提高坯料变形能力和加工质量的目的。相关技术在金属拉拔、挤压、拉深和焊接等领域已有所应用，形成了一些振动辅助金属成形工艺装置。现有振动塑性加工技术中，超声振动装置激振频率高，所能承受的载荷较小，激振能量的传递很多情况下无法直接施加在材料的核心变形区，使得材料的成形质量无法获得最大化的提升。相比而言，低频振动凭借激振力大、结构稳定性好等优点更具有实际的工业应用价值。从实践效果来看，振动塑性加工能起到改善成形质量的作用，但是关于振动辅助金属成形工艺所带来的振动软化效应，以及由温升带来的热致软化效应的作用机制尚不清晰。因此，针对上述问题，亟需一种测定装置表征材料在低频振动辅助下的力学响应行为，为振动塑性加工领域提供理论基础。

发明内容

本发明针对现有振动塑性加工领域缺乏低频振动辅助下材料力学行为表征手段的不足，提出一种低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，实现对低频振动塑性成形过程中金属振动软化与热致软化行为的定量表征。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，包括：设置于万能试验机上的液压激振装置和温度控制装置，以及信息采集系统，其中：待测金属试样设置于万能试验机上，温度控制装置对待测试样进行加热并保温的同时液压激振装置通过夹头对待测金属试样施加振动，整个过程中万能试验机保持对待测金属试样的夹持并测试，由信息采集系统采集等温振动条件下的材料力学性能。

所述的液压激振装置包括：通过高频伺服阀连接的激振缸和液压站。

所述的激振缸包括：激振杆、磁环、油缸、有杆油腔和无杆油腔，其中：磁环设置于激振杆的内部，有杆油腔位于激振杆的上方，无杆油腔位于激振杆的下方，有杆油腔和无杆油腔通过液压管道与伺服阀的工作油口连接。

所述的温度控制装置包括：中频感应加热电源、中频感应加热机分机和带有铁磁体的感应加热线圈，以及通过气管连接的空气压缩机和空气喷嘴，其中：加热电源为加热线圈提供交变电流，加热分机与加热线圈连接，加热线圈和空气喷嘴均设置于待测试样旁。

所述的信息采集系统包括：拉伸模块、激振模块和温控模块，其中：拉伸模块采集电子万能试验机的活动横梁运动信息并将信息通过电脑输出计算，激振模块通过设置在激振缸内部的位移传感器采集激振幅值传输至PLC位置控制单元，并转换为激振信号至伺服阀控制激振缸内油腔油压以实现激振，温控模块通过红外线测量仪测量待测试样的温度并将信号传输至温控仪以调整加热电源的输出电流强度与功率。

技术效果

本发明整体解决了现有技术中振动塑性加工带来的振动力学性能与热致力学性能变化难以区分与测量以及无法定量表征的材料力学性能的问题，通过控制振动拉伸试样的测试温度，可实现不同温度下难变形金属热辅助振动状态的力学性能测试，拓宽了简单振动拉伸设备的测试范围。

附图说明

图1为本实施例的示意图；

图2为温度控制装置的示意图；

图3为激振缸的示意图；

图4为本实施例的原理图；

图5为激振模块的原理图；

图6为温控模块的原理图；

图7为本实施例测试方法的示意图；

图8为本实施例测试温度分布示意图；

图9为本实例测试热致软化与振动软化对比图；

图中：空气压缩机1、活动托架2、试样3、空气喷嘴4、感应加热机5、活动横梁6、PLC位置控制单元7、高频伺服阀8、激振缸9、液压站10、加热线圈11、上夹头12、红外线测温仪13、下夹头14、位移磁环15、有杆油腔16、激振杆17、第一液压管道18、无杆油腔19、第二液压管道20、位移传感器21、安全阀22、蓄能器23、高压软管24、溢流阀25、高压齿轮泵26。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括：设置于万能试验机上的液压激振装置和温度控制装置，以及信息采集系统。

如图2所示，所述的万能试验机基于电子万能试验机的框架，具有上夹头12、下夹头14、活动托架2和活动横梁6。

所述的液压激振装置包括：通过高频伺服阀8连接的激振缸9和液压站10，其中激振缸9位于电子万能试验机的底座并与下夹头14连接以传递激振波，液压站10与高频伺服阀8的进油口和回油口连接并为其提供稳定油压。

如图3所示，所述的液压激振缸9为密封式活塞缸，包括：激振杆17、位移磁环15、有杆油腔16和无杆油腔19，其中：位移磁环15设置于激振杆17的内部，激振杆17的上方是有杆油腔16，激振杆17的下方是无杆油腔19，有杆油腔16和无杆油腔19通过第一液压管道18和第二液压管道20分别与高频伺服阀8的第二工作油口B和第一工作油口A连接。

所述的温度控制装置包括：加热组件和冷却组件。

所述的加热组件包括：中频感应加热电源、中频感应加热机5和带有铁磁体的感应加热线圈11，其中：加热电源为加热线圈11提供交变电流，加热线圈11设置于待测试样3旁，感应加热机5与加热线圈11连接，感应加热机5设置于活动托架2上以调节不同高度对待测试样3加热。

所述的冷却组件包括：通过气管连接的空气压缩机1和空气喷嘴4，其中：空气喷嘴4设置于待测试样3旁。

所述的加热线圈11内设有高压循环水以防止加热线圈11过热损坏。

所述的信息采集系统包括：对应设置于各装置的拉伸模块、激振模块和温控模块，其中：拉伸模块采集电子万能试验机的活动横梁6运动信息并将信息通过电脑输出计算，激振模块通过设置在激振缸9内部的位移传感器21采集激振幅值传输至PLC位置控制单元7，并转换为激振信号至高频伺服阀8控制激振缸内油腔油压以实现激振，温控模块通过红外线测温仪13测量待测试样3的温度并将信号传输至温控仪以调整加热电源的输出电流强度与功率。

所述的高频流量控制高频伺服阀8的最高响应频率为100Hz，液压激振缸9的最大振幅为1mm。

所述的液压激振缸9最高激振频率设为60Hz。

如图4所示，所述的液压站10提供的液压油经高压齿轮泵26加压，进入蓄能器23与高频伺服阀8，其中：蓄能器23保证高压油路P油压的稳定性，蓄能器23通过安全阀22与低压油箱连接，确保油路安全性；高频伺服阀8在PLC位置控制单元7给定的激振信号下，阀芯在电磁力作用下沿水平方向往复运动；当阀芯在阀体内运动至右端时，P-A接通，高压油经过高频伺服阀8从高压齿轮泵26流入无杆油腔19。同时，B-T接通，油液从有杆油腔16经高频伺服阀8流回液压站10；激振杆17在无杆油腔19与有杆油腔16间形成的正油压差推动下向上移动。当阀芯在阀体内运动至左端时，P-B接通，高压油经过高频伺服阀8从高压齿轮泵26流入有杆油腔16。此时A-T接通，原先存在于无杆油腔19的高压油液经高频伺服阀8流回液压站10。激振杆17在无杆油腔19与有杆油腔16间形成的负油压差下向下移动，从而激振杆17形成往复振颤运动。从高压齿轮泵26引出的高压油管道与流回液压站10的低压管道间安装有溢流阀25用以防止高压油路压力过高。利用PLC位置控制单元7发出的电信号调节流经高频伺服阀8中第一工作油口A和第二工作油口B的输出油量大小来实现液压激振缸9振幅的调节；激振频率可通过控制高频伺服阀8的阀芯的换向频率进行调控。

如图5所示，所述的PLC位置控制单元7输入激振位移信号，该PLC位置控制单元7通过PID控制器和D/A转换器向高频伺服阀8输出模拟信号，控制高频伺服阀8阀芯位移量与换向频率，从而控制流向激振缸无杆油腔19与有杆油腔16的流量与油压，进而调节激振杆18的激振频率与振幅。位于激振杆17内部的位移磁环15记录激振杆18实时位置信息，并反馈给PLC位置控制单元7进行PID运算，实现激振杆17激振波形与输入信号的精确匹配。

如图6所示，所述的红外线测温仪13对待测试样3的温度进行测量，并将信号反馈给温控仪，当待测试样3的温度加热致温控仪所设温度时，温控仪将信号输出给中频感应加热机5，调整感应加热机5对加热线圈11输出的功率或电流，使得待测试样3的温度按照所设曲线进行加热或保温。空气喷嘴4通过万向竹节管与空气压缩机1连接，空气压缩机1产生高压喷气，利用手动阀控制空气喷嘴4喷出高压气体对加热试样3进行快速冷却。万向竹节管通过尼龙扎带固定在活动托架2上，通过调节靠近空气喷嘴4处的万向竹节管角度控制待测试样3的冷却区域。

如图7所示，本实施例涉及上述装置的低频振动辅助等温拉伸表征测试方法，具体包括如下步骤：

第一步、试验准备：按照国家标准《GB/T 228.2-2015金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》的有关规定准备拉伸待测试样3，拉伸待测试样3采用2mm厚的7075-T6铝合金板材，在待测试样3表面喷涂黑色高温导电漆，降低金属表面氧化，增加材料表面辐射率，提高红外测温精度，待表面喷漆干燥后进行待测试样3装夹，调整活动托架2的上下高度，使感应加热线圈11中心位于拉伸待测试样3标距中心近测约5mm处，调整空气喷嘴4近端的万向竹节，使空气喷嘴4中心对准待测试样3的标距中心，距离约40mm，调整红外测温仪13的位置，使其镜头与待测试样3标距段中心等高，距离约200mm，并对准标距段中心。

第二步、参数设定：开始拉伸之前，通过温控仪设定待测试样3加热目标温度与保温时间，随后通过PLC位置控制单元7设定激振振频、振幅和激振时间，以及拉伸应变速率与活动横梁6的总位移。

第三步、试验实施：开启感应加热电源，对待测试样3按预设温度进行加热保温，并用无纸记录仪对待测工件3有效加热区温度历史进行记录，启动电子万能试验机，对待测试样3进行单向拉伸试验。在拉伸过程中，当待测试样3达到设定预应变时，启动液压激振装置，对待测试样3施加预设振动波形与时长的振动，振动在待测试样3颈缩前停止，此时电子万能试验机继续拉伸，直至待测试样3颈缩并断裂。停止拉伸，关闭感应加热电源，导出试验全程中待测试样3有效加热段温度历史曲线和力与位移曲线。打开空气压缩机1控制阀，快速冷却待测试样3并取下拉断后的待测试样3，结束试验。

经过具体实际实验，针对7075-T6铝合金厚度为2mm，标距段为57mm的试样，测试参数为：加热温度100℃，保温时间180s，振幅0.1mm，振频20Hz时，运行上述装置，能够得到的实验数据是：如图8所示，温度控制精度达±4℃，均温段为15mm；图9所示为传统拉伸和加载上述振动时的热拉伸行程载荷曲线，相对于室温20℃时，材料加热致100℃后发生明显的热致软化现象，在试样温度均为100℃时，施加低频振动时拉伸载荷由传统热拉伸的11850N左右降低至10160N左右，降低了14％，实验结果表明振动软化效果显著，且热致软化量与振动软化量可清楚区分，上述装置精度高，可靠性强。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征在于，包括：设置于万能试验机上的液压激振装置和温度控制装置，以及信息采集系统其中：待测金属试样设置于万能试验机上，温度控制装置对待测试样进行加热并保温的同时液压激振装置通过夹头对待测金属试样施加振动，整个过程中万能试验机保持对待测金属试样的夹持并测试，由信息采集系统采集等温振动条件下的材料力学性能；

所述的温度控制装置包括：中频感应加热电源、中频感应加热机分机和带有铁磁体的感应加热线圈，以及通过气管连接的空气压缩机和空气喷嘴，其中：加热电源为加热线圈提供交变电流，加热分机与加热线圈连接，加热线圈和喷嘴均设置于待测试样旁；

所述的液压激振装置包括：通过高频伺服阀连接的激振缸和液压站。

2.根据权利要求1所述的低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征是，所述的激振缸包括：激振杆、磁环、油缸、有杆油腔和无杆油腔，其中：磁环设置于激振杆的内部，有杆油腔位于激振杆的上方，无杆油腔位于激振杆的下方，有杆油腔和无杆油腔通过液压管道与伺服阀的工作油口连接。

3.根据权利要求1所述的低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征是，所述的加热线圈内设有高压循环水以防止线圈过热损坏。

4.根据权利要求1所述的低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征是，所述的信息采集系统，包括：拉伸模块、激振模块、温控模块以及总控制器，其中：拉伸模块采集电子万能试验机的活动横梁运动信息并将信息通过电脑输出计算，激振模块通过设置在激振缸内部的位移传感器采集激振幅值传输至PLC位置控制单元，并转换为激振信号至伺服阀控制激振缸内油腔油压以实现激振，温控模块通过红外线测量仪测量待测试样的温度并将信号传输至温控仪以调整加热电源的输出电流强度与功率。

5.根据权利要求1所述的低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征是，所述的液压站提供的液压油经高压齿轮泵加压，进入蓄能器与高频伺服阀，其中：蓄能器保证高压油路P油压的稳定性，蓄能器通过安全阀与低压油箱连接，确保油路安全性；高频伺服阀在PLC位置控制单元给定的激振信号下，阀芯在电磁力作用下沿水平方向往复运动；当阀芯在阀体内运动至右端时，P-A接通，高压油经过高频伺服阀从高压齿轮泵流入无杆油腔；同时，B-T接通，油液从有杆油腔经高频伺服阀流回液压站；激振杆在无杆油腔与有杆油腔间形成的正油压差推动下向上移动；当阀芯在阀体内运动至左端时，P-B接通，高压油经过高频伺服阀从高压齿轮泵流入有杆油腔；此时A-T接通，原先存在于无杆油腔的高压油液经高频伺服阀流回液压站；激振杆在无杆油腔与有杆油腔间形成的负油压差下向下移动，从而激振杆形成往复振颤运动；从高压齿轮泵引出的高压油管道与流回液压站的低压管道间安装有溢流阀用以防止高压油路压力过高；利用PLC位置控制单元发出的电信号调节流经高频伺服阀中第一工作油口A和第二工作油口B的输出油量大小来实现液压激振缸振幅的调节；激振频率可通过控制高频伺服阀的阀芯的换向频率进行调控。

6.根据权利要求4或5所述的低频振动辅助等温拉伸表征测定装置，其特征是，所述的PLC位置控制单元通过PID控制器和D/A转换器向高频伺服阀输出模拟信号，控制高频伺服阀阀芯位移量与换向频率，从而控制流向激振缸无杆油腔与有杆油腔的流量与油压，进而调节激振杆的激振频率与振幅；位于激振杆内部的位移磁环记录激振杆实时位置信息，并反馈给PLC位置控制单元进行PID运算，实现激振杆激振波形与输入信号的精确匹配。

Images