CN112697619A - 超声振动条件下的金属循环加载装置 - Google Patents

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Abstract

一种超声振动条件下的金属循环加载装置，包括：设置于万能试验机中的超声设备固定装置、设置于其中的超声装置以及设置于超声装置上的试样固定装置，其中：试样固定装置与万能试验机的上夹头相连，待测试样设置于试样固定装置内部。本发明能够实现超声振动条件下拉伸‑压缩循环加载试验模拟超声振动辅助加工条件下的循环加载工况，进而可分析超声振动条件下循环加载对金属材料金相组织，晶粒尺寸以及位错密度等的影响，并且在探究不同超声振动参数循环加载条件下金属材料的体积效应和表面效应方面具有重要的意义。

Description

超声振动条件下的金属循环加载装置
技术领域
本发明涉及的是一种金属塑性加工领域的技术，具体是一种超声振动条件下的金属循环加载装置。
背景技术
超声振动作为辅助手段作用在金属成形过程中会产生体积效应与表面效应，具有增强材料塑性、降低接触摩擦力以及改变材料微观表面结构的特点，但在超声振动与传统机械加工工艺的耦合作用下，金属材料内部的流变行为更为复杂。此外，在加工过程中，由于超声辅助技术的引入使得工件表面受到一定的循环加载，这同样会增加金属材料变形过程的复杂程度。现有的金属材料循环加载试验包括剪切试验法和可直接获得材料的循环应力-应变曲线的平面拉伸压缩试验法，但拉伸-压缩循环加载过程需解决试样的压缩失稳问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种超声振动条件下的金属循环加载装置，能够实现超声振动条件下拉伸-压缩循环加载试验模拟超声振动辅助加工条件下的循环加载工况，进而可分析超声振动条件下循环加载对金属材料金相组织，晶粒尺寸以及位错密度等的影响，并且在探究不同超声振动参数循环加载条件下金属材料的体积效应和表面效应方面具有重要的意义。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种超声振动条件下的金属循环加载装置，包括：设置于万能试验机中的超声设备固定装置、设置于其中的超声装置以及设置于超声装置上的试样固定装置，其中：试样固定装置与万能试验机的上夹头相连，待测试样设置于试样固定装置内部。
所述的金属循环加载装置上设有信号传输装置，该信号传输装置包括：超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆，其中：超声波发生器与超声波换能器相连将交流电信号转换成超声振动信号，超声波换能器与超声波变幅杆相连将超声振动信号细化成轴向振动超声信号。
技术效果
本发明整体解决现有竖直轴向超声振动循环加载过程中无法保证同轴度所造成的试样加载失稳的技术问题；
与现有技术相比，本发明阶梯式圆柱型基座保证了竖直方向上的同轴度；固定试样的装置采用分瓣式设计，安装简便，且同时具有试样夹具的功能，避免试样在加载过程中失稳。
附图说明
图1为超声振动条件下的金属循环加载装置整体结构示意图；
图2为超声振动条件下的金属循环加载装置截面示意图；
图3为超声振动条件下的金属循环加载装置三维结构示意图；
图4为超声振动条件下的金属试样结构示意图；
图5为超声振动条件下的金属循环加载装置的安装流程图；
图中：固定底座1、超声波发生器2、超声波换能器3、超声波变幅杆4、固定法兰盘5、试样上夹具6、上端套件7、下端套件8、万能试验机上夹头9、试样10。
具体实施方式
如图1～图3所示，为本实施例涉及一种超声振动条件下的金属循环加载装置，包括：设置于万能试验机中的超声设备固定装置、设置于其中的超声装置以及设置于超声装置上的试样固定装置，其中：试样固定装置与万能试验机的上夹头相连，待测试样设置于试样固定装置内部。
所述的超声设备固定装置包括：用于设置超声装置的固定底座1以及固定法兰盘5，其中：固定法兰盘5设置于固定底座1的上端并与位于固定底座1内部的超声装置相卡接。
所述的超声变幅杆固定底座1包括：内部镂空的三段阶梯轴1a、1b、1c。
所述的固定法兰盘5包括：上、下两个端面5a、5b，其中：两个端面之间采用螺栓固定。
所述的上、下端面内部都设有圆形凹槽以固定超声变幅杆。
所述的超声装置包括：设置于固定底座1内部的超声波换能器3和超声波变幅杆4以及与超声波换能器3相连的超声波发生器2，其中：超声波变幅杆4的上端与固定法兰盘5固定连接，超声波发生器2将交流电信号转换成超声频率正弦信号。
所述的超声波发生器2输出的超声频率在19.6KHz～20.5KHz范围以保证超声变幅杆提供竖直轴向方向上的超声振动。
所述的超声波换能器3为圆柱型压电陶瓷圆盘换能器，将超声波发生器输出的电信号转换成振动信号。
所述的超声波换能器3和超声波发生器2之间设有反馈装置，可对变幅杆工具端进行实时频率反馈，防止频率超出轴向振动频率范围从而引起整体同轴度失稳。
所述的超声波变幅杆4包括：位于两端的阶梯轴结构4a、4b以及位于中部、用于与法兰盘固定的外凸圆环状结构4c，其中：第一阶梯轴结构4a的直径小于第二阶梯轴结构4b。
所述的第一阶梯轴结构4a的外端设有用于固定试样的凹槽和螺纹孔。
所述的试样固定装置包括：依次固定连接的试样上夹具6、上端套件7和下端套件8，其中：试样上夹具6与万能试验机上夹头9固定连接，下端套件8与超声装置的上端面相接触，试样10设置于下端套件8中。
所述的试样上夹具6包括：用于夹持的扁头部分和用于定位的圆柱形凹槽部分，其中：扁头部分与万能试验机上夹头9夹持固定，下端圆柱形凹槽部分与试样的上端同心定位。
所述的上端套件7包括：相对设置的一对分瓣结构7a、7b，其中：分瓣结构组合成圆柱体且内部设有阶梯孔结构。
所述的上端套件7的外径与试样上夹具6相匹配以实现试样上端的固定。
所述的下端套件8包括：竖直相对设置且与超声变幅杆的形状相匹配的固定试样下端8a、8b以及试样保护夹具8c、8d。
所述的下端套件8与分瓣结构7a、7b结构相匹配，区别在于固定试样下端8a与试样保护夹具8c为一体式结构，固定试样下端8b与试样保护夹具8d同样为一体式结构。
所述的试样保护夹具8c、8d的内部设有匹配圆柱型试样的凹槽，同样为分瓣式结构，并通过螺栓紧固，在循环加载过程中可有效防止试样失稳。
如图4所示，所述的试样10为圆柱型试样，其上端由试样上夹具6和固定试样上端套件7a，7b配合固定、下端由超声变幅杆4和固定试样下端套件8a，8b配合固定、中间循环加载处由固定试样下端套件8c，8d进行抗弯保护。
所述的万能试验机上夹头9包括：用于固定试样上端与万能试验机的夹持固定试样上夹具6，该夹持固定试样上夹具6与上夹头9接触部分的结构为扁头结构以便于万能试验机上夹头与试样连接，夹持固定试样上夹具6与试样10接触部分的结构为圆柱头结构，在圆柱头表面开有凹槽，与上端套件7a、7b配合进行试样10的固定。
如图5所示，本实施例的一种超声振动条件下的金属循环加载装置，包括以下安装步骤：
S01超声变幅杆固定底座的小直径阶梯轴1c在定位销的作用下固定在万能试验机底部的定位孔上。
S02超声变幅杆4c与超声变幅杆固定法兰盘5a、5b装配并通过沉孔螺栓固定在超声变幅杆固定底座1a上，超声波发生器2则通过超声变幅杆固定底座中间直径阶梯轴1b上的贯穿孔与超声换能器3连接。
S03最后进行试样10的固定，将试样10下端置于超声变幅杆小直径阶梯轴4a的凹槽中，并与下端套件8a、8b配合固定，试样10上端由试样上夹具6和上端套件7a、7b在螺栓的作用下进行固定，万能试验机的上夹头9将试样上夹具6的扁头夹紧，通过参数的调节即可进行金属循环加载试验。
经过具体实际实验，设置超声频率为20KHz，通过调整超声功率百分比进而改变输出振幅分别为3μm、6μm、9μm，循环加载的位移控制速率为1.5mm/min，拉伸过程位移至5mm，压缩过程位移至-5mm，以此作为循环加载过程，可研究不同超声振幅对试样循环加载过程中微观机制变化的影响。
与现有技术相比，本装置保证试样在循环加载过程中装置的整体同轴度，进一步提升实验精度；同时实现了圆柱型试样的超声循环加载，能有效防止循环加载过程失稳。
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 (9)

1.一种超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征在于，包括：设置于万能试验机中的超声设备固定装置、设置于其中的超声装置以及设置于超声装置上的试样固定装置，其中：试样固定装置与万能试验机的上夹头相连，待测试样设置于试样固定装置内部；
所述的金属循环加载装置上设有信号传输装置，该信号传输装置包括：超声波发生器、超声波换能器、超声波变幅杆，其中：超声波发生器与超声波换能器相连将交流电信号转换成超声振动信号，超声波换能器与超声波变幅杆相连将超声振动信号细化成轴向振动超声信号；
所述的试样为圆柱型试样，其上端由试样上夹具和固定试样上端套件，配合固定、下端由超声变幅杆和固定试样下端套件，配合固定、中间循环加载处由固定试样下端套件，进行抗弯保护；
所述的试样固定装置包括：依次固定连接的试样上夹具、上端套件和下端套件，其中：试样上夹具与万能试验机上夹头固定连接，下端套件与超声装置的上端面相接触，试样设置于下端套件中。
2.根据权利要求1所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的超声设备固定装置包括：用于设置超声装置的固定底座以及固定法兰盘，其中：固定法兰盘设置于固定底座的上端并与位于固定底座内部的超声装置相卡接。
3.根据权利要求2所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的固定底座包括：内部镂空的三段阶梯轴；
所述的固定法兰盘包括：上、下两个端面，其中：两个端面之间采用螺栓固定。
4.根据权利要求1所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的超声波发生器输出的超声频率在19.6KHz～20.5KHz范围以保证超声变幅杆提供竖直轴向方向上的超声振动。
5.根据权利要求1所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的超声波换能器和超声波发生器之间设有反馈装置以对变幅杆工具端进行实时频率反馈，防止频率超出轴向振动频率范围从而引起整体同轴度失稳。
6.根据权利要求1所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的超声波变幅杆包括：位于两端的阶梯轴结构、以及位于中部、用于与法兰盘固定的外凸圆环状结构，其中：第一阶梯轴结构的直径小于第二阶梯轴结构。
7.根据权利要求1所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的试样上夹具包括：用于夹持的扁头部分和用于定位的圆柱形凹槽部分，其中：扁头部分与万能试验机上夹头夹持固定，下端圆柱形凹槽部分与试样的上端同心定位；
所述的上端套件包括：相对设置的一对分瓣结构，其中：分瓣结构组合成圆柱体且内部设有阶梯孔结构；
所述的下端套件包括：竖直相对设置且与超声变幅杆的形状相匹配的固定试样下端、以及试样保护夹具；
所述的下端套件与分瓣结构、结构相匹配，区别在于固定试样下端与试样保护夹具为一体式结构，固定试样下端与试样保护夹具同样为一体式结构。
8.根据权利要求7所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的试样保护夹具的内部设有匹配圆柱型试样的凹槽，同样为分瓣式结构，并通过螺栓紧固，在循环加载过程中可有效防止试样失稳。
9.根据权利要求1或7所述的超声振动条件下的金属循环加载装置，其特征是，所述的万能试验机上夹头包括：用于固定试样上端与万能试验机的夹持固定试样上夹具，该夹持固定试样上夹具与上夹头接触部分的结构为扁头结构以便于万能试验机上夹头与试样连接，夹持固定试样上夹具与试样接触部分的结构为圆柱头结构，在圆柱头表面开有凹槽，与上端套件、配合进行试样的固定。
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