CN113029763A - 一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，属于精密试验仪器领域。氛围箱组件固定连接在减震台组件的减震台上，两个扭转组件分别位于氛围箱组件两侧、且与减震台组件的滑道滑动连接，扭转组件的夹具壳体与氛围箱组件的波纹管相连，两个拉伸组件的减速机安装板、轴承支撑座与减震台相连，减震台组件的限位连接柱两端分别与两个拉伸组件的减速机安装板固定连接，两个拉伸组件的螺母与扭转组件的螺母联接嵌体固定连接。本发明可以进行上下微调的近距离观测平台，实现常温到600摄氏度的常规空气、氮气、氧气、稀有气体和真空环境的仿真，从而实现真空或惰性气体保护以及不同氧气含量等多种气体环境的构建。

Description

一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台

技术领域

本发明属于精密试验仪器领域，涉及一种针对镁合金型材加工的高、低温复杂氛围环境加载装置，用于材料服役性能与物性测试。

该装置可实现真空/不同气体氛围下常温及高温环境的构建。通过集成高分辨率原位成像设备及各种静动态力学加载设备，可建立材料在常高温及复杂静动态机械载荷耦合下表面宏微观形貌演化与力学性能退化之间的关联，为深入研究材料高低温及复杂静动态机械载荷耦合下的服役性能、评估材料服役安全性提供了一种可行性试验台架。

背景技术

资源消耗和环境污染已成为21世纪人类可持续发展面临的首要问题。镁合金拥有质量轻、结构性能优异、阻尼和吸震减震性能高、抗冲击和抗压缩能力良好、铸造和加工性能良好、尺寸稳定性、铸模生产率高、高散热性、电磁屏蔽性好、低热容量、再生性以及易于回收等众多优点，成为装备和制造轻量设备的首选材料。镁合金已经成功应用于航空航天、汽车、通信、光学仪器、计算机以及电子设备等多个领域。作为一种非常重要的轻金属结构材料，其开采、研究和使用的广泛程度及总体性能潜力的不断发掘将代表一个国家科学材料的整体水平，并将对材料学科的社会发展的推动产生重要的意义，被称之为“21世纪的绿色金属结构工程材料”。

虽然镁合金具有一系列的优点，但是与铝合金相比，目前关于商用镁合金的开发还非常有限。镁合金耐蚀性能差特性大大阻碍了其在工业中的广泛应用。此外，镁合金在高温下也极易被氧化，这也制约了其在高温条件下的使用并导致了合金熔炼等方面的潜在隐患。因此，对镁合金高温氧化性能的研究是目前镁合金研究领域的一个重要方向。在对不同成分的镁合金进行电腐蚀研究和高温抗氧化研究的同时，还需要着重对合金的晶相观测、热处理性能和材料本身力学性能能等多项指标进行观测研究，但目前还没有能够满足该要求的专项试验台，因此需要填补该领域的空白。

发明内容

本发明提供一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，以解决目前没有能满足大部分镁合金测试环境的复合加载试验台的问题。

本发明采取的技术方案是：包括拉伸组件，扭转组件，氛围箱组件和减震台组件，其中氛围箱组件固定连接在减震台组件的减震台上，两个扭转组件分别位于氛围箱组件两侧、且与减震台组件的滑道滑动连接，扭转组件的夹具壳体与氛围箱组件的波纹管相连，两个拉伸组件的减速机安装板、轴承支撑座与减震台相连，减震台组件的限位连接柱两端分别与两个拉伸组件的减速机安装板固定连接，两个拉伸组件的螺母与扭转组件的螺母联接嵌体固定连接。

本发明所述拉伸组件包括拉伸伺服电机、减速器、减速机安装板、轴承支撑座、端盖、密封圈、刚性联轴器、螺母、丝杠、传动轴和导向轴承，其中拉伸伺服电机的电机轴与减速器相连，减速器通过螺钉固定在减速机安装板上，减速器的输出端与传动轴一端相连，传动轴上装有两个导向轴承，导向轴承的外圈与轴承支撑座相连，外侧的轴承通过端盖进行限位，传动轴的另一端通过刚性联轴器与丝杠相连。

本发明所述扭转组件包括上安装板、扭转伺服电机、扭转减速器、扭转减速机固定板、主动同步带轮、主动轮限位套筒、传动轴固定板、扭转主动传动轴、扭转主动传动轴端盖、扭转从动传动轴端盖、六维力传感器、夹具安装壳体、正牙螺母、反牙螺母、限位垫圈、夹具安装端盖，螺母安装端盖、螺母联接嵌体、扭转组件壳体、角度传感器、从动轮限位套筒、从动同步带轮、从动轴、扭转从动轴端盖、传感器连接块和遮挡板，其中扭转伺服电机的输出轴和扭转减速器直接相连，扭转减速器固定在扭转减速机固定板上，扭转减速器的输出轴与扭转主动传动轴相连，扭转主动传动轴的两端分别通过轴承与扭转减速机固定板和传动轴固定板相连，传动轴固定板上通过螺钉固定扭转主动传动轴端盖，扭转主动传动轴上装有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与扭转组件壳体内的从动同步带轮相连，从动同步带轮与从动轴相连，从动轴的两端通过轴承与扭转组件壳体相连，其中一侧的轴承通过套筒限位，另一侧的轴承通过扭转从动轴端盖限位，从动轴末端装有角度传感器，检测遮挡板与扭转组件壳体内部固定连接，从动轴的前端通过螺钉与传感器连接块相连，传感器连接块通过螺钉与六维力传感器相连，传感器的另一端通过螺钉与夹具壳体相连，正牙螺母、反牙螺母、限位垫圈放入夹具壳体内，夹具安装端盖与夹具壳体外端连接。

本发明所述氛围箱组件包括氛围箱上盖、把手、导向柱、摄像观测组件、摄像安装板、导向柱安装块、从动锥齿轮、主动锥齿轮、手轮安装座、手轮、氛围箱气体接头、气管、气阀、外接气体接头、调节旋钮、氛围箱体、波纹管、真空保温层、隔热层和加热棒，其中氛围箱体组件的箱体固定在减震台上，氛围箱上盖通过螺钉与氛围箱体相连并实现密封，把手通过螺钉固定在氛围箱上盖上，四根导向柱通过滑套与摄像安装板相连，实现摄像安装板的导向和限位，导向柱与氛围箱上盖通过导向柱安装块相连，手轮安装座通过螺钉固定在氛围箱上盖上，手轮与主动锥齿轮相连，从动锥齿轮通过推力轴承与氛围箱上盖相连，从动锥齿轮的内圈加工有与摄像组件相配合的螺纹；氛围箱体两侧与夹具相接的位置采用波纹管，波纹管通过螺钉与夹具体相连，与波纹管垂直的氛围箱体两个壁面上设有四个高低错落的气体管路接头，气管连接气体管路接头和气阀，两个外接气体接头与气阀连接，每一个气路都有手动旋钮控制气路进行急停，氛围箱体采用固体隔温层和真空隔温层对温度进行隔离，加热棒与氛围箱体内部底面上方固定连接。

本发明所述减震台组件包括减震台和固定相对两组拉伸组件的限位连接柱、及辅助扭转组件移动的滑道，限位连接柱两端加工有螺纹，与减速机安装板、轴承支撑座通过螺母进行限位，加固整体结构。

本发明针对镁合金的特性，设计了一种可以满足大部分镁合金测试环境的复合加载试验台，优点是：

本发明为了保证观测准确性，增加了可以进行上下微调的近距离观测平台，可以根据试件形状和测试加载不同调节不同的观测位置。

本发明通过氛围箱组件可以实现常温到600摄氏度的常规空气、氮气、氧气、稀有气体和真空环境的仿真。本发明通入单一气体时，可以根据通入气体密度的不同由高位或低位接头通入气体，从而使内部气体排出速度更快更彻底；增设了多种隔热装置，实现稳定的高温环境和气体环境，从而实现真空或惰性气体保护以及不同氧气含量等多种气体环境的构建。

本发明采用正反螺母对试件进行限位固定，结构实用可靠。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明拉伸组的结构件的剖视图；

图3是本发明扭转组件的剖视图；

图4是本发明氛围箱组件的轴测图；

图5是本发明氛围箱组件的剖视图；

图6是本发明夹具体的结构示意图；

图7是本发明使用状态示意图。

具体实施方式

参见图1，包括拉伸组件1，扭转组件2，氛围箱组件3和减震台组件4，其中氛围箱组件3固定连接在减震台组件4的减震台403上，两个扭转组件2分别位于氛围箱组件3两侧、且与减震台组件4的滑道402滑动连接，扭转组件2的夹具壳体212与氛围箱组件3的波纹管317相连，两个拉伸组件1的减速机安装板103、轴承支撑座104与减震台403相连，减震台组件4的限位连接柱401两端分别与两个拉伸组件1的减速机安装板103固定连接，两个拉伸组件1的螺母108与扭转组件2的螺母联接嵌体218固定连接。

参见图2，拉伸组件1包括拉伸伺服电机101、减速器102、减速机安装板103、轴承支撑座104、端盖105、密封圈106、刚性联轴器107、螺母108、丝杠109、传动轴110和导向轴承111，其中拉伸伺服电机101的电机轴与减速器102相连，减速器102通过螺钉固定在减速机安装板103上，减速器102的输出端与传动轴110一端相连，为了保证传动轴110的稳定性，传动轴110上装有两个导向轴承111，导向轴承111的外圈与轴承支撑座104相连，外侧的轴承通过端盖105进行限位，传动轴110的另一端通过刚性联轴器107与丝杠109相连，该组件的减速机安装板103、轴承支撑座104两个零件为固定零件，与减震台4相连，相对的两个拉伸组件通过限位连接柱401相连，从而保证整体结构的稳定性，同时也保证两个拉伸组件1的同轴度。

参见图3，扭转组件2包括上安装板201、扭转伺服电机202、扭转减速器203、扭转减速机固定板204、主动同步带轮205、主动轮限位套筒206、传动轴固定板207、扭转主动传动轴208、扭转主动传动轴端盖209、扭转从动传动轴端盖210、六维力传感器211、夹具安装壳体212、正牙螺母213、反牙螺母214、限位垫圈215、夹具安装端盖216，螺母安装端盖217、螺母联接嵌体218、扭转组件壳体219、角度传感器220、从动轮限位套筒221、从动同步带轮222、从动轴223、扭转从动轴端盖224、传感器连接块225和遮挡板226，其中扭转组件2整体受到拉伸组件1螺母109的推动而沿着滑道402前后运动，扭转伺服电机202的输出轴和扭转减速器203直接相连，扭转减速器203固定在扭转减速机固定板204上，扭转减速器203的输出轴与扭转主动传动轴208相连，为了保证扭转主动传动轴208的稳定性，扭转主动传动轴208的两端分别通过轴承与扭转减速机固定板204和传动轴固定板207相连，传动轴固定板207上通过螺钉固定扭转主动传动轴端盖209，从而实现扭转主动传动轴208的位置限制，扭转主动传动轴208上装有主动同步带轮205，主动同步带轮205通过同步带与扭转组件壳体219的从动同步带轮222相连，从而完成动力的传输，从动同步带轮222与从动轴223相连，从动轴223的两端通过轴承与扭转组件壳体219相连，从而保证结构的稳定性，其中一侧的轴承通过套筒221限位，另一侧的轴承通过扭转从动轴端盖224限位，从动轴223末端装有角度传感器220，检测遮挡板226与扭转组件壳体219内部固定连接，通过检测遮挡板226的遮挡来实现角度的监控，从动轴223的前端通过螺钉与传感器连接块225相连，传感器连接块225通过螺钉与六维力传感器211相连，传感器的另一端通过螺钉与夹具壳体212相连；正牙螺母、反牙螺母、限位垫圈放入夹具壳体内，夹具安装端盖与夹具壳体外端连接；

参见图4，图5，氛围箱组件3包括氛围箱上盖301、把手302、导向柱303、摄像观测组件304、摄像安装板305、导向柱安装块306、从动锥齿轮307、主动锥齿轮308、手轮安装座309、手轮310、氛围箱气体接头311、气管312、气阀313、外接气体接头314、调节旋钮315、氛围箱体316、波纹管317、真空保温层318、隔热层319和加热棒320，其中氛围箱体组件3的箱体316固定在减震台上，氛围箱上盖301通过螺钉与氛围箱体316相连并实现密封，把手302通过螺钉固定在氛围箱上盖301上，四根导向柱303通过滑套与摄像安装板305相连，实现摄像安装板305的导向和限位，导向柱303与氛围箱上盖301通过导向柱安装块306相连，手轮安装座309通过螺钉固定在氛围箱上盖301上，手轮310与主动锥齿轮308相连，通过转动手轮310即可带动主动锥齿轮308的转动，从而驱动从动锥齿轮307转动，从动锥齿轮307通过推力轴承与氛围箱上盖301相连，从动锥齿轮307的内圈加工有与摄像组件304相配合的螺纹；

氛围箱体316两侧与夹具相接的位置采用波纹管317，波纹管317通过螺钉与夹具体相连，从而保证箱体内部的密封性，防止气体和热量的外泄，与波纹管垂直的氛围箱体两个壁面上设有四个高低错落的气体管路接头311，用于实现气体的输入及排除，气管312连接气体管路接头311和气阀313，便于拆卸和清理，两个外接气体接头314与气阀313连接，使得氛围箱组件3内部同时接入不同的气体，同时如果通入单一气体，可以根据通入气体密度的不同由高位或低位接头通入气体，从而使内部气体排出速度更快更彻底，同时为避免特殊情况发生，每一个气路都有手动旋钮315控制气路进行急停，氛围箱体316采用固体隔温层319和真空隔温层318对温度进行隔离，加热棒320与氛围箱体316内部底面上方固定连接。

减震台组件4包括减震台403和固定相对两组拉伸组件的限位连接柱401、及辅助扭转组件移动的滑道402，限位连接柱401两端加工有螺纹，从而与减速机安装板103、轴承支撑座104通过螺母进行限位，加固整体结构，增强两个拉伸组件1的对中效果。

工作原理：

参见图6、7，为了保证夹具的稳定性，防止内部的测试原件5产生滑移，本发明采用正反牙螺母对测试原件5进行固定，测试原件5分别于正牙螺母213、反牙螺母214相连，同时将测试原件5连同两个螺母放入夹具壳体212内，限位垫圈215放置在测试原件5和夹具安装端盖216之间，从而便于限位和安装端盖的预紧力的施加，当测试原件5受到扭转力后两个螺母施加给测试原件5相反的作用力，从而使测试原件与连接件的连接更加紧密，抵抗转动运动趋势；

本发明通过控制拉伸伺服电机101的转动，通过减速器102的减速后实现对应的传动轴111的转动，从而带动丝杠109的旋转，从而实现螺母108的前后运动，同时螺母108通过螺纹连接在扭转组件2的螺母联接嵌体218上，螺母联接嵌体218的安装端采用螺母安装端盖217进行限位，从而实现两个组件的连接；

本发明的扭转组件2通过控制扭转伺服电机202的转动，通过减速机203的减速将转动传递到扭转主动传动轴208上，扭转主动传动轴208带动主动同步带轮205转动，通过同步带的传动将动力转到从动同步带轮222上，从而实现从动轴223的转动；

通过控制拉伸伺服电机101和扭转伺服电机202的旋转，从而实现夹具的前后移动和绕轴线旋转运动，从而实现对试件的拉伸和扭转两种形式的加载；

当扭转伺服电机202转动时，夹具连同测试原件5一同旋转，旋转角度由角度传感器220进行实时反馈，同时监控扭转组件2或螺母109的运动即可得到加载的拉伸长度，在加载的同时，试件所受的载荷可以通过六维力传感器211实时反馈；

本发明的氛围箱组件3旨在实现对时间加载的环境氛围进行限制和控制，具体方法为通过控制加热棒320的工作，为了避免温度溢出，箱体采用固体隔温层319和真空隔温层318对温度进行隔离，夹具体通过波纹管317与氛围箱组件3连接，保证了热量溢出，同时为了保证对镁合金试件的观测效果，本发明的观测摄像组件为可以根据试件情况上下调整，从而保证观测的准确性；

本发明的氛围箱组件3的箱体上装有四个气体接入接头311，接头分列两侧，在上下分置，从而便于分别通入高密度气体(如氧气和二氧化碳等)和低密度气体(如氦气等)，同时另一高度接头用于排出内部原有气体，同时四个接头可以连接抽气泵，从而仿真真空环境；操纵人员摇动手轮310带动主动锥齿轮308，从而带动从动锥齿轮307的转动，从动锥齿轮307内圈有与摄像组件304相配合的螺纹，从而实现摄像组件304的上下移动，同时螺纹本身也形成密封，从而防止内部气体环境改变；

综上所述，通过控制加热棒320和气体通入即可实现常温、高温的转换和不同气体环境的改变，通过手轮即可控制观测位置，从而实现镁合金试件所需的大部分环境仿真。

Claims (5)

1.一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，其特征在于：包括拉伸组件，扭转组件，氛围箱组件和减震台组件，其中氛围箱组件固定连接在减震台组件的减震台上，两个扭转组件分别位于氛围箱组件两侧、且与减震台组件的滑道滑动连接，扭转组件的夹具壳体与氛围箱组件的波纹管相连，两个拉伸组件的减速机安装板、轴承支撑座与减震台相连，减震台组件的限位连接柱两端分别与两个拉伸组件的减速机安装板固定连接，两个拉伸组件的螺母与扭转组件的螺母联接嵌体固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，其特征在于：所述拉伸组件包括拉伸伺服电机、减速器、减速机安装板、轴承支撑座、端盖、密封圈、刚性联轴器、螺母、丝杠、传动轴和导向轴承，其中拉伸伺服电机的电机轴与减速器相连，减速器通过螺钉固定在减速机安装板上，减速器的输出端与传动轴一端相连，传动轴上装有两个导向轴承，导向轴承的外圈与轴承支撑座相连，外侧的轴承通过端盖进行限位，传动轴的另一端通过刚性联轴器与丝杠相连。

3.根据权利要求1所述的一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，其特征在于：所述扭转组件包括上安装板、扭转伺服电机、扭转减速器、扭转减速机固定板、主动同步带轮、主动轮限位套筒、传动轴固定板、扭转主动传动轴、扭转主动传动轴端盖、扭转从动传动轴端盖、六维力传感器、夹具安装壳体、正牙螺母、反牙螺母、限位垫圈、夹具安装端盖，螺母安装端盖、螺母联接嵌体、扭转组件壳体、角度传感器、从动轮限位套筒、从动同步带轮、从动轴、扭转从动轴端盖、传感器连接块和遮挡板，其中扭转伺服电机的输出轴和扭转减速器直接相连，扭转减速器固定在扭转减速机固定板上，扭转减速器的输出轴与扭转主动传动轴相连，扭转主动传动轴的两端分别通过轴承与扭转减速机固定板和传动轴固定板相连，传动轴固定板上通过螺钉固定扭转主动传动轴端盖，扭转主动传动轴上装有主动同步带轮，主动同步带轮通过同步带与扭转组件壳体内的从动同步带轮相连，从动同步带轮与从动轴相连，从动轴的两端通过轴承与扭转组件壳体相连，其中一侧的轴承通过套筒限位，另一侧的轴承通过扭转从动轴端盖限位，从动轴末端装有角度传感器，检测遮挡板与扭转组件壳体内部固定连接，从动轴的前端通过螺钉与传感器连接块相连，传感器连接块通过螺钉与六维力传感器相连，传感器的另一端通过螺钉与夹具壳体相连，正牙螺母、反牙螺母、限位垫圈放入夹具壳体内，夹具安装端盖与夹具壳体外端连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，其特征在于：所述氛围箱组件包括氛围箱上盖、把手、导向柱、摄像观测组件、摄像安装板、导向柱安装块、从动锥齿轮、主动锥齿轮、手轮安装座、手轮、氛围箱气体接头、气管、气阀、外接气体接头、调节旋钮、氛围箱体、波纹管、真空保温层、隔热层和加热棒，其中氛围箱体组件的箱体固定在减震台上，氛围箱上盖通过螺钉与氛围箱体相连并实现密封，把手通过螺钉固定在氛围箱上盖上，四根导向柱通过滑套与摄像安装板相连，实现摄像安装板的导向和限位，导向柱与氛围箱上盖通过导向柱安装块相连，手轮安装座通过螺钉固定在氛围箱上盖上，手轮与主动锥齿轮相连，从动锥齿轮通过推力轴承与氛围箱上盖相连，从动锥齿轮的内圈加工有与摄像组件相配合的螺纹；氛围箱体两侧与夹具相接的位置采用波纹管，波纹管通过螺钉与夹具体相连，与波纹管垂直的氛围箱体两个壁面上设有四个高低错落的气体管路接头，气管连接气体管路接头和气阀，两个外接气体接头与气阀连接，每一个气路都有手动旋钮控制气路进行急停，氛围箱体采用固体隔温层和真空隔温层对温度进行隔离，加热棒与氛围箱体内部底面上方固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种复合环境镁合金拉伸扭转试验台，其特征在于：所述减震台组件包括减震台和固定相对两组拉伸组件的限位连接柱、及辅助扭转组件移动的滑道，限位连接柱两端加工有螺纹，与减速机安装板、轴承支撑座通过螺母进行限位，加固整体结构。

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