CN115791403B - 一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，其解决了现有压头不能进行微调，致使模具加工和安装误差导致压头表面与试样表面无法保证平行的技术问题，压头加载装置从左到右设有压头安装座、压头微调装置、压头支撑旋转装置、压头装置；压头装置设有压头容置座、压头，压头安装在压头容置座的右侧；压头装置分别通过压头微调装置、压头支撑旋转装置与压头安装座的压头容置座相连接，可广泛应用于薄板力学性能测试技术领域。

Description

一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置

技术领域

本申请涉及薄板力学性能测试技术领域，特别涉及一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置。

背景技术

微机电系统(MEMS)因其具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点在电子、医学、工业、汽车和航空航天系统有着广泛的应用前景。随着MEMS技术的不断发展对金属薄板零件的需求不断增加，如何高质量制造金属薄板微型零件是促进MEMS技术发展的关键之一。塑性微成形技术是制造金属薄板微型零件的一种微细加工技术，具有零件性能好、精度高、成本低、装置结构简单，适宜批量化生产等优点，是解决金属薄板微型零件可控制造的关键。然而，随着拉伸试样厚度的减薄，比表面积显著增加，材料的塑性明显变差，出现了明显的尺度效应现象，严重限制了金属薄板塑性微成形技术在制造金属薄板零件中的应用。通过研究发现，对金属薄板施加法向压力能够提高金属薄板内部的静水压力，降低局部应力集中现象，抑制裂纹萌生和扩展，延迟颈缩过程，从而能够提高金属薄板成形性。因此，通过对金属薄板施加法向压力进而提高成形性的工艺得到了发展。

目前在金属薄板塑性微成形技术中，关于法向加载下薄板微拉伸力学性能的研究正在成为研究的热点，尤其是尺度效应影响的薄板材料力学性能方面。公开号为CN114323949A的中国发明公开了一种法向加载薄板微拉伸试验装置，通过螺杆机械施压方式，灵活改变法向压力大小；利用氮气第一微型弹簧的活塞杆小量伸缩对其压力影响较小的特点，有效避免因拉伸试样变形导致厚度减小而引起的法向压力降低等问题，保障法向加载试验测试的准确性和稳定性；不仅可以测试法向加载下薄板的拉伸力学性能，同时可以测定薄板塑性变形过程中的摩擦行为，还可以通过压头实现不同界面条件小薄板塑性变形过程中的摩擦行为测定。但是，该试验装置主要存在的问题是，压头是固定的，不能进行微调，这导致在模具加工和安装过程中，由于加工和安装误差导致压头表面与试样表面无法保证平行，法向压力方向与试样表面不垂直，导致压力不均匀，导致试样表面压力不均匀，严重的会出现试样扭曲变形的现象发生，从而影响实验结果。该技术问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，使压头可调节，减少加工和安装误差，确保压头表面与试样表面平行。

为此，本发明提供一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，压头加载装置从左到右设有压头安装座、压头微调装置、压头支撑旋转装置、压头装置；压头装置设有压头容置座、压头，压头安装在压头容置座的右侧；压头装置分别通过压头微调装置、压头支撑旋转装置与压头安装座的压头容置座相连接。

优选的，压头装置设有压头容置座、压头，压头安装在压头容置座的右侧。

优选的，压头微调装置设有第一杆体、调整螺母、第一微型弹簧、第二杆体，第一杆体设有外螺纹，第一杆体的左端与压头安装座相连接，第一杆体的右端通过外螺纹与调整螺母的左侧螺纹连接；第二杆体的杆体上连接设有阻挡部，位于阻挡部左侧的第二杆体插入调整螺母的右侧内，且与第一杆体的右端正对相隔设置；第一微型弹簧的左端插入调整螺母的右侧内，且与第一杆体的右端相连接，第一微型弹簧的右端套设在位于阻挡部左侧的第二杆体上，且与阻挡部相连接，第一微型弹簧处于拉伸状态；位于阻挡部右侧的第二杆体与压头装置的压头容置座通过第一球形转轴转动连接；调整螺母的右侧抵靠在阻挡部的左侧，通过旋转调整螺母，实现压头装置的微调。

优选的，压头支撑旋转装置设有支撑杆体、支撑块，支撑杆体的左端与压头安装座相连接，支撑杆体的右端与支撑块通过第二球形转轴转动连接，支撑块安装设有压头装置。

优选的，压头支撑旋转装置的数量为1个，其四周布设有4个相同的压头微调装置，4个压头微调装置与压头支撑旋转装置的支撑杆体相互之间平行设置，且压头微调装置的第一杆体与压头安装座相垂直，4个压头微调装置的第一球形转轴的连线形成矩形，矩形两条对角线的连线的交点设置有第二球形转轴。

优选的，压头装置还设有电信号接收器、压电陶瓷传感器，压头容置座的右侧连接设有压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器通过线缆与电信号接收器电连接，压电陶瓷传感器的右侧安装设有压头。

优选的，压电陶瓷传感器由多个压电陶瓷片构成，每个压电陶瓷片分别通过线缆与电信号接收器电连接；压电陶瓷片阵列式连接设置在压头的左侧，压头为橡胶板。

优选的，压头装置还设有连接板，压头容置座的右侧开设有压头容腔，压电陶瓷传感器通过连接板安装在压头容腔内，电信号接收器安装在连接板上；连接板开设有安装腔，安装腔内安装设有电信号接收器，压头露出压头容腔的开口边沿并向外延伸。

优选的，压头装置还设有压头支撑固定装置，压头支撑固定装置设有橡胶限位柱、限位块、第二微型弹簧、弹簧限位杆，橡胶限位柱和限位块的数量分别设置为多个，橡胶限位柱连接设置在压头容腔的底部，连接板的四周边缘处固定设置有橡胶限位柱；相邻两个橡胶限位柱的外侧连接设有一个限位块；弹簧限位杆的数量设置为多个，每个弹簧限位杆的一端与压头容腔的侧壁相连接，每个弹簧限位杆的另一端与限位块的外侧相隔正对设置，每个弹簧限位杆套设有一个第二微型弹簧，第二微型弹簧的一端与压头容腔的侧壁相连接，第二微型弹簧的另一端与限位块的外侧相连接，且第二微型弹簧处于压缩状态，将弹簧弹力通过限位块施加在与所属限位块相连接的橡胶限位柱上。

本发明的有益效果是：本发明提供一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，压头加载装置从左到右设有压头安装座、压头微调装置、压头支撑旋转装置、压头装置；压头装置分别通过压头微调装置、压头支撑旋转装置与压头安装座相连接。在压头微调装置的作用下，压头安装座绕着压头支撑旋转装置细微旋转，实现压头朝向的细微调整，最大限度的减少模具加工和安装过程的误差，保证压头表面与试样表面相互平行，提高压力数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为压头加载装置的结构示意图；

图2为图1所示的去除的压头安装座的另一个视角的结构示意图；

图3为图1所示的压头微调装置的局部剖视图的结构示意图；

图4为安装有压头支撑旋转装置的压头装置的爆炸图的结构示意图；

图5为压头容置座、压头支撑固定装置的结构示意图；

图6为压头支撑旋转装置、压头装置的局部剖视图的结构示意图；

图7为压电陶瓷传感器、压头的结构示意图；

图8为图7所示的另一个视角的结构示意图。

图中标记：1.压头安装座，2.压头微调装置，3.压头支撑旋转装置，4.压头装置，21.第一杆体，22.调整螺母，23.第一微型弹簧，24.第二杆体，25.阻挡部，26.第一球形转轴，31.支撑杆体，32.支撑块，33.第二球形转轴，41.压头容置座，42.压头，43.电信号接收器，44.压电陶瓷传感器，45.线缆，46.连接板，47.压头支撑固定装置，411.压头容腔，441.压电陶瓷片，461.安装腔，471.橡胶限位柱，472.限位块，473.第二微型弹簧，474.弹簧限位杆。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的方法；所使用的原料和装置，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

由图1所示，本发明提供一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，压头加载装置从左到右设有压头安装座1、压头微调装置2、压头支撑旋转装置3、压头装置4。由图1-图4所示，压头装置4设有压头容置座41、压头42，压头42安装在压头容置座41的右侧；压头装置4分别通过压头微调装置2、压头支撑旋转装置3与压头安装座1的压头容置座41相连接。在压头微调装置2的作用下，压头安装座1的压头容置座41绕着压头支撑旋转装置3细微旋转，实现压头42朝向的细微调整，最大限度的减少模具加工和安装过程的误差，保证压头42表面与试样表面相互平行，提高压力数据的准确性。

作为优选的实施例，由图3所示，压头微调装置2设有第一杆体21、调整螺母22、第一微型弹簧23、第二杆体24，第一杆体21设有外螺纹，第一杆体21的左端与压头安装座1相连接，第一杆体21的右端通过外螺纹与调整螺母22的左侧螺纹连接；第二杆体24的杆体上连接设有阻挡部25，位于阻挡部25左侧的第二杆体24插入调整螺母22的右侧内，且与第一杆体21的右端正对相隔设置；第一微型弹簧23的左端插入调整螺母22的右侧内，且与第一杆体21的右端相连接，第一微型弹簧23的右端套设在位于阻挡部25左侧的第二杆体24上，且与阻挡部25相连接，第一微型弹簧23处于拉伸状态；位于阻挡部25右侧的第二杆体24与压头装置4的压头容置座41通过第一球形转轴26转动连接；调整螺母22的右侧抵靠在阻挡部25的左侧，通过旋转调整螺母22，使第二杆体24向左或者向右移动，进而推动压头容置座41绕着第一球形转轴26转动，实现压头装置4的微调。在整个过程中，第一微型弹簧23处于拉伸状态的弹簧弹力的作用下，调整螺母22的右侧始终抵靠在阻挡部25的左侧，且在调整螺母22内，第一杆体21和第二杆体24始终正对间隔设置。

作为优选的实施例，由图1、图2、图6所示，压头支撑旋转装置3设有支撑杆体31和支撑块32，支撑杆体31的左端与压头安装座1相连接，支撑杆体31的右端与支撑块32通过第二球形转轴33转动连接，支撑块32安装设有压头装置4。使压头安装座1在绕着第一球形转轴26转动的同时，也绕着第二球形转轴33转动，进一步增加压头装置4微调的稳定可靠性。

作为进一步优选的实施例，由图1、图2、图6所示，压头支撑旋转装置3的数量为1个，其四周布设有4个相同的压头微调装置2，4个压头微调装置2与压头支撑旋转装置3的支撑杆体31相互之间平行设置，且压头微调装置2的第一杆体21与压头安装座1相垂直，4个压头微调装置2的第一球形转轴26的连线形成矩形，矩形两条对角线的连线的交点设置有第二球形转轴33。

该压头微调装置2有两种微调方式，一种微调方式是同时对上述矩形处于对角位置设置的两个压头微调装置2的调整螺母22进行操作，其中的一个调整螺母22向一个方向旋转，同时另一个的调整螺母22以同样的速度向相反的方向旋转，此时压头安装座1以第二球形转轴33为支点进行旋转，与一个压头微调装置2的相连接的压头安装座1的一端即矩形的一个角缓慢上升，其对角位置的另一个压头微调装置2相连接的压头安装座1的一端即该矩形的另一个角缓慢下降，最终实现压头42的两个对角朝向的细微调整。另一种微调方式是对上述矩形处于一对相邻位置设置的两个压头微调装置2、及另一对相邻位置设置的两个压头微调装置2的调整螺母22进行操作，其中的一对相邻位置设置的两个压头微调装置2的调整螺母22同时向一个方向旋转，另一对相邻位置设置的两个压头微调装置2的调整螺母22同时以同样的速度向相反的方向旋转，此时压头安装座1以第二球形转轴33为支点进行旋转，与一对相邻位置设置的两个压头微调装置2相连接的压头安装座1的一端即矩形的一条边缓慢上升，另一对相邻位置设置的两个压头微调装置2相连接的压头安装座1的一端即该矩形的另一条边缓慢下降，最终实现压头42的两条对边朝向的细微调整(跷跷板原理)。

作为优选的实施例，由图4、图6所示，压头装置4还设有电信号接收器43、压电陶瓷传感器44，压头容置座41的右侧连接设有压电陶瓷传感器44，压电陶瓷传感器44通过线缆45与电信号接收器43电连接，压电陶瓷传感器44的右侧安装设有压头42。压电陶瓷传感器44感应来自压头42的压力，并将压力转化为电信号通过线缆45传送至电信号接收器43，通常电信号接收器43与外部的压力显示器通过无线或有线相连。

现有技术压力传感器只能测量压头42与试样接触面的整体的压力，无法测量试样表面受到的真实压力，在压力不均时，试样表面各部分的压力差会导致实验结果的不准确。作为进一步优选的实施例，由图4、图6所示，压电陶瓷传感器44由多个压电陶瓷片441构成，每个压电陶瓷片441分别通过线缆45与电信号接收器43电连接；压电陶瓷片441阵列式连接设置在压头42的左侧，压头42为橡胶板，完全将压电陶瓷片441覆盖包裹，用于保护压电陶瓷传感器44不被高压和粗糙的试样表面破坏。阵列式的压电陶瓷片441相互独立，最好紧密的粘接在一起，中间不留缝隙。多个独立的压电陶瓷片441组装的压电陶瓷传感器44，橡胶板具有弹性，将来自试样各区域的压力分别传递至压电陶瓷片441上，使压电陶瓷传感器44能够分别测量试样表面多个区域的真实压力，通过外部的压力显示器能够清楚的反映各个区域的压力值，进而显示压力分布情况。压头42最好采用超薄橡胶板，通常厚度为0.5～1mm，使压力更容易传递至压电陶瓷片441上。

通过压头微调装置2和压头支撑旋转装置3组合使用，可以进一步保证压头42平面和试样表面的平行、以及法向压力与试样表面的垂直。可进一步结合压电陶瓷片441能够显示试样表面多块区域的压力分布，能够综合判断两个正对设置的压头42表面与试样表面是否平行，根据实际情况，进而通过转动压头微调装置2的调整螺母22来调节压头42平面的朝向，使得两个正对设置的压头42平面与试样表面垂直，使得法向压力方向与试样表面垂直，进而保证在加压过程中，最终实现试样表面受到均匀的法向压力，保证试样沿法向压力方向不发生扭曲。

作为更进一步优选的实施例，由图4、图6所示，为了便于压电陶瓷传感器44和电信号接收器43安装和保护，压头装置4还设有连接板46，压头容置座41的右侧开设有压头容腔411，压电陶瓷传感器44通过连接板46安装在压头容腔411内，电信号接收器43安装在连接板46上；连接板46开设有安装腔461，安装腔461内安装设有电信号接收器43，压头42露出压头容腔411的开口边沿并向外延伸。

作为优选的实施例，由图5所示，压头装置4还设有压头支撑固定装置47，压头支撑固定装置47设有橡胶限位柱471、限位块472、第二微型弹簧473、弹簧限位杆474，橡胶限位柱471和限位块472的数量分别设置为多个，橡胶限位柱471连接设置在压头容腔411的底部，连接板46的四周边缘处固定设置有橡胶限位柱471，在连接板46的四周边缘处的多个橡胶限位柱471协同作用下，将连接板46可拆卸的安装其内；相邻两个橡胶限位柱471的外侧连接设有一个限位块472；弹簧限位杆474的数量设置为多个，每个弹簧限位杆474的一端与压头容腔411的侧壁相连接，每个弹簧限位杆474的另一端与限位块472的外侧相隔正对设置，每个弹簧限位杆474套设有一个第二微型弹簧473，第二微型弹簧473的一端与压头容腔411的侧壁相连接，第二微型弹簧473的另一端与限位块472的外侧相连接，且第二微型弹簧473处于压缩状态，将弹簧弹力通过限位块472施加在与该限位块472相连接的橡胶限位柱471上，橡胶限位柱471具有橡胶弹性，在弹簧弹力的作用下，通过限位块472、橡胶限位柱471从四周向连接板46施加预紧力，使连接板46安装其内，同时当压电陶瓷片441承受压力发生弹性变形时能够承受一定的变形，从而能够保护压电陶瓷传感器44，避免其无法变形而损坏。

本发明的有益效果是：本发明提供一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，压头加载装置从左到右设有压头安装座1、压头微调装置2、压头支撑旋转装置3、压头装置4；压头装置4分别通过压头微调装置2、压头支撑旋转装置3与压头安装座1相连接。在压头微调装置2的作用下，压头安装座1绕着压头支撑旋转装置3细微旋转，实现压头42朝向的细微调整，最大限度的减少模具加工和安装过程的误差，保证压头42表面与试样表面相互平行，提高压力数据的准确性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“背”、“中间”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，在上述的实施方式中，所述的“第一”、“第二”和“第三”并不代表结构和/或功能上的绝对区分关系，也不代表先后的执行顺序，而仅仅是为了描述的方便。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，其特征在于，所述压头加载装置从左到右设有压头安装座（1）、压头微调装置（2）、压头支撑旋转装置（3）、压头装置（4）；所述压头装置（4）设有压头容置座（41）、压头（42），所述压头（42）安装在所述压头容置座（41）的右侧；所述压头装置（4）分别通过所述压头微调装置（2）、所述压头支撑旋转装置（3）与所述压头安装座（1）的压头容置座（41）相连接；

所述压头装置（4）还设有电信号接收器（43）、压电陶瓷传感器（44），所述压头容置座（41）的右侧连接设有所述压电陶瓷传感器（44），所述压电陶瓷传感器（44）通过线缆（45）与所述电信号接收器（43）电连接，所述压电陶瓷传感器（44）的右侧安装设有压头（42）；

所述压电陶瓷传感器（44）由多个压电陶瓷片（441）构成，每个所述压电陶瓷片（441）分别通过线缆（45）与所述电信号接收器（43）电连接；所述压电陶瓷片（441）阵列式连接设置在所述压头（42）的左侧，所述压头（42）为橡胶板；

所述压头装置（4）还设有连接板（46），所述压头容置座（41）的右侧开设有压头容腔（411），所述压电陶瓷传感器（44）通过连接板（46）安装在所述压头容腔（411）内，所述电信号接收器（43）安装在所述连接板（46）上；所述连接板（46）开设有安装腔（461），所述安装腔（461）内安装设有所述电信号接收器（43），所述压头（42）露出所述压头容腔（411）的开口边沿并向外延伸；

所述压头装置（4）还设有压头支撑固定装置（47），所述压头支撑固定装置（47）设有橡胶限位柱（471）、限位块（472）、第二微型弹簧（473）、弹簧限位杆（474），所述橡胶限位柱（471）和限位块（472）的数量分别设置为多个，所述橡胶限位柱（471）连接设置在所述压头容腔（411）的底部，所述连接板（46）的四周边缘处固定设置有所述橡胶限位柱（471）；相邻两个所述橡胶限位柱（471）的外侧连接设有一个所述限位块（472）；所述弹簧限位杆（474）的数量设置为多个，每个所述弹簧限位杆（474）的一端与所述压头容腔（411）的侧壁相连接，每个所述弹簧限位杆（474）的另一端与所述限位块（472）的外侧相隔正对设置，每个所述弹簧限位杆（474）套设有一个所述第二微型弹簧（473），所述第二微型弹簧（473）的一端与所述压头容腔（411）的侧壁相连接，所述第二微型弹簧（473）的另一端与所述限位块（472）的外侧相连接，且所述第二微型弹簧（473）处于压缩状态，将弹簧弹力通过所述限位块（472）施加在与所述限位块（472）相连接的所述橡胶限位柱（471）上。

2.根据权利要求1所述的一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，其特征在于，所述压头微调装置（2）设有第一杆体（21）、调整螺母（22）、第一微型弹簧（23）、第二杆体（24），所述第一杆体（21）设有外螺纹，所述第一杆体（21）的左端与所述压头安装座（1）相连接，所述第一杆体（21）的右端通过所述外螺纹与所述调整螺母（22）的左侧螺纹连接；所述第二杆体（24）的杆体上连接设有阻挡部（25），位于所述阻挡部（25）左侧的所述第二杆体（24）插入所述调整螺母（22）的右侧内，且与所述第一杆体（21）的右端正对相隔设置；所述第一微型弹簧（23）的左端插入所述调整螺母（22）的右侧内，且与所述第一杆体（21）的右端相连接，所述第一微型弹簧（23）的右端套设在位于所述阻挡部（25）左侧的所述第二杆体（24）上，且与所述阻挡部（25）相连接，所述第一微型弹簧（23）处于拉伸状态；位于所述阻挡部（25）右侧的所述第二杆体（24）与所述压头装置（4）的压头容置座（41）通过第一球形转轴（26）转动连接；所述调整螺母（22）的右侧抵靠在所述阻挡部（25）的左侧，通过旋转所述调整螺母（22），实现所述压头装置（4）的微调。

3.根据权利要求2所述的一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，其特征在于，压头支撑旋转装置（3）设有支撑杆体（31）和支撑块（32），所述支撑杆体（31）的左端与所述压头安装座（1）相连接，所述支撑杆体（31）的右端与所述支撑块（32）通过第二球形转轴（33）转动连接，所述支撑块（32）安装设有所述压头装置（4）。

4.根据权利要求3所述的一种用于法向加载薄板微拉伸试验装置的压头加载装置，其特征在于，压头支撑旋转装置（3）的数量为1个，其四周布设有4个相同的所述压头微调装置（2），4个所述压头微调装置（2）与所述压头支撑旋转装置（3）的支撑杆体（31）相互之间平行设置，且所述压头微调装置（2）的所述第一杆体（21）与所述压头安装座（1）相垂直，4个所述压头微调装置（2）的第一球形转轴（26）的连线形成矩形，所述矩形两条对角线的连线的交点设置有所述第二球形转轴（33）。