专利名称：一种塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速拉伸瞬时夹紧低波动率夹具，尤其是涉及一种塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具。
背景技术：
塑料材料的动态性能参数非常重要，尤其是在采用非线性有限单元分析工具进行新产品开发，因为不准确材料性质会导致不准确性能预测。与金属材料相比塑料材料在高速拉伸情况下失效应力小(< IOOMPa)，失效应变大(> 100% )，被测试样条尺寸更短更窄。需要考虑试验机拉伸时惯性影响和由于拉伸导致样条内部应力应变不均勻分配性等问题，同时怎样实现样条在动态高速情况下拉伸失效。目前，对塑料动态性能处理普遍采用利用空行程原理来实现样条在一定速度下被动态拉伸，获取塑料材料高速动态力学性能。现有技术中常用的一种用来实现塑料材料高速拉伸测试的试验机如图1所示，该试验机包括动夹头1、静夹头2以及设置于该动静夹头之间的 铃状固定样条3，该试验机的碰撞面为圆锥形碰撞面(圆锥角为50° )。这种方法虽然能获取塑料材料一些相关的力学性能，但无法全面获取塑料材料的动态力学相关性能，被测量样条尺寸限制在一定范围内，而且会导致因碰撞而产生系统震荡对样条应力应变场均勻性影响，致使获得最后相关参数不准确。现有技术中常用的另一种测试机如图2(a)和图2(b)所示，该试验机包括上夹头 10、下夹头20以及通过螺栓固定的压条30，该测试机的碰撞面为球形碰撞面。这种测试机虽然解决了因碰撞而产生系统震荡对样条应力应变场均勻性影响，但是被测试样条某些参数测量不方便，其次会产生应力波反射问题，而且被测试样条螺栓穿过处易产生应力集中， 破坏应力应变均勻性。样条夹持操作不便，表面易损坏。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种塑料材料高速动态瞬时夹紧低波动率夹具，能够有效实现测量塑料材料高速动态力学性能测试。解决上述技术问题所采用的技术方案为一种塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，包括用于夹持塑料材料的沿着拉伸方向上的中心轴彼此间隔设置的上夹头和下夹头；固定设置于所述上夹头顶部的力传感器；沿着所述中心轴延伸并固定设置于所述下夹头底部的碰撞杆，所述碰撞杆包括圆柱形的上杆和从所述上杆的底部轴向延伸且直径逐渐增大的圆台形的下杆；与所述碰撞杆在所述中心轴方向上相对运动的碰撞块，所述碰撞块具有容置部分所述碰撞杆的半封闭的空腔，所述空腔包括同轴设置的圆柱形的上部空腔、圆台形的中部空腔和圆柱形的下部空腔，其中，所述上部空腔的直径略大于碰撞杆的上杆的直径，所述中部空腔的形状与所述碰撞杆的下杆配合，而所述下部空腔的直径略大于碰撞杆的下杆的直径。[0009]所述上夹头和所述下夹头的结构相同，分别包括外部框架，轴向设置于所述外部框架内的彼此平行的两弹簧片和用于在径向上挤压夹紧所述两弹簧片的螺栓。所述碰撞杆的上杆通过螺纹与所述下夹头固定连接。所述碰撞杆的下杆的外轮廓线与所述中心轴之间的夹角< 15°。所述碰撞杆为空心杆结构。所述碰撞块采用分体式结构，包括通过螺栓连接的上碰撞块和下碰撞块，所述上碰撞块具有上部空腔和中部空腔，所述下碰撞块具有下部空腔。所述碰撞杆由质量小而刚性大的材料制成。所述材料为铝合金。所述碰撞块是刚性小的材料。所述材料为碳纤维。本实用新型提供的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具在有限空间尺寸限制下，采用空行程结构来实现动态拉伸效果，使得材料在一定速度和拉力下被测试，满足 JSA中关于塑料材料测试要求。通过采用锥形碰撞面与中心线夹角< 15°设计，减少由于碰撞引起的波动。通过采用分体式碰撞块结构，降低了试验的成本，方便零件的更换。通过提高整个夹具的轻量化设计，减少夹具的速度峰值和速度波动。通过采用组合式轻型夹头设计实现对样条夹紧。
图1为现有技术中已知的用来实现塑料材料高速拉伸测试的试验机的局部示意图；图2 (a)、(b)分别为现有技术中另一已知的用来实现塑料材料高速拉伸测试的试验机的局部示意图以及局部放大图；图3 (a)、(b)分别为本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具总体结构剖面图以及局部放大图；图4为本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的上、下夹头的立体示意图；图5为本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的碰撞杆的剖面图；图6为本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的碰撞块的剖面图；图7 (a)、(b)示出了本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的实验过程的剖面图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。如图3(a)和图3(b)所示，根据本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具包括沿着中心轴χ设置的力传感器400、上夹头100、下夹头200、碰撞杆500和碰撞块600。[0028]其中，所述上夹头I00和所述下夹头200用于夹持沿着所述中心轴χ延伸的塑料材料，并且在轴向上间隔开一定距离彼此独立。所述力传感器400固定连接于所述上夹头 100的顶部。所述碰撞杆500沿着所述中心轴X延伸并固定连接于所述下夹头200底部。所述碰撞杆500在所述碰撞块400内的半封闭的空腔内在所述中心轴χ方向上可相互移动。其中，所述上夹头100的结构优选为与下夹头200的结构彼此相同。以上夹头100 为例，具体如图4所示，包括外部框架101，轴向设置于该外部框架101内的彼此平行的弹性片102和103，以及用于在径向上挤压夹紧两弹性片的螺栓104。当样条被固定于两弹性片102和103之间时，依靠螺栓104的扭力和各弹性片的弹力实现对样条的夹紧。因此对样条表面无损坏，不会影响样条应力应变均勻性。其中，沿着所述中心轴χ延伸并固定连接于所述下夹头200底部的所述碰撞杆500 如图5所示(参阅图3)，包括圆柱形的上杆501和从所述上杆501的底部511轴向延伸且直径逐渐增大的圆台形(又称喇叭形)的下杆502，即下杆502的喇叭口 512的直径大于上杆501的直径。根据本实用新型的一个优选实施例，该碰撞杆500的上杆501与下夹头200通过螺纹固定连接。下杆502示出为圆台形，其外轮廓线(即碰撞面)与中心轴χ之间的夹角 <15°并>0°，使得速度波动、速度峰值、达到目标速度时间和屈服段力-位移曲线吻合度达到最优化，满足速度稳定性要求。根据本实用新型的一个优选实施例，该碰撞杆500示出为空心杆结构，如图5所示，使得整体优化组合使得拉杆质量轻巧，更进一步减少夹具速度峰值和波动。根据本实用新型的一个优选实施例，该碰撞杆500由质量小而刚性大的材料制成，例如铝合金，使得相对于碰撞块材料一定时，有利于降低夹具的速度峰值，减少速度波动。如图6所示(参阅图5)，所述碰撞块600内设有半封闭的空腔610，该空腔610包括圆柱形的上部空腔611、圆台形的中部空腔612和圆柱形的下部空腔613。其中，所述上部空腔611的直径略大于碰撞杆500的上杆501的直径，即上部空腔611与上杆501间隙配合。所述中部空腔612的尺寸与下杆502的外轮廓线间隙配合。所述下部空腔的直径略大于碰撞杆500的下杆502的喇叭口 512的直径。根据本实用新型的一个优选实施例，该碰撞块600采用分体式结构，如图6所示， 包括上碰撞块601和下碰撞块602，两碰撞块601和602通过螺栓连接。该上碰撞块601内具有上述上部空腔611和中部空腔612，而下碰撞块602内具有下部空腔613。该分体式的结构方便更换，降低了试验成本。由于其碰撞面是锥形接触面，有效减少了碰撞后的速度波动，满足SAE J24797. 1中关于塑料材料拉伸试验速度波动不得超过15%的要求。根据本实用新型的一个优选实施例，碰撞块600采用刚性小的材料，例如碳纤维， 相对于碰撞杆材料一定时，有利于延迟夹头达到设定速度的时间，降低速度峰值，减少碰撞时波动，符合力-位移吻合。根据本实用新型的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具的实验过程如图7 所示。其中，图7(a)示出的是拉伸前的状态，上夹头100和下夹头200由于其所夹持的塑料材料的静态长度而位置固定，另外，由于碰撞杆500与下夹头200固定连接，因此，碰撞杆 500位置固定。在碰撞块600的下部与直线电机(图未示)相连，使得碰撞块600可在电机的作用下沿着中心轴χ向下运动。图7(b)示出的是拉伸后的状态，由于碰撞块600向下运动，碰撞杆500在碰撞块600内的下部空腔613内移动，随即移动至下杆502与中部空腔 612间隙配合，由于下杆502的喇叭口 512的截面直径大于上部空腔611的直径，使得碰撞杆500的圆台形下杆502不能从上部空腔611中逃逸出，使得下杆502的外轮廓线(碰撞面)与上碰撞块601发生碰撞，最终通过位于上夹头100顶部的力传感器400进行测定。
权利要求1.一种塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，包括用于夹持塑料材料的沿着拉伸方向上的中心轴彼此间隔设置的上夹头和下夹头；固定设置于所述上夹头顶部的力传感器；沿着所述中心轴延伸并固定设置于所述下夹头底部的碰撞杆，所述碰撞杆包括圆柱形的上杆和从所述上杆的底部轴向延伸且直径逐渐增大的圆台形的下杆；与所述碰撞杆在所述中心轴方向上相对运动的碰撞块，所述碰撞块具有容置部分所述碰撞杆的半封闭的空腔，所述空腔包括同轴设置的圆柱形的上部空腔、圆台形的中部空腔和圆柱形的下部空腔，其中，所述上部空腔的直径略大于碰撞杆的上杆的直径，所述中部空腔的形状与所述碰撞杆的下杆配合，而所述下部空腔的直径略大于碰撞杆的下杆的直径。
2.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述上夹头和所述下夹头的结构相同，分别包括外部框架，轴向设置于所述外部框架内的彼此平行的两弹簧片和用于在径向上挤压夹紧所述两弹簧片的螺栓。
3.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞杆的上杆通过螺纹与所述下夹头固定连接。
4.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞杆的下杆的外轮廓线与所述中心轴之间的夹角< 15°。
5.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞杆为空心杆结构。
6.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞块采用分体式结构，包括通过螺栓连接的上碰撞块和下碰撞块，所述上碰撞块具有上部空腔和中部空腔，所述下碰撞块具有下部空腔。
7.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞杆的材料为铝合金。
8.如权利要求1所述的塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，其特征在于，所述碰撞块的材料为碳纤维。
专利摘要本实用新型提供一种塑料材料高速拉伸瞬时夹紧低波动率的夹具，包括夹持塑料材料的沿着拉伸方向上的中心轴彼此间隔开设置的上夹头和下夹头；同轴固定设于上夹头顶部的力传感器；同轴固定设于下夹头底部的碰撞杆，包括上杆和从上杆的底部轴向延伸且直径逐渐增大的下杆；轴向上与碰撞杆相对运动的碰撞块，具有容置部分碰撞杆的半封闭的空腔，空腔包括上部空腔、中部空腔和下部空腔，上部空腔的直径略大于碰撞杆的上杆的直径，中部空腔的形状与碰撞杆的下杆配合，而下部空腔的直径略大于碰撞杆的下杆的直径。其优点在于利用碰撞杆与碰撞块之间的空行程来实现材料在一定速度和力作用下被测试，从而得到材料的相关的动态力学性能。
文档编号G01N3/04GK202204727SQ20112020274
公开日2012年4月25日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者徐新虎, 李桂琴, 蔡欣, 贺懿, 郭庆 申请人:上海大学, 延锋伟世通汽车饰件系统有限公司