一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具的制作方法

专利名称：一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料热成形领域，具体是一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具。
背景技术：
薄壁管是指管材的直径与壁厚的比值大于20，薄壁管由于其壁厚薄其数控冷弯成形弯曲力矩大，易出现起皱、管外侧过度减薄、破裂等加工缺陷，尤其是在小弯曲半径下更难成形合格产品。热弯条件下管材变形抗力减小、塑性流动性增加，可有效解决上述难题。 为了制定合理的数控热弯工艺参数以及实现准确的数值建模分析，需要在高温下对薄壁管弧形试样进行拉伸试验以获得相应温度下管材的材料性能参数。目前无论厚壁管材或薄壁管材，其高温拉伸试验所用的试样仍旧是采用传统的热拉伸弧形试样，传统的热拉伸弧形试样是按照中华人民共和国国家标准《金属材料高温拉伸试验》GB/T. 4338-1995设计的热拉伸弧形试样，标距段宽度大于承力孔直径，同时标距段过渡到凸台采用的是过渡直角， 传统的热拉伸弧形试样主要针对厚壁管材，对于薄壁管材，由于管材壁厚薄易在标距段过渡到凸台的直角过度区域和承力孔附近出现应力集中而导致标距段异常断裂、承力孔失稳起皱，其试验结果不能准确表征试样材料的高温力学性能；标准的用于高温拉伸试验的夹具过于简单且不能够定位准确和夹持不紧。薄壁管材是指管材直径与壁厚的比值大于20， 若将传统热拉伸弧形试样应用与薄壁管材，由于标距段宽度大于承力孔的直径，导致高拉伸试验过程中承力孔外边缘处容易产生应力集中而失稳起皱；传统的热拉伸试样标距段过渡到凸台采用过渡直角，高温拉伸过程中，薄壁的试样此处的过渡直角更易产生应力集中发生异常断裂。对于传统的高温拉伸试验夹具，由于其不具有夹持作用，夹持力不够易出现打滑，并且传统的高温拉伸试验夹具定位不准确是其固有缺陷，而专利《一种测试薄壁管材高温拉伸性能的夹具》(专利公告号CN 201222026Y)主要针对小直径薄壁管全管段试样的高温拉伸试验，而不适合于夹持大直径薄壁管高温拉伸弧形试样；专利《一种拉伸试验夹具》(专利公告号CN 201069347U)由于发明的夹具直接与拉伸试验机夹持装置进行装配，无法安装加热炉，故难以用于高温拉伸试验；专利《一种万能试验机管材拉伸试验夹具》 (专利公告号CN 201222026Y)主要是针对冷拉伸试验的夹具，不能用于高温拉伸试验。因此，基于以上问题，需要对高温拉伸试样进行有效改进，对高温拉伸夹具进行合理设计，以使薄壁管弧形试样在高温拉伸中无应力集中、变形均勻且过程稳定。

发明内容
为了克服现有技术中热拉伸弧形试样存在的在高温拉伸过程中易产生标距段过渡到凸台的过渡直角应力集中而发生异常断裂、承力孔受力过大而使承力孔外边缘失稳起皱和标距段变形不均勻不稳定的缺陷；同时为了克服由于夹持试样不紧固、夹持定位不准确造成的试验数据不准确。基于以上问题本发明提出了一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具。
本发明的中部为标距段，在试样中部标距段的两端分别有两个凸台；并且各端的两个凸台分别位于试样宽度的两侧边上，试样的两端分别有承力孔；所述承力孔的中心位于试样长度方向的中心线上。其特征在于，所述的标距段的宽度与位于试样两端的承力孔的直径相同。凸台与标距段之间通过过渡圆弧过渡，所述的过渡圆弧的半径为改进前的同规格试样的标距段宽度与承力孔直径的差值的1/2。所述薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具包括固定架、两个滑块、凸模、凹模和四个挡块；两个滑块位于固定架的卡槽内，并分别与所述卡槽的内壁贴合；凸模和凹模均位于两个滑块之间，分别嵌入滑块上的内凹槽中。凸模的凸面与凹模的凹面配合，并通过四个挡块将两个滑块固定在固定架上。通过销轴将试样、凸凹模具和两滑块定位连接。所述固定架一端与拉伸试验机固连；固定架的另一端中心有用于安装滑块和模具的卡槽。卡槽两侧内壁表面与固定架的轴线之间的夹角均为9°。所述滑块斜面的斜角为9° ；在滑块的中心，有销轴的安装孔。凹模的凹面的曲率与试样外圆表面的曲率相同。凸模的凸面的曲率与试样内圆表面的曲率相同。在凹模和凸模的中心有销轴的安装孔。并且该销轴安装孔的位置与滑块上的销轴安装孔的位置对应。传统的热拉伸试样标距段宽度大于承力孔的直径，高温拉伸过程中不易变形且承力孔由于受力过大而发生失稳起皱，同时标距段与凸台之间的采用的过渡直角易于产生应力集中而发生异常断裂。改进后的薄壁管高温拉伸弧形试样的标距段的宽度减小到与承力孔直径相同，在高温拉伸过程中试样的标距段变形所用的力减小，使得标距段更容易变形， 同时减小了承力孔的受力而使承力孔失稳起皱的趋势减小；改进后的薄壁管高温拉伸弧形试样的标距段过渡到凸台的过渡形式采用过渡圆弧，对薄壁管高温拉伸弧形试样进行高温拉伸时，所述的过渡圆弧不会产生过大的应力集中，避免因应力集中而使试样在高温拉伸过程中异常断裂。本发明提出的具有互锁结构的用于高温拉伸试验的夹具利用互锁原理， 当两滑块在固定架的卡槽内沿着轴线方向向卡槽口运动的同时，两滑块的斜壁与V形状的卡槽内壁相互配合而使两滑块不断夹紧，由于两滑块内凹槽嵌入有模具，模具上装有试样， 夹紧的两滑块最终作用的效果是使模具夹紧试样避免松动。改进后的薄壁管高温拉伸弧形试样与本发明设计的具有互锁结构的夹具相互配合，最终实现薄壁管高温拉伸弧形试样在高温拉伸试验中定位准确、标距段变形均勻稳定和承力孔不发生失稳起皱，从而使测得的试验数据准确表征试样材料的性能参数。


图1热拉伸弧形试样主视图；图2薄壁管高温拉伸弧形试样主视图；图3薄壁管高温拉伸弧形试样三维图；图4夹具三维爆炸5夹具的结构示意图；图6固定架的结构示意图；图7滑块和模具三维图。其中1.凸台2.标距段3.过渡圆弧 4.承力孔5.固定架
6.V形槽 7.V形槽内壁 8.滑块9.滑块内凹槽 10.凸模11.凸模表面12.凹模表面 13.凹模14.滑块外侧表面15.轴销 16.挡块
具体实施例方式本实施例是一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样。当管材规格达到D/ t > 20，即管材直径/壁厚大于20，这样规格的管材是薄壁管。本实施例采用规格为 Φ76. 2X1. 0668mm(直径X壁厚)薄壁不锈钢管制成，其中D/t = 71. 43大于20，属于薄壁管。所述的试样包括薄壁管高温拉伸弧形试样的标距段2、过渡圆弧3、凸台1和承力孔 4。如图1和图2所示。本实施例是对现有技术中同规格的热拉伸弧形试样改进而得到薄壁管高温拉伸弧形试样。本实施例为中部窄、两端宽的板条状。所述的试样的中部为标距段2，该标距段2 的宽度与位于试样两端的承力孔4的直径相同，本实施例中，承力孔4的直径为10mm，标距段2的宽度亦为10mm。所述承力孔4的中心位于试样长度方向的中心线上。在试样中部标距段2的两端分别有两个凸台1 ；并且各端的两个凸台1分别位于试样宽度的两侧边上。 凸台1与标距段2之间通过过渡圆弧3过渡，所述的过渡圆弧3的半径为改进前的同规格试样的标距段宽度与承力孔4直径的差值的1/2，本实施例中，改进前的同规格试样的标距段宽度与承力孔4直径的差值为6mm，故过渡圆弧3的半径为3mm。本实施例还提出了一种用于上述薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具。如图3所示，所述的薄壁管高温拉伸试验的试样夹具包括固定架5、两个滑块8、凸模10、凹模13和挡块16。两个滑块8位于固定架5的卡槽内，并分别与所述卡槽的内壁贴合。凸模10和凹模 13均位于两个滑块8之间，分别嵌入滑块上的内凹槽9中；凸模10的凸面与凹模13的凹面配合，并通过挡块16将两个滑块8和嵌入滑块上的内凹槽9中的凸模10和凹模13固定在固定架5上。凸凹模具夹持试样的夹持端，凸凹模具是嵌入两滑块8内侧壁的凹槽9内， 卡槽的宽度与两滑块8的宽度相同，通过销轴将试样、凸凹模具和两滑块8定位连接。如图5所示。固定架5整体呈圆柱体，其外圆表面为阶梯状。固定架5—端为小直径端，该小直径端的外圆表面有螺纹，用于将固定架5与拉伸试验机固连。固定架5的另一端中心有卡槽，用于安装滑块和模具。卡槽自固定架5中部至该固定架另一端的端面。所述卡槽的槽口处的宽度小于卡槽的槽底，使该卡槽呈V形；卡槽的两侧内壁表面与固定架5 的轴线之间的夹角均为9°。在固定架5的外圆表面，对称的固定有4个挡块，并且所述的 4个挡块分为两组，分别位于卡槽两侧壁处在固定架5 —侧外圆表面，对称的固定有2个挡块16，并且所述的挡块分别位于卡槽槽口的两侧。在固定架5另一侧外圆表面，亦对称的固定有2个挡块，并且所述的挡块分别位于卡槽槽口的两侧。如图6所示。2个滑块8的结构相同。滑块8的一个表面为平面，另一个表面为斜面，并且该斜面的斜角为9°。在滑块8的平面上有滑块内凹槽9，该滑块内凹槽9的外形尺寸以能够分别将凹模13和凸模10嵌入为宜。在滑块8长度方向和宽度方向的中心，有销轴15的安装孔，通过该销轴15将滑块8与凹模13和凸模10固连。
模具为矩形块状，包括凹模13和凸模10。凹模13的一个表面为平面，另一个表面为凹面；所述凹面的曲率与试样外圆表面的曲率相同。凸模10的一个表面为平面，另一个表面为凸面；所述凸面的曲率与试样内圆表面的曲率相同。在凹模13和凸模10的长度方向中心与宽度方向中心的交汇点处，有销轴15的安装孔，并且该销轴15安装孔的位置与滑块8上的销轴15安装孔的位置对应。当滑块8装入卡槽后，由于卡槽的两侧内壁7光滑，能够使滑块8上下自由滑动， 同时卡槽6的V形形状使向下滑动的两个滑块8不断夹紧，并通过卡槽6边缘处的四个挡块16用于防止滑块8沿固定架5的径向移动，从而实现对试样模具不断夹紧，有效避免薄壁管材高温拉伸试样承力孔4处产生应力集中、夹具不能夹紧试样且定位不够准确和试验过程不稳定等缺陷，同时操作简单、定位准确。整个试验需要两个固定架5、四个相同的滑块8、两套凸凹模具、两个销轴15以及一个薄壁管高温拉伸弧形试样。本发明改进的薄壁管高温拉伸弧形试样及设计的具有互锁结构的夹具相互配合使用，使针对薄壁管高温拉伸试验获取的试验数据所表征的薄壁管试样材料性能参数更加准确。薄壁管材由于其壁厚薄，其高温拉伸试验对试样要求更高，如果采用现有技术中的热拉伸弧形试样，薄壁的高温弧形拉伸试样在高温拉伸过程中容易出现标距段过渡到凸台的直角过渡段异常断裂、承力孔失稳起皱等缺陷，所以现有技术中的热拉伸弧形试样不适合于薄壁管材高温拉伸试验；同时标准拉伸试验机上的夹具不能保证对薄壁管高温拉伸弧形试样进行准确定位和保证夹持不松动，针对这些缺陷设计了具有互锁结构的用于高温拉伸试验的夹具，本发明所述的用于高温拉拉伸试验的夹具配合改进后的薄壁管高温拉伸弧形试样可以保证获取的试验数据真实准确的反映试样材料的性能参数。 本发明改进的薄壁管高温拉伸弧形试样及设计的具有互锁结构的夹具具体的试验过程如下1、先将两个固定架5紧固到拉伸试验机上，要求两个固定架5的轴线在一条直线上，并且固定架5的槽口相互对齐对正。2、将两个凸模10分别嵌入到两个滑块8中，然后将薄壁管高温拉伸弧形试样的一个夹持端内弧面贴合一个凸模10，要求试样的承力孔4的圆心与所贴合凸模10中央的贯通孔的圆心重合，然后将凹模13的凹模面贴合到试样这一夹持端的凸弧面上，同样要求试样的承力孔4的圆心与所贴合凹模10中央的贯通孔的圆心重合，再用一个滑块8嵌套住这个凹模13，这时两滑块8中央的圆心、凸凹模具中央的圆心和试样这端夹持端的承力孔4的圆心是在一条直线上，形成一个长的贯通孔，用一个销轴穿过这个贯通孔将两滑块8、凸凹模具和试样固连。3、将薄壁管高温拉伸弧形试样的另一个夹持端内弧面贴合另外一个凸模10，同样要求试样的承力孔4的圆心与所贴合凸模10中央的贯通孔的圆心重合，然后将另一个凹模 13的凹模面贴合到试样这一夹持端的凸弧面上，要求试样的承力孔4的圆心与所贴合凹模 10中央的贯通孔的圆心重合，再用一个滑块8嵌套住这个凹模13，两滑块8中央的圆心、凸凹模具中央的圆心和试样这端夹持端的承力孔4的圆心是在一条直线上，形成一个长的贯通孔，用另一个销轴穿过这个贯通孔将两滑块8、凸凹模具和试样固连。4、薄壁管高温拉伸弧形试样的两个夹持端夹持好之后，先将夹持好的整体一端放入一个固定架5的卡槽内，并且用固定架5上的四个挡块16将其挡住，将四个挡块16上的
6螺钉紧固即可。5、调整试验机的拉伸平台，使两固定架5之间的距离达到可以将夹持好的试样整体的另一端放入另外一个固定架5的卡槽内，同样用固定架5上的四个挡块16将其挡住， 将四个挡块16上的螺钉紧固即可。6、通过上述步骤将试样完整的夹持完毕，然后进行加热，达到设定的高温温度时进行高温拉伸试验即可。
权利要求
1.一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样，试样的中部为标距段O)，在试样中部标距段O)的两端分别有两个凸台(1)；并且各端的两个凸台(1)分别位于试样宽度的两侧边上，试样的两端分别有承力孔；所述承力孔的圆心位于试样长度方向的中心线上； 其特征在于，所述的标距段⑵的宽度与位于试样两端的承力孔⑷的直径相同；凸台⑴ 与标距段( 之间通过过渡圆弧C3)过渡，所述的过渡圆弧(3)的半径为改进前的同规格试样的标距段宽度与承力孔(4)直径的差值的1/2。
2.一种用于权利要求1所述薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具，其特征在于，所述薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具包括固定架(5)、两个滑块(8)、凸模(10)、凹模(13)和四个挡块(16)；两个滑块(8)位于固定架( 的卡槽内，并分别与所述卡槽的内壁贴合；凸模 (10)和凹模(13)均位于两个滑块⑶之间，分别嵌入滑块上的内凹槽(9)中；凸模(10)的凸面与凹模(1 的凹面配合，并通过四个挡块(16)将两个滑块(8)固定在固定架( 上； 通过销轴(1 将试样、凸凹模具和两滑块(8)定位连接。
3.如权利要求2所述一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具，其特征在于，固定架(5) —端与拉伸试验机固连；固定架(5)的另一端中心有用于安装滑块和模具的卡槽； 所述的卡槽两侧内壁表面与固定架(5)的轴线之间的夹角均为9°。
4.如权利要求2所述一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具，其特征在于，滑块 ⑶斜面的斜角为9° ；在滑块⑶的中心，有销轴(15)的安装孔。
5.如权利要求2所述一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样的夹具，其特征在于，凹模 (13)的凹面的曲率与试样外圆表面的曲率相同；凸模(10)的凸面的曲率与试样内圆表面的曲率相同；在凹模(13)和凸模(10)的中心有销轴(15)的安装孔；并且该销轴(15)安装孔的位置与滑块(8)上的销轴(15)安装孔的位置对应。
全文摘要
一种用于薄壁管高温拉伸试验的试样及夹具。所述试样标距段的宽度与位于试样两端的承力孔的直径相同。凸台与标距段之间通过过渡圆弧过渡，所述的过渡圆弧的半径为改进前的同规格试样的标距段宽度与承力孔直径的差值的1/2。所述夹具的两个滑块分别与卡槽的内壁贴合；凸模和凹模均位于两个滑块之间，分别嵌入滑块上的内凹槽中。凸模的凸面与凹模的凹面配合，并通过挡块将两个滑块固定在在固定架上。通过销轴将试样、凸凹模具和两滑块定位连接。本发明提出的试样与夹具相互配合，能够实现薄壁管高温拉伸弧形试样在高温拉伸试验中定位准确、标距段变形均匀稳定和承力孔不发生失稳起皱，从而使测得的试验数据准确表征试样材料的性能参数。
文档编号G01N3/04GK102323140SQ20111023049
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者张志勇, 李恒, 杨合, 王泽康, 田玉丽 申请人:西北工业大学