一种高效模型试验标准试件加工模具及其使用方法与流程

本发明涉及一种用于制作相似模拟试验试件的加工模具，尤其涉及一种高效模型试验标准试件加工模具。

背景技术：

目前，岩石力学的工程领域迅速发展，大型地下结构、露天采矿、以及困难条件下的巷道开拓面临的施工条件日趋复杂多变，对工程安全性提出了更大的挑战，为了掌握工程岩体的变形特征，有必要对岩石的稳定性、强度等力学特征以及变形等力学行为进行模拟研究。

相似模拟试验是一种以相似原理为依据的实验室研究方法，具有低成本、周期短、高仿真等优点，广泛应用于采矿、地质以及岩土工程等领域，已成为一种研究地下工程问题的有力的科学研究手段。模型试验以相似材料为基础，相似材料力学性能必须能够真实反映试验原型的应力变形特点，必须符合模型试验相似定律，这样模拟出的数据才能真实有效，因此模型试验相似材料的选取决定试验的成败。然而，自然界难有一种材料的力学性能符合经相似比换算后的理想模型试验材料，而是需经过多种材料调配混合，得到符合模型试验相似比的材料。一种混合相似材料的研制，要经成百上千组配比实验，并将每一组配比制成标准力学试件，研究材料配比变化对混合相似材料的力学性能影响规律，进而研制和选择出具有相应力学性能的混合相似材料。

材料配比实验周期长、任务重，标准试件的制作是材料配比实验过程中较为关键的一步，制作试件的精度和效率，大大影响了整个试验的进程，根据试验要求，同一批次试件必须压制均匀，并保证试件尺寸精度，现有试件的加工制作模具在实际使用过程中具有效率低下，拆卸繁琐，试件制作精度不足的缺点，因此，研究出一种高效模型试验标准试件加工模具及其使用方法是十分必要的。

在本发明之前，申请号为2015104914957的发明公开了一种相似模拟材料成型模具总成及其标准试件的快速成型方法，其中，模具总成包括底座、大卡套、内模及小卡套四部分，以及一中心部位带圆柱形凸起的圆形承压盖板，内模底部与底板成过盈配合插接，大小卡套为活套式结构，直接套装在由完全相同的左、右两部分组成的内模外壁上，该装置通过圆形承压盖板将压力机的压力有效传递至内模空腔内的相似材料上压制试件。拆模时，使用手锤敲击底座外边缘的四周至底座与内模分离，取出已成型的试件，但其内模为两部分分体组合式结构，与试件接触面积大，若试件所用粘结剂强度较大，易使试件和模具粘连，拆模困难；由于相似材料试件的强度较低，在拆内模敲击震动容易造成试件损坏，且拆模时需两人配合，一人难以完成拆模的工作。

申请号为201711210306x的发明公开了一种自卸式相似模拟试验试件加工模具及其操作方法，包括基座、缸体、约束套管、顶部垫片、底部垫片以及承压钢柱，该装置通过旋动约束套管上的旋转把手，使约束套管向上移动，逐渐解除其对缸体的约束，同时，置于缸体内部的垫片中的弹瓣在弹簧的推力下弹开，推动缸体向左右自动分开。若相似材料使用粘结剂的粘结强度较大时，模具和试件紧密粘结在一起，弹瓣无法弹开缸体，造成拆模失败；此外人工装填相似材料时，可能发生抛撒导致其落入滑动槽轨，阻挡缸体的推动，增加拆模工作的复杂性；此模具只能进行单个试件的压制，因此压制试件效率较低，制作周期长。

针对以上发明存在的缺陷，发明一种拆装模具快捷方便且能进行批量试件压制成型的试件加工模具是必要的。

技术实现要素：

针对现有模型试验试件加工模具的上述不足，本发明提供了一种高效模型试验标准试件加工模具。

本发明一种高效模型试验标准试件加工模具的构造为：由承压筑模结构、约束固模结构及分力压模结构组成，其特征在于，所述的承压筑模结构由模具、活动式卡板、底座及提拉盘组成，所述的约束固模结构由槽缸及螺栓组成，所述的分力压模结构由承力梁、万向球支座凹槽、万向球及压垫柱组成。

所述的模具采用高度为150~160mm，长、宽均为100mm，中心设有半径为25mm圆柱形开孔的不锈钢长方体，为四分体式结构，由完全相同的四部分模块组成，模块内壁面设置有一以圆孔中心为圆心成60°夹角，向外延伸6mm，内弧弧长为10mm，外弧弧长为20mm的大扇形凹槽，大扇形凹槽内嵌活动式挡板；所述的活动式卡板由大卡板、小卡板及连接板组成，大卡板板身尺寸与大扇形凹槽一致，其上端面焊接跨度为10mm，高度为5mm的不锈钢弧形鼻环，下端面焊接扇形连接板与小卡板连接，小卡板形式与卡板一致，高度为10mm，嵌入底座小扇形凹槽内；所述的底座采用高度为20mm，半径为25mm的不锈钢圆柱体制成，下盘面设有呈“十”字分布的四个嵌入式小扇形凹槽，槽深为10mm，小扇形凹槽内弧距圆心12mm，弧长为20mm，外弧弧长为30mm，两弧间距为6mm，外弧距底座外侧边缘为7mm；所述的提拉盘下底面铰接呈“十”字分布的四个半圆式不锈钢挂钩，每个挂钩分别钩吊对应的弧形鼻环，上底面中心铰接一手提环。

所述的槽缸采用高度为150~160mm，长、宽均为300mm的不锈钢长方体，缸内开有四个边长为110mm，深度为130~140mm的非贯通式方形凹槽，相邻方形凹槽间距为60mm，缸壁厚度为10mm，且共设有八个半径略大于5mm的螺栓孔，便于螺栓的穿过，每个方形凹槽配备两个孔心对应槽心的螺栓孔；所述的螺栓采用材质为35crmoa，3a级外螺纹、3b级内螺纹，头部滚花的内六角高强度螺栓，螺栓半径为5mm，拧动正交的两个螺栓可双向约束模具的滑动，进而固定模具，为相似材料标准试件成型提供侧向约束力，同时防止试件压制过程中模具发生啃咬，降低模具使用寿命。

所述的承力梁是长度为160mm，宽度为54mm，高度为30mm的高强度钢制长方体梁，间距为110mm的两根横向承力梁及一根纵向承力梁呈“工”字型分布，横、纵向承力梁之间通过万向球与万向球支座凹槽铰接连接，承力梁正交的两侧梁面附有水准气泡，可调整承力梁水平无倾斜；所述的万向球支座凹槽是半径为25mm，深度为28mm的半球形凹槽，开设在压垫柱上底面及承力梁上端面中心部位，与万向球铰接可调整承立梁及压垫柱水平无倾斜；所述的万向球是半径为25mm，深度为30mm的钢制半球体，上平面光滑平直，承受试验机压头施加的压力，下部与纵承力梁上的万向球支座凹槽铰接，传递压力至承力梁；所述的压垫柱是高度为50mm，底面半径为25mm的高强度不锈钢圆柱，下底面光滑平直，接触压制模具中的试件，上底面开设万向球支座凹槽，铰接横向承力梁端部下方的万向球，压垫柱的侧面上标有刻度表，量程为50mm，试件压制完成后模具口对应压垫柱的刻度值与试件压制前压垫柱接触试件时模具口对应压垫柱的刻度值的差值，此差值即为试件压缩高度。

本发明一种高效模型试验标准试件加工模具的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）在模具及活动式卡板的大卡板内侧涂抹脱模剂，将小卡板嵌入底座的小扇形凹槽内合并在一起，把四块模块从大卡板上方分别套入各自对应的大卡板，使模块的大扇形凹槽与大卡板紧密贴合组成整体，然后将模具放入模缸内方形凹槽的内侧，通过扳手拧动两只螺栓紧固模具直至严闭无缝，重复以上步骤完成四只模具的组装；

（2）将称量之后的相似模拟试验材料倒入模具内，并进行分层捣实，将模具内壁上粘附的少量材料擦去，完成材料填筑；

（3）将装有模具的模缸放置于电液伺服液压试验机上，并使模缸中心部位对准试验机压头，将承力梁置于模具上方，四个压垫柱分别与下方的模具口对应一致，并通过万向球调整使其下柱面水平，之后向下移动承力梁，直至压垫柱与试件接触，根据水准气泡，依次调整横向、纵向承力梁使其保持水平，最后试验机压头对准纵向承力梁上的万向球，按照试验方案，对材料进行压实；

（4）试件压制成型后，升起试验机压头，将承力梁抬起使压垫柱与试件分离，将模缸挪离试验台，放置于平整地面，之后通过扳手依次松动所有螺栓，将提拉盘的挂钩套入活动式卡板上的鼻环并通过手提环竖直向上拉动提拉盘，直至试件完全脱离模具，然后将活动式卡板及底座包裹的试件放置于地面，松开挂钩取下提拉盘，将活动式卡板向下移动使得小卡板脱离底座的小扇形凹槽，最后从底座上分离取出试件，晾干备用。

本发明一种高效模型试验标准试件加工模具的优点是：

（1）模具为中空圆柱形的非一体式长方体，由四块完全相同的模块拼接组成，不同于现有模具的构造，减小了模块与试件之间的接触面积，进一步有效避免了拆模过程中试件与模具内壁面的粘结而造成的损坏；

（2）模缸设有四个方形凹槽用以放置模具，通过试验机可一次性同时压制四个试件，改变了以往模具只能单个压制试件的弊端，大大提高试件的制作加工效率；

（3）承力梁上附有水准气泡，配合校准球及万向球支座凹槽可调整纵、横承力梁及压垫柱至水平，防止压制过程中垫块柱啃咬挤压损坏模具，压垫柱的侧面上标有刻度表，试件压制后可直接得到试件压缩高度；

（4）活动式卡板通过小卡板与底座小扇形凹槽契合连接，可自由拆卸，提拉盘将其从模具中提升拉出，向下竖直移动活动式卡板即可脱离底座，操作方便；

（5）承力梁的横、纵向承力梁呈“工”字型分布，可将试验机压头的压力进行等分传递至下方的压垫柱上，进而均匀施加于模具中的试件上。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中模具的结构示意图。

图3为本发明中无活动式卡板的模具的结构示意图。

图4为本发明中模块的结构示意图图。

图5为本发明中连接底座的活动式卡板的结构示意图。

图6为本发明中活动式卡板的结构示意图。

图7为本发明中底座的结构示意图。

图8为本发明中底座的俯视图。

图9为本发明中提拉盘的结构示意图。

图10为本发明中提拉盘的俯视图。

图11为本发明中含模具的模缸的结构示意图。

图12为本发明中模缸的结构示意图。

图13为本发明中分力结构的整体结构示意图。

图14为本发明中连接万向球的承力梁的剖面图。

图15为本发明中万向球支座凹槽的剖面图。

图16为本发明中未连接万向球的压垫柱的剖面图。

图17为本发明中连接万向球的压垫柱的正视图。

图例说明：1-模具；2-模缸；3-底座；4-活动式卡板；5-鼻环；6-螺栓；7-承力梁；8-万向球支座凹槽；9-万向球；10-压垫柱；11-水准气泡；12-刻度表；13-提拉盘；14-方形凹槽；15-小扇形凹槽；101-模块；102-大扇形凹槽；401-大卡板；402-小卡板；403-连接板；1301-挂钩；1302-手提环。

具体实施方式

本发明提供了一种高效模型试验标准试件加工模具，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1~15所示，本发明一种高效模型试验标准试件加工模具，主要由承压筑模结构、约束固模结构及分力压模结构组成，其特征在于，所述的承压筑模结构由模具1、活动式卡板4、底座3及提拉盘13组成，所述的约束固模结构由槽缸2及螺栓6组成，所述的分力压模结构由承力梁7、万向球支座凹槽8、万向球9及压垫柱10组成。

如图2~4所示，所述的模具1是高度为150~160mm，长、宽均为100mm，中心设有半径为25mm圆柱形开孔的不锈钢长方体，为四分体式结构，由完全相同的四部分模块101组成，模块101内壁面设置有一以圆孔中心为圆心成60°夹角，向外延伸6mm，内弧弧长为10mm，外弧弧长为20mm的大扇形凹槽102，大扇形凹槽102内嵌活动式挡板4；如图5~6所示，所述的活动式卡板4由大卡板401、小卡板402及连接板403组成，大卡板401板身尺寸与大扇形凹槽102一致，其上端面焊接跨度为10mm，高度为5mm的不锈钢弧形鼻环5，下端面焊接扇形连接板403与小卡板402连接，小卡板402形式与大卡板401一致，高度为10mm，嵌入底座3的小扇形凹槽15内；如图7~8所示，所述的底座3采用高度为20mm，半径为25mm的不锈钢圆柱体制成，下盘面设有呈“十”字分布的四个嵌入式小扇形凹槽15，槽深为10mm，小扇形凹槽15内弧距圆心12mm，弧长为20mm，外弧弧长为30mm，两弧间距为6mm，外弧距底座外侧边缘为7mm；如图9~10所示，所述的提拉盘13下底面铰接呈“十”字分布的四个半圆式不锈钢挂钩1301，每个挂钩1301分别钩吊对应的弧形鼻环5，上底面中心铰接一手提环1302。

如图11~12所示，所述的槽缸2是高度为150~160mm，长、宽均为300mm的不锈钢长方体，缸内开有四个边长为110mm，深度为130~140mm的非贯通式方形凹槽14，相邻方形凹槽14间距为60mm，缸壁设有八个半径略大于5mm的螺栓孔，便于螺栓6的穿过，每个方形凹槽14配备两个孔心对应槽心的螺栓孔；所述的螺栓6是材质为35crmoa，3a级外螺纹、3b级内螺纹，头部滚花的内六角高强度螺栓，螺栓6半径为5mm，拧动正交的两个螺栓6可双向约束模具1的滑动，进而固定模具1，为相似材料标准试件成型提供侧向约束力，同时防止试件压制过程中模具1发生啃咬，降低模具1使用寿命。

如图13~15所示，所述的承力梁7是长度为160mm，宽度为54mm，高度为30mm的高强度钢制长方体梁，间距为110mm的两根横向承力梁7及一根纵向承力梁7呈“工”字分布，横、纵承力梁7之间通过万向球9与万向球支座凹槽8铰接连接，承力梁7正交的两侧梁面附有水准气泡11，可调整承力梁7水平无倾斜；所述的万向球支座凹槽8是半径为25mm，深度为28mm的半球形凹槽，开设在压垫柱10上底面及承力梁7上端面中心部位，与万向球9铰接可调整承立梁7及压垫柱10水平无倾斜；所述的万向球9是半径为25mm，深度为30mm的钢制半球体，上平面光滑平直，承受试验机压头施加的压力，下部与纵向承力梁7上的万向球支座凹槽8铰接，传递压力至纵向承力梁7；如图16~17所示，所述的压垫柱10是高度为50mm，底面半径为25mm的高强度不锈钢圆柱，下底面光滑平直，接触压制模具1中的试件，上底面开设万向球支座凹槽8，铰接横向承力梁7端部下方的万向球9，压垫柱10的侧面上标有刻度表12，量程为50mm，试件压制完成后模具口对应压垫柱9的刻度值与试件压制前压垫柱9接触试件时模具口对应压垫柱9的刻度值的差值，此差值即为试件压缩高度。

本发明一种高效模型试验标准试件加工模具的使用方法，具体包括以下步骤：

（1）在模具1及活动式卡板4的大卡板401内侧涂抹脱模剂，将小卡板402嵌入底座3的小扇形凹槽14内合并在一起，把四块模块101从大卡板401上方分别套入各自对应的大卡板401，使模块101的大扇形凹槽102与大卡板401紧密贴合组成整体，然后将模具1放入模缸2内方形凹槽14的内侧，通过扳手拧动两只螺栓6紧固模具1直至严闭无缝，重复以上步骤完成四只模具1的组装；

（2）将称量之后的相似模拟试验材料倒入模具内，并进行分层捣实，将模具内壁上粘附的少量材料擦去，完成材料填筑；

（3）将装有模具1的模缸2放置于电液伺服液压试验机上，并使模缸2中心部位对准试验机压头，将承力梁7置于模具1上方，四个压垫柱10分别与下方的模具口对应一致，并通过万向球9调整使其下柱面水平，之后向下移动承力梁7，直至压垫柱10与试件接触，根据水准气泡11，依次调整横向、纵向承力梁7使其保持水平，最后试验机压头对准纵承力梁7上的万向球9，按照试验方案，对材料进行压实；

（4）试件压制成型后，升起试验机压头，将承力梁7抬起使压垫柱10与试件分离，将模缸2挪离试验台，放置于平整地面，之后通过扳手依次松动所有螺栓6，将提拉盘13的挂钩1301套入活动式卡板4上的鼻环5并通过手提环1302竖直向上拉动提拉盘13，直至试件完全脱离模具1，然后将活动式卡板4及底座3包裹的试件放置于地面，松开挂钩1301取下提拉盘13，将活动式卡板4向下移动使得小卡板402脱离底座3的小扇形凹槽15，最后从底座3上分离取出试件，晾干备用。