超声振动辅助压缩试验机及试验方法与流程

本发明涉及金属构件的性能测试，具体涉及到一种超声振动辅助压缩试验机及试验方法。

背景技术：

与静态变形过程相比，金属构件的形变抗力在超声振动辅助变形过程中可以显著降低，从而有效减小金属构件加工设备的吨位和功率，降低加工能耗，大量节约加工和制造成本。金属材料静态力学性能和变形行为研究中常常要用到静态压缩试验机，而超声振动辅助下的力学性能和变形行为研究中则需要用到超声振动辅助压缩试验机。但是目前压缩试验机主要为静态压缩试验机，无法实现超声辅助压缩功能。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提供了一种超声振动辅助压缩试验机，利用超声振动发生器提供高频可控的振动，振动方向与被测试件静态压缩方向一致，从而实现超声振动载荷与静态压缩载荷叠加的压缩测试，同时设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉。具体方案如下：

一种超声振动辅助压缩试验机，包括：

基座；

力值监测系统，该力值监测系统设有一安装在基座上的力传感器；

下承压座，下承压座设置于力传感器的上表面，且该下承压座的上表面用于承载被测试件；

升降装置，安装在基座上；

超声振动系统，包括超声控制器和超声振动装置，超声控制器与超声振动装置相连，超声振动装置安装在升降装置上并位于下承压座的正上方，所述超声振动装置包括超声振动发生器以及超声变幅杆，超声变幅杆装接于超声振动发生器上；

应变监测系统，该应变监测系统设有工业相机；

信号采集及处理系统，与力值监测系统和应变监测系统相连。

进一步的，所述被测试件为圆柱体，两端面平行度公差不大于1:0.0005，圆柱面与任意端面的垂直度公差不大于3’，两端面表面粗糙度不大于ra0.4μm，圆柱面表面粗糙度不大于ra0.8μm，全长内圆柱度公差不大于0.01。

进一步的，所述力传感器的性能参数为：测力范围-200kn～200kn，测力精度优于5n，可同时监测六个力分量，采样频率高于200khz；

所述工业相机的性能参数为：分辨率162×120～2048×1536，拍摄速度1000～300000fps，内存大于128gb。

进一步的，所述超声振动发生器的性能参数为：振动频率15～45khz，振幅范围0～22μm。

进一步的，所述超声变幅杆及下承压座的端面平面度不大于

0.0002mm/mm，超声变幅杆端面与下承压座端面间的平行度不大于0.0002mm/mm。

进一步的，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括：

电动马达，安装在基座上；

丝杠，竖直安装在基座上；

横梁，横梁设置有螺纹孔并与丝杠配合连接，超声振动装置安装在该横梁上。

进一步的，所述电动马达的扭矩为100nm～5000nm；

所述横梁上、下移动的位置精度优于0.1μm，位置重复精度优于0.1μm；

所述丝杠直径为15～40mm。

进一步的，所述横梁、超声振动发生器、超声变幅杆、被测试件、下承压座及力传感器组成的整体在横梁全行程内的同轴度优于1:0.001。

进一步的，所述力值监测系统还包括电荷放大器和数据采集卡，该电荷放大器信号连接力传感器，数据采集卡信号连接电荷放大器。

一种采用上述超声振动辅助压缩试验机的试验方法，包括如下步骤：

将被测试件置于下承压座上表面；

调整升降装置，使超声变幅杆的底端靠近被测试件上表面；

通过力值监测系统和应变监测系统监测被测试件上的力值和应变值；

启动升降装置，升降装置带动超声振动装置匀速下移，实现被测试件静态压缩；

当被测试件发生屈服后，启动超声振动装置，使超声振动与静态压缩叠加，实现被测试件超声辅助压缩；

通过力值监测系统和应变监测系统获得被测试件超声辅助压缩过程中的力和应变数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的一种超声振动辅助压缩试验机，利用超声振动发生器提供高频可控的振动，振动方向与被测试试件静态压缩方向一致，从而实现超声振动载荷与静态压缩载荷叠加的压缩测试，同时设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明提供的一种超声振动辅助压缩试验机的示意图；

图2为本发明提供的试验方法流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种超声振动辅助压缩试验机，如图1所示，包括：

基座1；

力值监测系统，该力值监测系统设有一安装在基座1上的力传感器6；

下承压座5，下承压座5设置于力传感器6的上表面，且该下承压座5的上表面用于承载被测试件8；

升降装置，安装在基座1上；

超声振动系统，包括超声控制器13和超声振动装置，超声控制器13与超声振动装置相连，超声振动装置安装在升降装置上并位于下承压座5的正上方，超声振动装置包括超声振动发生器3以及超声变幅杆4，超声变幅杆4装接于超声振动发生器3上；

应变监测系统，该应变监测系统设有工业相机7；

信号采集及处理系统，与力值监测系统和应变监测系统相连。

优选的，信号采集及处理系统可以为搭载相应处理软件的计算机11，通过信号线12与力传感器6和工业相机7相连。此外，超声控制器13和超声振动装置亦通过信号线12相连。

被测试件8为圆柱体，两端面平行度公差不大于1:0.0005，圆柱面与任意端面的垂直度公差不大于3’，两端面表面粗糙度不大于ra0.4μm，圆柱面表面粗糙度不大于ra0.8μm，全长内圆柱度公差不大于0.01。进一步优选的，两端面平行度公差1:0.0005，圆柱面与任意端面的垂直度公差为3’

(即圆柱面任意母线与被测试表面间的夹角相对于90°直角的偏离不大于3’)，两端面表面粗糙度为ra0.4μm，圆柱面表面粗糙度为ra0.8μm，全长内圆柱度公差为0.01。

工业相机7的性能参数为：分辨率162×120～2048×1536，拍摄速度1000～300000fps，内存大于128gb。进一步优选的性能参数为：分辨率162×120～1024×768，拍摄速度3000～210000fps，内存达到256gb。

超声振动发生器3的性能参数为：振动频率15～45khz，振幅范围0～22μm。进一步优选的性能参数为：振动频率20～40khz，振幅范围0～20μm。

其中，超声变幅杆4及下承压座5的端面平面度不大于0.0002mm/mm，超声变幅杆4端面与下承压座5端面间的平行度不大于0.0002mm/mm。进一步优选的，超声变幅杆4及下承压座5的端面平面度为0.0002mm/mm，超声变幅杆4端面与下承压座5端面间的平行度为0.0002mm/mm。

在一可选的实施例中，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括：

电动马达9，安装在基座1上；

丝杠10，竖直安装在基座1上，丝杠10在电动马达9的驱动下而转动，例如电动马达9可以通过皮带轮或齿轮组来驱动丝杠10转动；横梁2，横梁2设置有螺纹孔并与丝杠10配合连接，超声振动装置安装在该横梁2上。

电动马达9的扭矩为100nm～5000nm；横梁2上、下移动的位置精度优于0.1μm，位置重复精度优于0.1μm；丝杠10直径为15～40mm。进一步优选的，电动马达9的扭矩为2000nm；横梁2上下移动的位置精度达到0.05μm，且位置重复精度达到0.05μm；丝杠10直径为40mm。

进一步优选的，力值监测系统还包括电荷放大器和数据采集卡，该电荷放大器信号连接力传感器6，数据采集卡信号连接电荷放大器。电荷放大器用于对采集到的信号进行放大，然后输出到数据采集卡信号。

进一步优选的，横梁2、超声振动发生器3、超声变幅杆4、被测试件8、下承压座5及力传感器6组成的整体在横梁2全行程内的同轴度达到1:0.0005。

本发明通过电动马达9带动丝杠10转动，并通过丝杠10转动带动横梁2向上移动，从而实现静态压缩；在静态压缩的同时，通过超声振动发生器3产生超声振动，并通过超声变幅杆4传递至被测试件8，从而实现被测试件8的超声振动辅助压缩；通过力值监测系统监测被测试件8超声辅助压缩过程的力值变化；通过应变监测系统监测被测试件8超声辅助压缩过程的应变变化。

同时本发明还提供了一种采用上述超声振动辅助压缩试验机的试验方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤s1、将被测试件8置于下承压座5上端面圆盘的正中心位置。

步骤s2、调整横梁2的位置，使超声变幅杆4的底端缓慢靠近被测试件8上表面。

步骤s3、通过力值监测系统和应变监测系统监测被测试件8上的力值和应变值。

步骤s4、启动升降装置，使横梁2以1mm/min的速度匀速下移，实现被测试件8静态压缩；

步骤s5、当被测试件8发生屈服后，启动超声振动装置。超声振动发生器3带动超声变幅杆4进行振动，使超声振动与静态压缩叠加，实现被测试件8超声辅助压缩；

步骤s6、通过力值监测系统和应变监测系统获得被测试件8超声辅助压缩过程中的力和应变数据。

综上，本发明提供一种超声振动辅助压缩试验机，设备结构简单，测试精度高，操作简单方便，使用维护成本低廉，在实验力学和材料科学教学与科研活动中具有很高的实用价值和重要的实际意义。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。