一种超声辅助拉伸试验机及试验方法与流程

本发明涉及金属构件的拉伸性能测试领域，具体涉及到一种超声辅助拉伸试验机及试验方法。

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拉伸试验机，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拉伸试验机。但是目前拉伸试验机主要为静态拉伸试验机，无法实现超声辅助拉伸功能。

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拉伸试验机，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拉伸方向一致，从而实现超声振动载荷与静态拉伸载荷叠加的拉伸测试，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：

一种超声辅助拉伸试验机，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；

下夹头，固定在力传感器上；

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，超声振动装置安装在升降装置上，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，被测试件装接于超声变幅杆与下夹头之间并固定；

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、升降装置、超声振动系统和应变监测系统相连。

进一步的，所述被测试件通过螺纹装接于超声变幅杆和下夹头之间，且所述被测试件的纵向表面粗糙度不大于ra0.8μm。

进一步的，所述力传感器的性能参数为：测力范围-25kn～25kn，测力精度优于0.5n，可同时监测六个力分量，采样频率高于200khz；

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，升降装置为螺旋丝杠副机构，包括：

电动马达，安装在基座内；

丝杠，竖直安装在基座上并与电动马达配合；

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～1000nm；

所述丝杠直径为15～40mm；

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。

进一步的，所述横梁、超声振动发生器、超声变幅杆、被测试件、下夹头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。

一种采用上述超声辅助拉伸试验机的试验方法，包括如下步骤：

s1、将被测试件的一端与超声变幅杆连接，另一端与下夹头连接；

s2、调整横梁的位置，将下夹头与力传感器安装固定在一起；

s3、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；

s4、启动升降装置，升降装置带动超声振动装置匀速上移，实现被测试件的静态拉伸；

s5、当被测试件发生屈服后，启动超声振动装置，使超声振动与静态拉伸叠加，实现被测试件超声辅助拉伸；

s6、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拉伸过程中的力和应变数据。

进一步的，在步骤s4中，升降装置以1mm/min的速度带动超声振动装置匀速上移。

本发明提供的一种超声振动辅助拉伸试验机，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拉伸方向一致，从而实现超声振动载荷与静态拉伸载荷叠加的拉伸测试，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辅助拉伸试验机的示意图；

图2为超声辅助拉伸试验机的试验流程图。

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辅助拉伸试验机，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；

下夹头5，下夹头5通过销钉装接于力传感器6上；

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，超声振动装置安装在升降装置上，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，被测试件8装接于超声变幅杆4与下夹头5之间并固定；

应变监测系统，该应变监测系统设有高速工业相机7；

信号采集及处理系统，与力值监测系统、升降装置、超声振动装置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与力值监测系统(力传感器6)、升降装置、超声振动装置(超声控制器13)和应变监测系统(高速工业相机7)相连。

具体在一实施例中，被测试件8通过螺纹装接于超声变幅杆4和下夹头5之间，且被测试件8经过纵向抛光处理以使其纵向表面粗糙度不大于ra0.8μm，进一步优选的，到被测试件8纵向表面粗糙度最好达到ra0.4μm。其中，被测试件8的两端可以通过螺纹与下夹头5和超声变幅杆4连接。

力传感器6的性能参数为：测力范围-25kn～25kn，测力精度优于0.5n，可同时监测六个力分量，采样频率高于200khz。进一步优选的力传感器6性能参数为：测力范围-20kn～20kn，测力精度达到0.1n，可同时监测六个力分量，采样频率达到300khz。

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

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。进一步优选的工业相机7性能参数为：分辨率162×120～1024×768，拍摄速度3000～210000fps，内存达到256gb。

升降装置为螺旋丝杠副机构，包括电动马达9、丝杠10和横梁2。电动马达9安装在基座1内，通过皮带轮与丝杠10配合以带动丝杠10转动，丝杠10竖直安装在基座1上，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。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，从而实现静态拉伸；在静态拉伸的同时，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的超声振动辅助拉伸；通过力值监测系统监测被测试件8超声辅助拉伸过程的力值变化；通过应变监测系统监测被测试件8超声辅助拉伸过程的应变变化。

电动马达9的扭矩为100nm～1000nm；丝杠10直径为15～40mm，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。进一步优选的，电动马达9的扭矩为500nm；丝杠10直径为30mm；横梁2上、下移动的位置精度达到0.05μm，位置重复精度达到0.05μm。

横梁2、超声振动发生器3、超声变幅杆4、被测试件8、下夹头5及力传感器6组成的整体在横梁2全行程内的同轴度优于优于1:0.001，进一步优选为1:0.0005。

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。

同时本发明还提供了一种采用上述超声辅助拉伸试验机的试验方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤s1、将被测试件8的一端与超声变幅杆4连接，另一端与下夹头5连接；

步骤s2、调整横梁2的位置，把下夹头5的销钉孔与力传感器6的销钉孔对齐，传入销钉并锁紧；

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，横梁2以1mm/min的速度带动超声振动装置匀速上移，实现被测试件8的静态拉伸；

步骤s5、当被测试件8发生屈服后，启动超声振动装置，使超声振动与静态拉伸叠加，实现被测试件8超声辅助拉伸；

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超声辅助拉伸过程中的力和应变数据。

综上所述，本发明提供一种超声振动辅助拉伸试验机，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。