一种非共振形式的高频振动裂解试验装置及方法与流程

本发明涉及裂解试验领域，特别涉及非共振形式的高频振动裂解实验装置及方法。

背景技术：

超声波的应用越来越广泛，已经被越来越多得适用于各种机械加工领域，但目前关于超声应用于裂解领域的研究并不多；材料进行塑性变形时,同时出现软化和硬化效应，且低振幅时随着振幅的增加，材料的变形抗力降低，此时材料的“软化机制”占据主导地位，而高振幅时振幅提高，材料的变形抗力增加，延伸率下降，此时材料的“硬化”机制占主导地位。有文献资料关于振动对裂纹扩展的研究，发现高频振动会使得物体在缺口处迅速形成应力集中，并导致物体在缺口处的快速断裂，同时削弱裂纹尖端的塑性区和残余应力对裂纹扩展的影响。

姜良斌针对铝合金超声振动拉伸进行了一系列试验，研究了超声振动对材料拉伸极限的影响规律，发现振动的施加使材料的拉伸极限降低，且随着振幅的增大，超声振动对材料的软化效应、硬化效应作用都有所增强。但他所使用的试验设备最大振幅为5.39μm，无法研究较大振幅对材料性能的影响，研究结果具有一定的局限性。

为了研究高频振动对材料裂解时的裂解力、断口变形量、裂纹扩展规律和断口形貌的影响，需要保证裂解装置可满足超声振幅的适应范围广、频率可调，且拉伸机速度可调。但目前现有的超声裂解试验装置均采用试样一端和超声振动装置连接，另一端使用夹具固定的形式，这样不利于超声波能量的传递，且会对装置造成损坏，而且试验时对超声的振幅控制要求较高，一旦振幅过高会导致试样直接振动，影响试验结果。

技术实现要素：

本发明提出一种非共振形式的高频振幅裂解试验装置及方法，通过将超声变幅杆与楔形工具头螺纹连接，调节计算机系统直接控制超声的振幅和频率，保证试样不会由于振幅过高而振断，同时有效地将超声能量传递给试样，使得试验过程更加稳定、试验结果更加可靠。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种非共振形式的高频振动裂解试验装置，包括胀套和楔形工具头；所述胀套置于试样放置板上，胀套包括左胀套和右胀套，左胀套和右胀套通过方槽卡在楔形工具头小端的外侧；所述楔形工具头的小端与超声变幅杆的一端连接，所述超声变幅杆的另一端与超声波换能器连接，超声波换能器与超声波发生器连接。

进一步的，所述楔形工具头设置在上固定支架内，上固定支架包括试样放置板和上固定板；所述上固定板可通过螺栓固定在支撑架上。

进一步的，所述超声变幅杆一端设置在下固定支架内，下固定支架包括变幅杆固定圆板和下固定块，所述超声变幅杆穿过变幅杆固定圆板，且可随变幅杆固定圆板移动；下固定块可与拉伸试验机连接，从而带动下固定支架移动。

进一步的，所述超声波发生器通过计算机控制。

进一步的，裂解试验前，试样套装在胀套的外侧。

进一步的，试样内侧对称开设有裂解槽，裂解槽与胀套外侧上的配合面对齐布置。

进一步的，所述裂解槽，槽深0.2mm～0.8mm，角度0°～8°，曲率半径0.2mm～0.8mm。

进一步的，所述楔形工具头楔角为12～16°。

非共振形式的高频振动裂解试验装置的试验方法，包括如下步骤：

s1、将左胀套和右胀套分别通过中间的方槽卡在楔形工具头的两侧，并置于试样放置板上，将试样通过试样中心的圆孔从楔形工具头上面的较大端面穿过，试样套装在胀套外侧，并置于试样放置板上，调整试样使得内侧的两个裂解槽与胀套的两个配合面外侧对齐；

s2、计算机控制超声波发生器在超声变幅杆输出端产生频率、振动模态为径向振动、振动方向与楔形工具头运动方向相同、初相为0、振幅可调的正弦或余弦信号；

s3、启动拉伸试验机，控制拉伸速度，直至试样在拉伸机和超声的共同作用下被左胀套和右胀套胀断，记录拉伸机上裂解力-位移变化曲线，选取裂解力值居中的试样的力-位移曲线进行分析；

s4、关闭拉伸机，关闭超声；

s5、取下试样，定义两个对称的裂解槽端点之间的弦长为l、同侧圆弧上的点与该弦最大的垂直距离为h、裂解前后l/2+h的差值为试样大头孔的变形量，并测量裂解前后定义尺寸的变形量。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过非共振形式的高频振动与拉伸机速度复合来完成材料的裂解，扩大了高频振动振幅的适用范围，与常规共振形式的裂解相比，不易产生未拉而振断的现象，同时可以扩大研究范围，如超声振动的频率、振幅和拉伸机速度等对金属材料裂解过程和结果影响的一般性规律。

2、本发明中楔形工具头的大头端不固定，与常规的试样一端与超声装置连接另一端通过夹具固定的裂解装置相比，此方式有利于超声激振能量的传递，装置在运行中不易变形与损坏，同时可以加载较高的超声振幅，扩大研究范围。

3、本发明可以通过使用不同的胀套来适应不同的裂解试样，同时试样的装拆也无需拆卸支架，可以适应不同尺寸的试样，且试样装拆方便。

4、本发明装置结构紧凑、裂解方法简单、裂解过程稳定环保，且制作成本低，操作方便易维护。

5.本发明可有效解决目前共振形式裂解装置可研究的超声振幅范围小、目前试验装置普遍采用一端固定一端连接振动方式造成的不利于超声波传递和易损害装置、裂解装置常用轴类试样在超声裂解时易出现未拉而直接振动等问题，采用非共振形式的高频振动裂解试验装置，更加有效地将超声能量传递给试样，使得试验过程更加稳定、试验结果更加可靠，同时扩大研究范围，改善试样一侧固定一侧振动的传统裂解试验的振断的试验结果，同时在楔形工具头上端面与上t型块小端面之间留有足够空间便于试样的更换，结构简单，高效节能。

附图说明

图1为超声裂解装置装配图；

图2为胀套示意图；

图3为连杆裂解试样示意图；

图4为裂解试样的变形量尺寸示意图；

图5为拉伸机的裂解力-位移变化曲线；

图6为不同振幅下试样大头孔的变形量。

附图标记如下：

1-上t型块；2-上t型块固定板；3-上拉杆；4-楔形工具头；5-右胀套；6-左胀套；7-试样放置板；8-超声变幅杆；9-变幅杆固定圆板；10-变幅杆固定方板；11-下拉杆；12-换能器；13-下t型块固定板；14-下t型块；15-超声波发生器；16-计算机；17-内六角螺钉；18-变幅杆固定压板；19-试样。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

一种非共振形式的高频振动裂解试验装置，包括胀套和楔形工具头4；所述胀套置于试样放置板7上，胀套包括左胀套6和右胀套5，左胀套6和右胀套5通过方槽卡在楔形工具头4小端的外侧；所述楔形工具头4的小端与超声变幅杆8的一端连接，所述超声变幅杆8的另一端与超声波换能器12连接，超声波换能器12与超声波发生器15连接。

进一步的，所述楔形工具头4设置在上固定支架内，上固定支架包括试样放置板7和上固定板2；所述上固定板2可通过螺栓固定在支撑架上。

进一步的，所述超声变幅杆8一端设置在下固定支架内，下固定支架包括变幅杆固定圆板9和下固定块14，所述超声变幅杆8穿过变幅杆固定圆板9，且可随变幅杆固定圆板9移动；下固定块14可与拉伸试验机连接，从而带动下固定支架移动。

进一步的，所述超声波发生器15通过计算机16控制。

进一步的，裂解试验前，试样19套装在胀套的外侧。

进一步的，试样19内侧对称开设有裂解槽，裂解槽与胀套外侧上的配合面对齐布置。

进一步的，所述裂解槽，槽深0.2mm～0.8mm，角度0°～8°，曲率半径0.2mm～0.8mm。

进一步的，所述楔形工具头4楔角为12～16°。

非共振形式的高频振动裂解试验装置的试验方法，包括如下步骤：

s1、将左胀套6和右胀套5分别通过中间的方槽卡在楔形工具头4的两侧，并置于试样放置板7上，将试样19通过试样中心的圆孔从楔形工具头4上面的较大端面穿过，试样套装在胀套外侧，并置于试样放置板7上，调整试样19使得内侧的两个裂解槽与胀套的两个配合面外侧对齐；

s2、计算机16控制超声波发生器15在超声变幅杆8输出端产生频率、振动模态为径向振动、振动方向与楔形工具头4运动方向相同、初相为0、振幅可调的正弦或余弦信号；

s3、启动拉伸试验机，控制拉伸速度，直至试样19在拉伸机和超声的共同作用下被左胀套6和右胀套5胀断，记录拉伸机上裂解力-位移变化曲线，选取裂解力值居中的试样的力-位移曲线进行分析；

s4、关闭拉伸机，关闭超声；

s5、取下试样19，定义两个对称的裂解槽端点之间的弦长为l、同侧圆弧上的点与该弦最大的垂直距离为h、裂解前后l/2+h的差值为试样大头孔的变形量，并测量裂解前后定义尺寸的变形量。

一种非共振形式的高频振动裂解试验装置，为了解决目前共振形式裂解装置可研究的超声振幅范围小、目前试验装置采用一端固定一端连接振动方式造成的不利于超声波传递和易损害装置、常用轴类试样在超声裂解时易出现未拉而直接振动等问题，采用非共振形式的高频振动裂解试验装置，更加有效地将超声能量传递给试样，使得试验过程更加稳定、试验结果更加可靠，同时扩大研究范围，如超声振动的频率、振幅和拉伸机速度等对金属材料裂解过程和结果影响的一般性规律。其装置如图1所示，其主要包括胀套、楔形工具头、上固定支架、下固定支架、超声振动机构。所述胀套(如图2所示)厚度为10mm；所述楔形工具头4楔角为16°，较小端面的宽度为15mm，上下端面之间的长度为135mm，厚度为10mm，并在小端面中心设计一个m8×20的细牙螺纹孔，方便工具头小端面与变幅杆8的配合。所述上固定支架包括试样放置板7、4根上拉杆3、上t型块固定板2和上t型块1，材料均采用q235钢。

所述下固定支架包括变幅杆固定圆板9、变幅杆固定压板18、变幅杆固定方板10、4根下拉杆11、下t型块固定板13和下t型块14，且下固定支架在整个试验过程中不产生位移，其中固定圆板9、压板18、方板10、拉杆11和下t型块14的材料均采用q235钢。其中，固定圆板9和固定压板10的圆形通槽均和变幅杆8的圆柱外壁保持同心装配，只与变幅杆8的法兰接触而不与变幅杆8的圆柱外壁接触，且圆板9和压板18通过6个m4的内六角螺钉连接；变幅杆固定方板10厚度为20mm，在方板10中间开一个直径为56mm的通孔，可以让变幅杆固定圆板9下部分穿过，同时在方板10上以97mm为直径的圆上均匀布置6个m4的螺纹通孔，使得固定方板10与固定圆板9通过内六角螺钉17连接；下拉杆11直径为14mm，且为了防止换能器12与其他零部件接触，设计其总长为290mm，同时与固定方板10连接的一端螺纹长度为35mm，与下t型块固定板13裂解的一端螺纹长度为25mm；下t型块14穿过下t型块固定板13中间的方槽，并通过4个m6的螺钉固定在下t型块固定板13上，在试验中，下t型块14被拉伸试验机的下夹具夹紧。所述超声振动机构包括计算机系统16、超声发生器15、变幅杆8、换能器12。

其中，计算机16、超声波发生器15和换能器12通过导线连接；变幅杆8和换能器12通过螺纹连接，为了使得非共振形式裂解研究的频率和振幅范围较广，同时装置可以适用于各种不同试样，且需在变幅杆8输出端中心加工出m8×20的细牙螺纹孔，方便与楔形工具头4小端面通过全螺纹螺柱连接，所以选择放大系数较大且螺纹孔加工方便的阶梯形变幅杆8，同时需要在此阶梯形变幅杆8的应力最小节面处加工一个法兰盘，方便变幅杆8的固定，且法兰盘厚度应较小，以减小振动能量的损失，

具体实施例

一种非共振形式的高频振动裂解方法，试验所用裂解试样19(如图3所示)整体外形是边长为64mm的正方形，厚度为5mm，材料选用45钢。为了在试验过程中更换试样时无需拆卸固定支架，设计试样19的大头孔直径为54mm，可以直接将试样19从工具头4上方放入，并在大头孔左右两侧加工出两个对称的裂解槽，槽深为0.2mm～0.8mm，角度为0°～8°，曲率半径为0.2mm～0.8mm。在本实验中，所用裂解槽槽深为0.6mm，角度为0°，曲率半径为0.2mm。具体试验步骤如下：

s1、将左右胀套分别通过胀套中间的方槽卡在楔形工具头4的两侧，放置于试样放置板7上，将上述试样19通过试样中心的圆孔从楔形工具头4上面的较大端面穿过放置于试样放置板7上，并调整试样19使得内侧的两个裂解槽与胀套的两个配合面外侧对齐；

s2、计算机系统16控制超声波发生器15在超声变幅杆8输出端产生不同频率(20khz～40khz)、振动模态为径向振动、振动方向与楔形工具头4运动方向相同、初相为0、振幅可调的正弦或余弦信号，本试验中调节频率为20khz、振幅分别为0μm、6μm、15μm、25μm、30μm，且以每个振幅下做三次试验；

s3、启动拉伸试验机产生不同拉伸速度(15mm/min～30mm/min)，本实验中控制拉伸速度为20mm/min，使得工具头在变幅杆的带动下不断向下移动并高频振动，直至试样在拉伸机和超声的共同作用下被左右胀套胀断，并记录拉伸机上裂解力-位移变化曲线，选取裂解力值居中的试样的力-位移曲线进行分析，如图5所示。

s4、关闭拉伸机，关闭超声；

s5、取下试样19，为了研究非共振时不同振幅对裂解试样变形量和裂解力的影响规律，获得合适的非共振形式裂解的超声振幅范围，以减小非共振形式的裂解力和试样变形量，同时为方便定量研究超声振动对大头孔变形量的影响，定义两个对称的裂解槽端点之间的弦长为l、同侧圆弧上的点与该弦最大的垂直距离为h、裂解前后l/2+h的差值为试样大头孔的变形量，定义变形量尺寸如图4所示，并测量裂解前后定义尺寸的变形量如图6所示。

由图5拉伸机的裂解力-位移变化曲线可知：在非共振形式的超声辅助裂解时，振幅低于15μm时，振幅的提高使得试样裂解时的裂解力、拉伸机的位移量均减小；振幅高于15μm时，振幅的提高使得试样裂解时的裂解力、拉伸机的位移量均增加。这些现象表明存在一个振幅范围，可以有效降低裂解力、减小拉伸机的位移量。由图6不同振幅下试样大头孔的变形量可知：振幅的改变对△(l/2)的影响较小，对△h的影响较大。高频振动辅助裂解不一定能减小大头孔的变形量，当振幅6μm时，试样变形量陡增，大于无振动裂解；当振幅15μm时，试样变形量最小；当振幅高于15μm后，大头孔变形量随振幅增加而增加，甚至会大于无振动裂解。这些现象表明存在一个振幅范围，可以有效减小大头孔的变形量。综合图5和图6考虑，超声辅助裂解时，存在一个超声范围，可以有效减小裂解力和大头孔变形量，更适合连杆的裂解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。