超声振动辅助金属板材杯突试验装置及试验装置使用方法与流程

本发明涉及超声振动下金属板材成形性能测试的技术领域，具体是指一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置及试验装置使用方法。

背景技术：

超声振动辅助金属塑性成形工艺是金属塑性成形中对金属材料或模具施加超声振动的一种特种塑性加工工艺。已有研究表明，金属塑性成形中对模具或工件施加振动，可提高金属材料塑性，降低金属材料变形抗力，大幅提高金属塑性成形件表面质量和模具使用寿命。该工艺可应用于金属拉拔、金属拉丝、金属挤压、金属焊接和金属轧制等。但现有关超声振动辅助金属塑性成形的理论研究相对滞后，尤其有关超声振动辅助金属板材冲压成形研究尚存不足，如超声振动对金属板材冲压成形性能的影响机理有待进一步研究。传统杯突试验可用于判定金属板材的冲压成形性能，但超声振动辅助下金属板材的冲压成形性能尚无测试装置。为表征超声振动对金属板材冲压成形性能的影响，亟需开发一种具有超声振动功能的金属板材冲压成形性能测试装置以表征超声振动下金属板材冲压成形性能，为研究超声振动对金属板材冲压成形性能的影响提供硬件支持。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置及试验装置使用方法，实现定量表征超声振动对金属板材冲压成形性能的影响。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置，包括超声振动装置、压紧力缸筒以及设置于所述压紧力缸筒内的压紧力活塞；所述超声振动装置包括带法兰变幅杆、换能器及超声波电源；所述压紧力缸筒的底部设置有开口，开口通过冲力缸盖封堵，所述冲力缸盖上设置有第一进油口及第一出油口，所述冲力缸盖的两端与压紧力缸筒的开口之间分别形成第二进油口及第二出油口；压紧力活塞设置于所述压紧力缸筒内，所述压紧力活塞的一端设置有冲力缸筒，所述冲力缸筒的末端与所述冲力缸盖固定连接，所述冲力缸筒内还设置有冲力活塞；所述压紧力活塞的另一端设置有一开口，所述开口上设置有垫模压盘，所述垫模压盘的两端抵接所述压紧力活塞的端部；所述垫模压盘上设置有贯穿槽，所述贯穿槽的周部设置有抵接台，垫模设置于所述贯穿槽内并抵接所述抵接台使得所述垫模固定于所述垫模压盘上，所述垫模的中部设置有让位槽，冲头的一端设置于所述让位槽内，另一端穿过所述贯穿槽伸入所述垫模内部；所述垫模顶部放置有金属板材，所述金属板材背向所述垫模的一面设置有压模；所述冲头远离所述压模的一端固定连接有带法兰变幅杆，所述带法兰变幅杆连接有换能器，所述换能器通过导线连接有超声波电源；所述带法兰变幅杆与换能器设置于一传力支架内部。

在一较佳的实施例中，所述超声振动装置输出20khz以上频率的高频振动，其振动方向沿带法兰变幅杆的轴线方向。

在一较佳的实施例中，所述带法兰变幅杆的法兰盘位于带法兰变幅杆的节点处即超声振动时带法兰变幅杆上超声波振幅为零的位置，以确保变幅杆在进行纵向振动时，变幅杆上的法兰盘及传力支架的振幅为零。

在一较佳的实施例中，所述带法兰变幅杆须首先运用解析法计算初始尺寸，再用有限元法计算模态即固有频率和振型，最后以按所需设计频率轴向谐振为目标，对带法兰变幅杆形状尺寸进行优化设计，使所述带法兰变幅杆的固有频率与所述超声振动装置的输出频率一致，并使其振型模态为沿轴线方向振动，保证所述带法兰变幅杆能沿其轴线方向谐振。

在一较佳的实施例中，所述冲头为顶部具有球头形状的圆柱；冲头与对应的带法兰变幅杆在轴心位置采用双头螺柱连接。。

在一较佳的实施例中，首先运用解析法计算所述冲头的初始尺寸，再用有限元法计算模态即固有频率和振型、最后以按所需设计频率轴向谐振为目标，对冲头的形状尺寸进行优化设计，使所述冲头的固有频率与所述超声振动装置的输出频率一致，并使其振型模态为沿轴线方向振动，以保证冲头能沿其轴线方向谐振。

在一较佳的实施例中，所述传力支架一端与带法兰变幅杆的法兰盘连接，另一端与冲力活塞连接，实现将冲力载荷经带法兰变幅杆传递给冲头；冲头所受冲压载荷传递路线是由冲力活塞至传力支架至带法兰变幅杆的法兰盘及带法兰变幅杆至冲头，即所述冲头所受冲压载荷未传递给换能器。

在一较佳的实施例中，所述压模的型腔为杯形型腔；所述垫模在试验中对与压模、垫模接触的金属板材施加压紧力，使金属板材周边具有10kn夹紧力；所述垫模压盘在试验中对垫模施加压力；所述压紧力活塞、压紧力缸筒是对垫模压盘施加压力的液压元件，压力油进入压紧力缸筒时，压紧力活塞被向上推动，使垫模压盘压紧垫模，使金属板材被夹紧；

所述冲力活塞、冲力缸筒和冲力缸盖是使冲头上行的压力油工作腔的组成元件，压力油进入冲力缸筒时，冲力活塞被向上推动，推动所述传力支架、变幅杆和冲头向上并压向金属板材。

本发明还提供了一种试验装置使用方法，采用了上述的超声振动辅助金属板材杯突试验装置，具体方法为：

(一)在超声电源关闭后所做的传统杯突试验中，测出金属板材刚好破裂时冲头压入板材的深度并定义为传统杯突值ie1；

(二)在超声电源开启后所做的超声振动杯突试验中，测出金属板材刚好破裂时冲头压入板材的深度定义为超声杯突值ie2；

(三)超声振动对金属板材冲压成形性能的影响系数定义为δ，δ＝(超声杯突值ie2-传统杯突值ie1)/传统杯突值ie1×100％；所述影响系数δ越大，则说明超声振动对金属板材冲压成形性能的影响越大。

在一较佳的实施例中，通过调节超声波电源输出功率及调节冲头端部所获得的超声波振幅a，以便研究不同超声波振幅对系数δ和杯突值的影响规律；通过调节超声振动系统的频率h，以便研究不同超声频率对系数δ和杯突值的影响规律；金属板材的系数δ与超声振幅a和超声振动频率h的关系曲线，即，δ＝δ(a，h)，得到金属板材的超声杯突值ie2与超声振幅a和超声振动频率h的关系曲线，即，ie2＝ie2(a，h)。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置及试验装置使用方法，具体为一种具有超声振动功能的金属板材冲压成形性能测试装置，以实现定量表征超声振动对金属板材冲压成形性能的影响，为研究超声振动对金属板材冲压成形性能的影响提供硬件支持。

附图说明

图1是本发明优选实施例中一种具有超声振动辅助金属板材杯突试验装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中带法兰变幅杆的正面结构示意图；

图3是本发明优选实施例中带法兰变幅杆的剖面结构示意图；

图4是本发明优选实施例中带法兰变幅杆的俯视结构示意图；

图5是本发明优选实施例中冲头的正面结构示意图；

图6是本发明优选实施例中冲头的剖面结构示意图；

图7是本发明优选实施例中冲头的俯视结构示意图。

附图标记：1-压模，2-金属板材，3-垫模，4-冲头，5-垫模压盘，6-压紧力活塞，7-带法兰变幅杆，8-压紧力缸筒，9-换能器，10-传力支架，11-冲力缸筒，12-冲力活塞，13-冲力缸盖，14-导线，15-超声波电源。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种试验装置使用方法，采用了一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置，参考图1至7，包括超声振动装置、压紧力缸筒8以及设置于所述压紧力缸筒8内的压紧力活塞6；所述超声振动装置包括带法兰变幅杆7、换能器9及超声波电源15；所述压紧力缸筒8的底部设置有开口，开口通过冲力缸盖13封堵，所述冲力缸盖13上设置有第一进油口及第一出油口，所述冲力缸盖13的两端与压紧力缸筒8的开口之间分别形成第二进油口及第二出油口；压紧力活塞6设置于所述压紧力缸筒8内，所述压紧力活塞6的一端设置有冲力缸筒11，所述冲力缸筒11的末端与所述冲力缸盖13固定连接，所述冲力缸筒11内还设置有冲力活塞12；所述压紧力活塞6的另一端设置有一开口，所述开口上设置有垫模压盘5，所述垫模压盘5的两端抵接所述压紧力活塞6的端部；所述垫模压盘5上设置有贯穿槽，所述贯穿槽的周部设置有抵接台，垫模3设置于所述贯穿槽内并抵接所述抵接台使得所述垫模3固定于所述垫模压盘5上，所述垫模3的中部设置有让位槽，冲头4的一端设置于所述让位槽内，另一端穿过所述贯穿槽伸入所述垫模3的内部；所述垫模3的顶部放置有金属板材2，所述金属板材2背向所述垫模3的一面设置有压模1；所述冲头4远离所述压模1的一端固定连接有带法兰变幅杆7，所述带法兰变幅杆7连接有换能器9，所述换能器9通过导线14连接有超声波电源15；所述带法兰变幅杆7与换能器设置于一传力支架10内部。所述传力支架10用于避免对应超声振动系统的换能器9承受较大载荷，保证了换能器9能稳定地产生和输出超声振动。所述超声振动装置输出20khz以上频率的高频振动，其振动方向沿带法兰变幅杆7的轴线方向。所述超声波电源15含有电源开关能控制超声振动系统的工作与否，且还具有调节振幅a(例如能使振幅在0～20μm间连续调节)和调节频率h(例如能使输出频率从20khz-25khz之间连续调节)的功能。

所述带法兰变幅杆7的法兰盘71位于带法兰变幅杆7的节点处即超声振动时带法兰变幅杆7上超声波振幅为零的位置，以确保变幅杆在进行纵向振动时，变幅杆上的法兰盘71及传力支架10的振幅为零。

所述带法兰变幅杆7须首先运用解析法计算初始尺寸，再用有限元法计算模态即固有频率和振型，最后以按所需设计频率轴向谐振为目标，对带法兰变幅杆7形状尺寸进行优化设计，使所述带法兰变幅杆7的固有频率与所述超声振动装置的输出频率一致，并使其振型模态为沿轴线方向振动，保证所述带法兰变幅杆7能沿其轴线方向谐振。

所述冲头4为顶部具有球头形状的圆柱；冲头4与对应的带法兰变幅杆7在轴心位置采用双头螺柱连接。

首先运用解析法计算所述冲头4的初始尺寸，再用有限元法计算模态即固有频率和振型、最后以按所需设计频率轴向谐振为目标，对冲头4的形状尺寸进行优化设计，使所述冲头4的固有频率与所述超声振动装置的输出频率一致，并使其振型模态为沿轴线方向振动，以保证冲头4能沿其轴线方向谐振。

所述传力支架10一端与带法兰变幅杆7的法兰盘71连接，另一端与冲力活塞12连接，实现将冲力载荷经带法兰变幅杆7传递给冲头4；冲头4所受冲压载荷传递路线是由冲力活塞12至传力支架10至带法兰变幅杆7的法兰盘71及带法兰变幅杆7至冲头4，即所述冲头4所受冲压载荷未传递给换能器9。

所述压模1的贯穿槽为杯形型腔；所述垫模3在试验中对与压模1、垫模3接触的金属板材2施加压紧力，使金属板材2周边具有10kn夹紧力；所述垫模压盘5在试验中对垫模3施加压力；所述压紧力活塞6、压紧力缸筒8是对垫模压盘5施加压力的液压元件，压力油进入压紧力缸筒8时，压紧力活塞6被向上推动，使垫模压盘5压紧垫模3，使金属板材2被夹紧；

所述冲力活塞12、冲力缸筒11和冲力缸盖13是使冲头4上行的压力油工作腔的组成元件，压力油进入冲力缸筒11时，冲力活塞12被向上推动，推动所述传力支架10、变幅杆和冲头4向上并压向金属板材2。

具体方法为：

(一)在超声电源关闭后所做的传统杯突试验中，测出金属板材2刚好破裂时冲头4压入板材的深度并定义为传统杯突值ie1；

(二)在超声电源开启后所做的超声振动杯突试验中，测出金属板材2刚好破裂时冲头4压入板材的深度定义为超声杯突值ie2；

(三)超声振动对金属板材2冲压成形性能的影响系数定义为δ，δ＝(超声杯突值ie2-传统杯突值ie1)/传统杯突值ie1×100％；所述影响系数δ越大，则说明超声振动对金属板材2冲压成形性能的影响越大。

通过调节超声波电源15输出功率及调节冲头4端部所获得的超声波振幅a，以便研究不同超声波振幅对系数δ和杯突值的影响规律；通过调节超声振动系统的频率h，以便研究不同超声频率对系数δ和杯突值的影响规律；金属板材2的系数δ与超声振幅a和超声振动频率h的关系曲线，即，δ＝δ(a，h)，得到金属板材2的超声杯突值ie2与超声振幅a和超声振动频率h的关系曲线，即，ie2＝ie2(a，h)。

可通过调节超声波电源15的输出功率，调节冲头4的振幅a(例如使振幅在0～20μm间连续调节)，获得系数δ与振幅a的关系曲线和ie2与振幅a的关系曲线。以便研究不同超声波振幅a对系数δ和ie2的影响规律。还可通过调节超声振动系统的频率h(例如使输出频率从20khz-25khz之间连续调节)，并获得振动频率h与δ的关系曲线和振动频率h与ie2的关系曲线，以研究不同超声频率h对系数δ和ie2的影响规律。

本发明提供了一种超声振动辅助金属板材杯突试验装置及试验装置的使用方法，具体为一种具有超声振动功能的金属板材2冲压成形性能测试装置，以实现定量表征超声振动对金属板材2冲压成形性能的影响，为研究超声振动对金属板材2冲压成形性能的影响提供硬件支持。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。