一种自动检测的板材厚向变形抗力试验模具的制作方法

本发明属于材料性能测试技术领域，涉及一种通过合理的检测控制装置搭建和结构设计，实现压缩过程中的精确实时测量的装置，具体为一种自动检测的板材厚向变形抗力试验模具，以及与该模具相适应的自动检测系统和方法。

背景技术：

随着机械制造、航空航天、石油化工、精密仪器等支柱型产业和建设型行业的迅猛发展，金属材料作为结构的基础材料，在其中，长期以来一直起到关键性的作用，对于材料性能的分析设备方法也引起了愈来愈多的重视。为深入研究金属的微观组织和力学性能，建立了一系列评估试验方法。同时随着对新兴产业的发展，也将智能化材料性能试验设备列入高端装备制造产业，成为重点支持技术领域。

压缩实验是材料性能测试中的一项重要内容，压缩模具是用来测定金属在一定的变形条件下进行塑性变形时于单位横截面积上抵抗此变形力的实验设备。如图1所示，原有的压缩模具是通过将压缩块做成窄长形，采用合理的外观几何尺寸，保证其具体应变条件。测试时在压缩块及试件表面擦拭润滑剂，从而保证压缩块的横向阻力趋于0。通过上下两个同样形状的尖状模具运动，实现试件的压缩过程。但上述模具存在这样的缺点：静止时，上、下压缩块对中具有随机效果；当工作时，由于对中不佳的现象会加剧，从而影响试验测量的精度。此外，压缩块形状简单，整体结构笨重，未进行合理设计，存在资源浪费问题。随后陈灿设计出了如下压缩模具，将下部设计为凹状滑道，防止测量试件横向滑动，提高了试件与压缩块的对中度，如图2所示。但是这种装置由于轨道壁板的限制性，对试验试件的尺寸精确度提出了更高的要求，如果加工精度较差，会导致试件无法安装或安装位置出现偏差，从而影响试验精度。若更改压缩面积进行试验时，模具需要重新安装与调试，工作量较大。此外，通过研究发现目前存在的压缩模具均需要借助性能较高、功能齐全、控制精度较高的试验机采集系统来完成所需位移、载荷数据的实时记录，从而计算金属材料的平面变形抗力。因此，这将对试验所进行的环境提出了很高的要求，从而也增加了试验的难度。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明旨在提供一种可以自动实时检测金属板料位移与载荷的变形抗力试验模具与系统，该模具主要针对板材进行研究，由于板材厚度方向小，因此主要采取压缩变形的方式测量金属平面变形抗力并进行研究。同时用以解决现存的对中不良、更换繁杂、受力不佳、对试验系统要求过高的问题。

本发明完整的技术方案包括：

一种自动检测的板材厚向变形抗力试验模具，其特征在于：包括压缩凹模、压缩凸模、位移传感器、载荷传感器，其中所述压缩凹模位于测量的试件上方，所述压缩凸模位于试件下方，在与试件接触的压缩凸模上方设置有下压缩块，在与试件接触的压缩凹模下方设置上压缩块，所述上压缩块和下压缩块的结构相同；其中在凹模与上压缩块、压缩凸模和下压缩块的连接处，分别设有略低于压缩块边缘高度的直角滑道，所述直角滑道分别位于压缩凹模和压缩凸模中心；

所述压缩凹模上设有用来安装与固定测量系统的凹模盲孔；

所述压缩凸模上设有安装载荷传感器的安装孔，并安装有载荷传感器，载荷传感器对压缩过程中的载荷进行测量；压缩凸模下方的横截面缩小，并设置有与试验机连接的圆孔通道；

位移传感器对压缩过程中压缩凹模和压缩凸模的位移变化进行测量；

所述上压缩块和下压缩块采用阶梯式设计，具体为包括多段台阶，各台阶之间采用圆弧过渡，与压缩试件接触的最前端为平面结构，各台阶之间的尺寸关系符合如下关系：

di≤3di+1(1)

bi≤3bi+1(2)

hi+1＞(bi-bi+1)(3)

hi+1＞(di-di+1)(4)

式中，di为第i级台阶的长度，bi为第i级台阶的宽度，hi+1为第i+1台阶的高度，其中i为正整数。

优选的，i∈{1，2，3}，即所述上压缩块和下压缩块均为四段台阶，即包括横截上下横截面积相同的第一台阶，以及横截面积依次缩小的第二台阶、第三台阶和第四台阶。

优选的，所述压缩凹模四周均匀分布有螺栓孔，通过固定螺栓与试验机完成装配。

优选的，通过紧固螺栓的松紧程度控制上压缩块和下压缩块的安装与更换。

带有所述板材厚向变形抗力试验模具的板材厚向变形抗力自动测量系统，所述的位移传感器为引伸计，包括：载荷传感器、位移传感器、测量杆、测量固块，所述位移传感器对压缩过程中压缩凹模和压缩凸模的位移变化进行测量；所述载荷传感器安装在压缩凸模的安装孔内，所述测量杆固定于测量固块上，所述测量固块依靠重力作用固定于压缩凹模上。测量固块上开设有固块盲孔，所述固块盲孔的直径小于压缩凹模盲孔直径，压缩凹模盲孔与固块盲孔构成阶梯孔，所述测量固块下方，向内钻取有较浅的圆形凹槽；所述测量固块与外套筒螺纹啮合，所述外套筒上方设有吊钩；

所述测量杆采用阶梯式分节结构，包括从上至下直径依次递减的上测量杆和从上至下直径依次递减的下测量杆，所述上测量杆在上部通过较大直径与定位螺栓实现紧密联合，并开设有防转凹槽，中间部装载有压缩弹簧，下部的外部设有有外螺纹，内部中心设有螺纹孔，外部通过定位螺帽安装，通过阶梯孔的阻碍作用以及弹簧的作用完成在一定范围内的直线往复运动。

下测量杆上部通过中间部中心的螺纹孔与上测量杆连接，并通过锁紧螺母固定，下测量杆下方为带有球角的直柱型探针，并与压缩凸模的上表面接触。

利用所述系统进行板材厚向变形抗力试验的方法，包括如下步骤：使下压缩块上行，对试件进行压缩，同时对底端球角施加向上的力，带动整个测量杆向上移动，从而使上部测量引脚产生位移，而此时下部引脚保持不变，上下引脚之间产生位移变化。得到试件压缩过程的压缩形变。并由载荷传感器测量其压缩力。

具体操作步骤为：首先将上测量杆和下测量杆连接在一起，然后通过拧紧螺栓固定，穿入测量固块开设的孔内，并将压缩弹簧套入测量杆中部，依靠定位螺栓，防止弹簧弹出，从而组成可直线收缩的测量系统，将压缩凹模与压缩凸模通过相应的连接结构与试验机相连接；

随后将此测量系统放置于压缩凹模之上，将底端球角与压缩凹模轻轻接触；将直角定位块、垫块与安装板放置与凹模上，安装压缩块时，将其贴紧直角定位块，然后取出，完成对压缩块对中度调试，拧紧直角滑道，固定压缩块，将测试试件放于其中，打开载荷传感器与位移传感器的数据显示器，进行试验。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果：

1)采用引伸计测量装置安装于模具上模，可依据试验机的情况，轻松安装与拆卸。并将载荷传感器安装于模具下模，完成对压缩过程中的位移和载荷实时测量，实现压缩和测量一体化。

2)采用柱塞式弹簧往复结构，可以使测量杆在每次完成测量任务后，恢复到原来的初始位置，进行下一次测量。

3)采用模块滑道机构，通过对螺栓松动的合理控制，实现更换压缩块的过程，达到改变压缩面积的目的。

4)压缩块的形状设计，通过合理的传力途径分析，在保证力传递合理的情况下，完成对压缩块的适度减重以及避免压缩过程中的损坏。

5)采用安装板与直角定位块，将试件置于其上紧贴，完成上下模具对中度的调试。

6)能够方便实现压缩过程中对载荷与位移的实时测量和采集，为板料成形加工提供完备的试验数据；该装置可以方便更换压缩块(21)(22)以实现不同压缩面积的试验，并具有良好的对中效果。具备良好测量系统的变形抗力试验模具将大大降低对试验机的功能要求，便捷试验进行。

附图说明

图1是现有技术中压缩块受力结构示意图。

图2为现有技术中平面应变压缩加载试样的示意图。

图3是本发明的变形抗力试验模具装配示意图。

图4是图3a处的放大图。

图5是图3b处的放大图。

图6是本发明的对中安装示意图。

图中具体标号如下：

1-压缩凸模，2-带有球角的直柱型探针，3-下测量杆，4-压缩凹模，5-锁紧螺母，6-定位螺帽，7-压缩弹簧，8-凹模盲孔，9-固块盲孔，10-上测量杆，11-防转凹槽，12-吊钩，13-定位螺栓，14-外套筒，15-引伸计，16-测量固块，17-圆形凹槽，18-连接螺栓，19-紧固螺栓，20-直角滑道，21-上压缩块，22-下压缩块，23-安装孔，24-圆孔通道，25-直角定位块，26-垫块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式实施例对本发明进一步说明，

如图3-6所示，本发明公开的一种自动检测的板材厚向变形抗力试验模具。

如图3所示，本发明的变形抗力试验模具装配结构为：压缩凹模4采用圆盘状，位于测试的试件上方，在其四周均匀分布螺栓孔18，通过固定螺栓与试验机完成装配。压缩凸模1位于测试的试件下方，与压缩凹模采用相同结构。分别在与试件接触的凸模1上方与凹模5下方设置相同的上下压缩块安装结构。其中在凹模4与上压缩块21、压缩凸模1和下压缩块22的连接处，分别通过设计略低于压缩块边缘高度的模块直角滑道20置于凹模和凸模中心，通过紧固螺栓19的松紧程度合理控制上压缩块21和下压缩块22的安装。本发明采用的凹状滑道是为了防止测试的试件横向滑动，提高了试件与压缩块的对中度。并通过对螺栓松动的合理控制，实现更换压缩块的过程，达到改变压缩面积的目的。并在凹模4上开设凹模盲孔8，用来安装与固定测量系统。

在凸模体上，设有安装孔23，从而合理安装载荷传感器，来实时检测板料在压缩过程中作用于试验样件的载荷大小。凸模1的下方横截面缩小，并设置有圆孔通道24与试验机连接。

本发明上压缩块21和下压缩块22的设计为通过采用力传递计算方法，完成多种压缩面积测量配套使用的多阶梯压缩块，减少传递过程中力的损失与材料的消耗。通过安装板与直角定位块25，将试件置于其上紧贴，完成压缩块对中调试。

其中上压缩块21和下压缩块22采用阶梯式设计，具体为包括多段横截面积依次缩小的台阶，各台阶之间采用圆弧过渡，与压缩试件接触的最前端为平面结构。具体到本实施例，如图3所示，上压缩块21和下压缩块22均为四段台阶，即包括横截上下横截面积相同的第一台阶，以及横截面积依次缩小的第二台阶、第三台阶和第四台阶。其中第四台阶与压缩试件接触。为了保证压缩过程中载荷的有效传递和减重，通过对其长、宽、高的特定尺寸计算，完成多阶梯压缩块设计，第2-4级台阶之间的尺寸关系为：

di≤3di+1(1)

bi≤3bi+1(2)

hi+1＞(bi-bi+1)(3)

hi+1＞(di-di+1)(4)

式中，di为第i级台阶的长度，bi为第i级台阶的宽度，hi+1为第i+1台阶的高度，i∈{1，2，3}；

同时对各级台阶之间采用圆角过渡，以实现压缩过程中载荷的有效传递。通过上述设计方式，可以纵向加载力往中部的集中，集中于固定的面积上，同时避免因截面积骤减导致压缩块在工作过程中损坏，并且起到良好的减重效果。

本发明同时还公开了带有上述模具的板材厚向变形抗力自动测量系统，通过将引伸计安装于压缩凹模测量试验板件变形的大小，将载荷传感器安装于压缩凹模，实时监测试验机对试验板件施加的载荷大小。两种器件配以数据显示器，可以直接显示试验过程中所需要的参数大小，完成对板件材料平面变形抗力大小的计算。实现测量、压缩一体化，降低对试验机的要求。

本测量系统集载荷测量和位移测量于一体，包括：载荷传感器、引伸计15、测量杆下3、上测量杆10、测量固块16等零件。其中载荷传感器安装在凸模1的安装孔23内，直接监测试验机作用于试验样件的载荷大小。由于对结构精密度要求较高，针对于此设立位移测量装置。位移测量采用引伸计15测量，因为其具有结构轻巧、使用方便、稳定可靠的特点，但由于引伸计15尺寸的限制问题，测量引脚不能直接与凹凸模固定安装，因此本发明采用间接双杆即上测量杆10和下测量杆3结合的测量方法。将上测量杆10固定于测量固块16，测量固块16依靠重力作用固定于凹模4上。测量固块16上开设固块盲孔9，固块盲孔9的直径小于压缩凹模盲孔8直径，压缩凹模盲孔8与固块盲孔9构成阶梯孔。为防止试验环境中的残渣、铁屑等浮于凹模6上表面，影响测量精度，在测量固块16下方，向内钻取较浅的圆形凹槽17，减小实验环境中残渣对测量结果精度的影响。测量固块16外部铸有螺纹，与外套筒14螺纹啮合，可利用套筒上方吊钩12随时拆卸与安装位移测量系统。

测量杆采用多阶梯分节式设计，利用柱塞式弹簧往复结构设计完成每次测量的自动回位，并便于携带，整体圆柱杆从上至下直径依次递减。从图3可以看出，上测量杆10包括面积较大的上部，通过较大直径与定位螺栓13实现紧密联合，同时连接引伸计15的上方测量引脚，上测量杆上部同时开设防转凹槽11。上测量杆10中间部装载有压缩弹簧7，下方外部布有外螺纹，中心内设有螺纹孔。外部通过定位螺帽6安装，通过阶梯孔的阻碍作用以及压缩弹簧7的作用完成在一定范围内的直线往复运动。下测量杆最下方为带有球角的直柱型探针2，其上方与上测量杆中心的螺纹孔连接，并通过锁紧螺母5固定，保证测量杆的垂直度与整体性。本发明测量杆的分节式设计方式，降低了零件加工的难度，便于携带。

当使用变形抗力试验模具进行工作时，首先将上测量杆下10和测量杆3连接在一起，然后通过拧紧螺栓固定，穿入测量固块16开设的孔内，并将压缩弹簧7套入测量杆中部，依靠定位螺栓，防止弹簧弹出，从而组成可直线收缩的测量系统。将压缩凹模6与压缩凸模1通过相应的连接结构与试验机相连接。随后，将此测量系统放置于压缩凹模6之上，将底端球角与压缩凹模6轻轻接触。将直角定位块25、垫块26与安装板放置与凹模6上，安装压缩块时，将其贴紧直角定位块25，然后取出，完成对压缩块对中度调试。拧紧直角滑道20，固定压缩块，将测试试件放于其中，打开载荷传感器与引伸计的数据显示器，进行试验。

引伸计上部的引脚连接上测量杆10的上部，下部的引脚连接测量固块16上方的连接部件，进行测试时，1)下压缩块上行，对试件进行压缩，同时对底端球角施加向上的力，带动整个测量杆向上移动，从而使上部测量引脚产生位移，而此时下部引脚保持不变，上下引脚之间产生位移变化。得到试件压缩过程的压缩形变。并由载荷传感器测量其压缩力，实验结束后，下压缩块下行，同时下测量杆在压缩弹簧的作用下行，回复原位。

本发明所用的位移传感器除引伸计外，还可采用光栅尺等其他形式的位移传感器。

本发明所公开的变形抗力试验模具和系统可以为计算钢板冷轧时的轧制力提供设计依据。

尽管为了说明的目的，已描述了本发明的示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解，不脱离所附权利要求中公开的发明的范围和精神的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改、添加和替换等的改变，而所有这些改变都应属于本发明所附权利要求的保护范围，并且本发明要求保护的产品各个部门和方法中的各个步骤，可以以任意组合的形式组合在一起。因此，对本发明中所公开的实施方式的描述并非为了限制本发明的范围，而是用于描述本发明。相应地，本发明的范围不受以上实施方式的限制，而是由权利要求或其等同物进行限定。