CN109283067A - 一种金属板材双向剪切试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板材双向剪切试验装置，包括伺服电机、减速机构、测量仪器、拉压剪切机构和旋转剪切机构。伺服电机为整个装置提供动力，驱动整个装置的运转；减速机构是为了将高速的电机转动转化为低速的剪切运动；测量仪器是为了测量试验过程中产生的作用力和变形；拉、压剪切机构和旋转剪切机构是整个试验装置的执行机构，是为了实现双向剪切试件两个方向的剪切变形。利用电机驱动能够实现双向剪切时，任意比例恒定的拉、压剪切变形和旋转剪切变形，提高试验试验结果的可靠性；通过驱动***的正转和反转，实现金属板材的正反向剪切，从而更全面的研究材料性能。

Description

一种金属板材双向剪切试验装置

技术领域

本发明属于一种试验装置，是一种可以用于测量金属板材剪切性能的试验装置，具体涉及一种金属板材双向剪切试验装置。

背景技术

近年来，为了尽可能的提高材料的利用率和充分发挥材料性能，一些新的材料性能测试方法逐渐被人们所采用。金属板材的剪切试验因测试应变范围大，可以研究大应变的材料行为而受到广泛关注。目前，对金属板材剪切试验以及包含剪切的试验方式已有很多，但是对于板材双向剪切时的性能研究较少，而不同的变形状态对材料性能影响很大。

经过对现有技术的文献检索发现，公开号为CN108169036A的中国专利，发明名称：一种机械式金属板材双向剪切装置，该装置可以实现金属板材的双向剪切，用于研究双向剪切的变形行为，但是这种装置所述的旋转式剪切和下压式剪切之间的变形比例是固定的，若想改变变形比例，需要更换不同的连杆，并且对连杆的尺寸提出了要求，成本较高且非常不方便。另外，在试验过程中，两种变形方式的比例并不是恒定，会对试验结果造成一定的影响。同时试件的内外圈都采用螺栓固定，当内圈固定后，外圈螺栓安装不方便，且容易发生相对滑动。由于连杆机构的使用会出现自锁现象，会影响试验过程中的最大运行位移，并且不能用于研究材料循环剪切时的材料性能。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种金属板材双向剪切试验装置，可以实现金属板材双向剪切时，任意比例恒定的拉、压剪切变形和旋转剪切变形，提高试验结果的可靠性；通过驱动***的正转和反转，实现金属板材的拉压式剪切或顺逆旋转剪切，从而更全面的研究材料性能。该装置工艺简单，操作方便，具有低成本、短流程、高效便捷等优点，易于大规模工业化应用。

本发明的技术方案是：一种金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：包括伺服电机,减速机构,测量仪器,拉、压剪切机构和旋转剪切机构；所述伺服电机包括两个伺服电机，用于提供动力驱动所述试验装置运转；两个所述减速机构分别与两个所述伺服电机连接，用于将高速的电机转动转化为低速的剪切运动；所述测量仪器力传感器、位移传感器、扭矩传感器和角度传感器，用于测量试验过程中产生的作用力和变形；所述拉、压剪切机构和旋转剪切机构，用于实现圆形板状结构的双向剪切试件轴向和周向两个方向的剪切变形；

所述拉、压剪切机构包括丝杠、丝杠固定座、可移动支座、可移动支架、圆凸台和压紧块；所述丝杠两端分别穿过所述丝杠固定座上的两个通孔，并与所述通孔间隙配合，所述丝杠固定座用于支持所述丝杠，所述丝杠一端与一个所述减速机构连接；所述可移动支座开有螺纹通孔，与所述丝杠的螺纹配合；所述减速机构通过带动所述丝杠转动，进一步带动所述可移动支座移动，所述位移传感器安装于所述可移动支座上，用于测量试件变形位移；所述可移动支座朝向所述旋转剪切机构的一端依次固定安装有力传感器、可移动支架和圆凸台；所述圆凸台为圆柱体结构，其一端固定于所述可移动支架上，另一端穿过所述压紧块上的台阶通孔与所述双向剪切试件同轴固定连接；所述压紧块为柱状结构，其上所述台阶通孔位于中心轴位置，大孔径一端与所述双向剪切试件间隙配合，小孔径一端套装于所述圆凸台上；

所述旋转剪切机构一端与所述压紧块连接，另一端通过轴与另一个所述减速机构连接；所述旋转剪切机构包括承接盘、扭矩传感器、旋转块和轴承座；所述轴穿过所述轴承座通孔内安装的轴承，通过所述轴承支承所述轴；所述轴上安装有所述角度传感器，用于测量旋转式剪切试验过程中产生的变形转角；所述旋转块一端与所述轴同轴固定连接，另一端同轴依次固定连接有所述扭矩传感器和承接盘；所述承接盘为一端开口的中空圆柱体结构，其封闭端与所述扭矩传感器连接，开口端为法兰盘结构，所述法兰盘内径小于所述双向剪切试件直径，外径大于所述双向剪切试件直径；

所述圆凸台直径小于所述承接盘法兰盘内径；所述伺服电机运转，使所述可移动支座移动，进一步推动所述双向剪切试件，使所述双向剪切试件与所述承接盘的法兰盘同轴接触后，用螺栓将所述压紧块和所述承接盘同轴紧固。

本发明的进一步技术方案是：所述双向剪切试件两端面相同位置设置有同轴环形凹槽；所述圆凸台直径小于所述凹槽内壁直径；所述压紧块小孔径一端直径大于所述凹槽外壁直径；所述承接盘的法兰盘内径大于所述双向剪切试件凹槽外壁直径。

本发明的进一步技术方案是：所述拉、压剪切机构还包括导轨和作用支座，所述作用支座固定于所述可移动支架下方，起支撑作用；所述可移动支座和作用支座底部均安装有滑轨或滑块与所述导轨配合，用于减少所述可移动支座和可移动支架受力移动时的阻力。

本发明的进一步技术方案是：所述可移动支架为U型结构，其一端侧壁与所述力传感器固定，另一端侧壁与所述圆凸台固定，下端面与所述作用支座固定。

本发明的进一步技术方案是：所述减速机构包括减速器、涡轮蜗杆副、机座和联轴器，依次与所述伺服电机连接。

有益效果

本发明针对金属板材剪切性能，提出一种能够测量金属板材剪切性能的试验装置。本发明的有益效果在于：

1.通过电机驱动能够同时进行金属板材的双向剪切或单向剪切试验，无需更换其他设备给试验带来便捷；并且能够保证拉、压式剪切变形和旋转式剪切变形比例恒定；

2.利用电机的正转和反转可以对试件进行拉、压两种状态的循环剪切试验和顺时针、逆时针旋转剪切试验，能够研究材料的随动强化剪切性能；

3.通过电机的正转和反转可以同时进行拉(压)和旋转双向剪切试验，用于研究双向剪切时的随动强化剪切性能；

4.利用电机驱动进行剪切试验时，可以实现任意比例的下压式剪切变形和旋转式剪切变形，且没有最大变形的限制，提高了试验结果的可靠性；

5.本发明使用角度传感器进行旋转角度的测量，测量结果比现有技术中利用连杆机构的三角变换更精确；

6.使用压紧块和承接盘压紧固双向剪切试件的结构，相对于现有技术使用螺栓直接固定更可靠，且不会发生相对位移；

7.本发明可以通过更换不同的减速器或不同传动比的涡轮蜗杆副，改变试验时的变形速率，进而研究变形速率对试验性能的影响。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为减速机构示意图；

图3为拉(压)剪切机构示意图；

图4为旋转机构示意图；

附图标记说明：1-第一伺服电机；2-第一减速器；3-第一机座；4-第一联轴器；5-第一蜗杆；6-第一涡轮；7-第二联轴器；8-丝杠固定座；9-固定支架；10-位移传感器；11-位移传感器固定架；12-导轨；13-滑块；14-可移动支座；15-丝杠；16-力传感器；17-作用支座；18-轴承座；19-第二蜗杆；20-第二机座；21-角度传感器；22-第二涡轮；23-第二减速器；24-第二电机；25-轴；26-旋转块；27-扭矩传感器；28-承接盘；29-双向剪切试件；30-压紧块；31-圆凸台；32-可移动支架。

具体实施方式

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。

参见图1，本发明一种金属板材双向剪切试验装置，包括伺服电机，减速机构，测量仪器，拉、压剪切机构和旋转机构组成。伺服电机用于提供整个双向剪切装置的动力，并且可以通过编程实现伺服电机的正反转，从而进行拉剪或压剪和旋转剪切变形，研究材料的正反向剪切性能。双向剪切试件为圆形板状结构，其两端面相同位置设置有同轴环形凹槽。

由于进行剪切试验时需要较小的运动速度，因而需要对整个装置的变形速度进行控制，尤其是剪切变形速度。参照图2，减速机构包括减速器、涡轮蜗杆副、机座和联轴器，减速器与电机进行配套使用，同时选择合适传动比的涡轮蜗杆进行进一步减速，减速机构通过机座固定在试验平台上。

测量仪器包括力传感器16、位移传感器10、角度传感器21和扭矩传感器27，主要用于测量和记录剪切试验过程中产生的力值、位移、转角和扭矩。

参照图3，拉、压剪切机构是整个装置的一个执行机构，用于实现金属板材一个方向的剪切，具体拉、压剪切运动可由伺服电机的正转和反转进行控制。拉、压剪切机构包括导轨12、滑块13、丝杠15、丝杠固定座8、可移动支座14、作用支座17、圆凸台31和压紧块30构成。其中丝杠固定座8、导轨12和固定支架9安装在试验平台上，用于整个机构的固定。拉、压剪切机构一端与第二联轴器7连接，另一端与所述旋转剪切机构一端连接；丝杠15两端分别穿过丝杠固定座8上的两个通孔，并与所述通孔间隙配合，丝杠固定座8用于支持所述丝杠，丝杠一端与第二联轴器7连接；可移动支座14开有螺纹通孔，与丝杠15的螺纹配合；所述减速机构通过带动丝杠15转动，进一步带动可移动支座14移动，位移传感器10通过位移传感器固定架11安装于可移动支座14上，通过与固定支架9之间的相对距离变化测量在拉、压剪过程中产生的位移；可移动支座14朝向所述旋转剪切机构的一端依次固定安装有力传感器16、可移动支架32和圆凸台31，通过力传感器16测量试验过程中的拉力或压力。圆凸台31为圆柱体结构，其一端固定于可移动支架32上，另一端穿过压紧块30上的台阶通孔与双向剪切试件29同轴固定连接；压紧块30为柱状结构，其上所述台阶通孔位于中心轴位置，大孔径一端与双向剪切试件29外周面间隙配合，用于限制所述双向剪切试件29径向运动，小孔径一端套装于所述圆凸台上。所述圆凸台31直径小于所述双向剪切试件的凹槽内壁直径；压紧块30小孔径一端直径大于所述双向剪切试件的凹槽外壁直径。

作用支座17固定于可移动支架32下方，起支撑作用；可移动支座14和作用支座17底部均安装有滑块13与导轨12配合，用于减少作用支座17和可移动支架32移动时来自试验平台的阻力。可移动支架32为U型结构，其一端侧壁与所述力传感器固定，另一端侧壁与圆凸台31固定，下端面与作用支座17固定，此结构为保证安装时的同轴度，用于拉、压剪试验过程中载荷的传递，使力传感器测量更准确。

参照图4，旋转机构是整个装置的另一个执行机构，其一端与压紧块30连接，另一端通过轴25与另一个所述减速机构连接；包括承接盘28、扭矩传感器27、旋转块26和轴承座18；轴承座18安装在试验平台上，所述轴穿过所述轴承座通孔内安装的轴承，通过所述轴承支承所述轴；所述轴承座18用于整个旋转机构的同轴固定。轴25一端与角度传感器21连接，当进行旋转式剪切变形时，轴25会发生旋转，通过角度传感器21可以测量试验过程中的角度变化。旋转块26一端与轴25同轴固定连接，另一端与扭矩传感器27同轴固定连接，并与轴25通过键连接，通过轴25的旋转带动旋转块26的旋转，从而使整个旋转机构对双向剪切试件29进行旋转式剪切。承接盘28为一端开口的中空圆柱体结构，其封闭端与扭矩传感器27同轴固定连接，开口端为法兰盘结构，所述法兰盘内径小于双向剪切试件29直径，大于双向剪切试件29凹槽外壁直径；所述法兰盘外径大于双向剪切试件29直径；

圆凸台31直径小于承接盘28的法兰盘内径；伺服电机1运转，使可移动支座移动32，进一步推动双向剪切试件29，使双向剪切试件29与承接盘28的法兰盘同轴接触后，用螺栓将压紧块30和承接盘28同轴紧固。

试验开始前，将双向剪切试件29通过螺栓固定在圆凸台31上，压紧块30穿过圆凸台31，然后第一伺服电机1运转，使可移动支座14移动，推动作用支座17运动使之靠近承接盘28，待双向剪切试件29与承接盘28接触后，通过螺栓将压紧块30将双向剪切试件压紧固定，至此，双向剪切试件安装完成。试验时，对控制两个方向剪切的伺服电机进行编程控制，通过电脑程序控制作用支座17的移动量和轴25的旋转量，进而控制拉、压剪切变形量和旋转剪切变形量。对应的力传感器16和位移传感器10测量拉、压剪切变形过程中的拉、压力和位移，角度传感器21和扭矩传感器27测量旋转剪切变形中的旋转角度和扭矩。通过对传感器测量值进行分析，可以对剪切试验过程进行反馈调节，以此控制试验过程两个变形方向的剪切量比例保持恒定，研究拉、压剪切和旋转剪切不同比例对材料性能的影响。

双向剪切试件29也可以是其他板状结构，如四边形等，所述压紧块30台阶通孔的大孔径一端形状与双向剪切试件29外形相配合，并保持间隙配合。

另外在试验中可以单独使用一个电机，从而独立的进行拉、压剪切试验或旋转剪切试验，以此来研究单向剪切与双向剪切的耦合关系。

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。

Claims (5)

1.一种金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：包括伺服电机,减速机构,测量仪器,拉、压剪切机构和旋转剪切机构；所述伺服电机包括两个伺服电机，用于提供动力驱动所述试验装置运转；两个所述减速机构分别与两个所述伺服电机连接，用于将高速的电机转动转化为低速的剪切运动；所述测量仪器力传感器、位移传感器、扭矩传感器和角度传感器，用于测量试验过程中产生的作用力和变形；所述拉、压剪切机构和旋转剪切机构，用于实现圆形板状结构的双向剪切试件轴向和周向两个方向的剪切变形；

所述拉、压剪切机构包括丝杠、丝杠固定座、可移动支座、可移动支架、圆凸台和压紧块；所述丝杠两端分别穿过所述丝杠固定座上的两个通孔，并与所述通孔间隙配合，所述丝杠固定座用于支持所述丝杠，所述丝杠一端与一个所述减速机构连接；所述可移动支座开有螺纹通孔，与所述丝杠的螺纹配合；所述减速机构通过带动所述丝杠转动，进一步带动所述可移动支座移动，所述位移传感器安装于所述可移动支座上，用于测量试件变形位移；所述可移动支座朝向所述旋转剪切机构的一端依次固定安装有力传感器、可移动支架和圆凸台；所述圆凸台为圆柱体结构，其一端固定于所述可移动支架上，另一端穿过所述压紧块上的台阶通孔与所述双向剪切试件同轴固定连接；所述压紧块为柱状结构，其上所述台阶通孔位于中心轴位置，大孔径一端与所述双向剪切试件间隙配合，小孔径一端套装于所述圆凸台上；

所述旋转剪切机构一端与所述压紧块连接，另一端通过轴与另一个所述减速机构连接；所述旋转剪切机构包括承接盘、扭矩传感器、旋转块和轴承座；所述轴穿过所述轴承座通孔内安装的轴承，通过所述轴承支承所述轴；所述轴上安装有所述角度传感器，用于测量旋转式剪切试验过程中产生的变形转角；所述旋转块一端与所述轴同轴固定连接，另一端同轴依次固定连接有所述扭矩传感器和承接盘；所述承接盘为一端开口的中空圆柱体结构，其封闭端与所述扭矩传感器连接，开口端为法兰盘结构，所述法兰盘内径小于所述双向剪切试件直径，外径大于所述双向剪切试件直径；

所述圆凸台直径小于所述承接盘法兰盘内径；所述伺服电机运转，使所述可移动支座移动，进一步推动所述双向剪切试件，使所述双向剪切试件与所述承接盘的法兰盘同轴接触后，用螺栓将所述压紧块和所述承接盘同轴紧固。

2.根据权利要求1所述金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：所述双向剪切试件两端面相同位置设置有同轴环形凹槽；所述圆凸台直径小于所述凹槽内壁直径；所述压紧块小孔径一端直径大于所述凹槽外壁直径。

3.根据权利要求2所述金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：所述拉、压剪切机构还包括导轨和作用支座，所述作用支座固定于所述可移动支架下方，起支撑作用；所述可移动支座和作用支座底部均安装有滑轨或滑块与所述导轨配合，用于减少所述可移动支座和可移动支架受力移动时的阻力。

4.根据权利要求3所述金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：所述可移动支架为U型结构，其一端侧壁与所述力传感器固定，另一端侧壁与所述圆凸台固定，下端面与所述作用支座固定。

5.根据权利要求1所述金属板材双向剪切试验装置，其特征在于：所述减速机构包括减速器、涡轮蜗杆副、机座和联轴器，依次与所述伺服电机连接。