CN109632531B - 一种高强度循环剪切试验夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度循环剪切试验夹具，它由左右两边构成，在空间位置上呈旋转180度对称分布，左右两边各包括连接头组件、L型臂组件和夹持组件三部分；进行循环加载试验时，夹具一端固定，另一端进行循环往复运动，使试件发生循环剪切变形；本发明采用优化后的结构，在减轻质量的同时提高了强度刚度；滑动阻力小，试验精度高；间距可调，夹块可更换，适用于不同厚度的材料；结构简单，工艺性好，具有广阔应用前景。

Description

一种高强度循环剪切试验夹具
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域，尤其是一种针对高强板料在循环剪切变形下的力学性能试验的夹具，可用于航空航天、机械机电等工程领域的材料循环加载性能测试。
背景技术
近年来，随着产品轻量化、高强化的趋势的不断增加，高强板料的使用需求越来越大。而高强板料在成形复杂形状产品时会产生包辛格效应、软化效应等现象，使用循环加载试验来研究这些力学性能变化是成形高精度高质量产品的基础。
循环剪切试验作为循环加载试验的一种，由于可实现的应变大、数据处理方便获得了越来越广泛的应用。其通过控制试验机来带动夹具循环往复运动，使试件中心区产生多次的正反方向切应变，根据非接触应变测量和试验机的载荷曲线结果，便可得到循环加载下的切应力-切应变曲线。
然而，现有循环剪切试验夹具多为针对薄板材料，针对高强材料的循环剪切试验夹具少有研究。高强板料需要的测试力很大，已有的循环剪切试验夹具无法满足使用要求，一方面是因为强度有限，结构容易失效，另一方面是因为刚度有限，装置变形过大，试验精度差。此外，如单纯通过增加结构尺寸和厚度来提高强度，会导致夹具过重，试验时难以拆装。
发明内容
(1)目的：为了克服现有循环剪切试验夹具强度刚度差、重量大难以拆装的问题，本发明提供一种高强度循环剪切试验夹具，不仅可以保证高强材料测试的强度和刚度，而且采用优化设计的异形孔，保证强度和刚度的同时有效减轻了整体质量。
(2)技术方案：
本发明一种高强度循环剪切试验夹具(图1)，由左右两边在空间位置上呈旋转180度对称分布，左右两边各包括连接头组件(图2)、L型臂组件(图3)和夹持组件(图4)三部分；进行循环加载试验时，夹具一端固定，另一端进行循环往复运动，使试件发生循环剪切变形；
所述连接头组件(图2)包括连接头(1)与锁紧螺母(2)；连接头(1)底座部分设有均匀分布的4个沉头孔，通过螺钉固定在L型臂(3)的中心处；连接头(1)用于***试验机端头，设有横销孔，通过横销来固定连接头(1)与试验机端头，该连接头(1)上设有螺纹并配有锁紧螺母(2)，锁紧螺母(2)通过旋转产生上下位移来消除横销***之后残留的微小连接间隙，防止试验机循环加载时产生空行程导致试验失败；当安装就绪后，连接头(1) 轴心、试件中心、试验机中心三者重合，从而保证试件的剪切变形的精度；
所述L型臂组件(图3)包括L型臂(3)、导柱(5)、导套(4)、侧连接螺钉(6)、销钉(7)；所述L型臂(3)的形状构造是：由一段横梁和一段纵梁构成的L型结构，纵梁末端横向延伸出勾形块(该勾形块长15mm)用于给夹持组件施力，横梁和纵梁处设有若干线切割加工出的异形孔，L型臂(3)拐角处设计有20mm倒角，所述L型臂(3)整体结构与异形孔经过优化设计，确保最佳的强度刚度和拆装性；L型臂(3)顶部设有导套孔，底部设有导柱孔，顶部中央位置设有环形分布的4个螺钉孔用于与连接头(1)连接，侧面设有4个侧连接螺钉(6)和1个销钉(7)与夹持组件相连；通过导柱(5)和导套(4)进行导向，限制夹具左右两边只能在上下方向发生相对移动；
所述夹持组件(图4)包括上盖(8)、下盖(9)、上夹块(10)、下夹块(11)、调整垫板(12)、一级压紧螺钉(13)、二级压紧螺钉(14)、连接螺钉(15)；它们相互之间的关系是：上盖(8)和下盖(9)通过所述4个连接螺钉(15)连接，下盖(9)通过所述侧连接螺钉(6)固定在L型臂(3)上，L型臂(3)与下盖(9)之间垫有调整垫板(12)，上夹块(10) 与下夹块(11)分别位于上盖(8)与下盖(9)的凹槽内，试件位于上夹块(10)与下夹块 (11)之间，通过更换不同厚度的调整垫板(12)可以实现不同间距下的循环剪切试验；
所述上盖(8)的角部位置设有与L型臂(3)的勾形块对应形状的凹口，方便L型臂(3) 传递试验机运动；上盖(8)底部设有用于放置上夹块(10)的凹槽，凹槽深度大于上夹块(10) 厚度从而使上盖(8)下盖(9)更好贴合，保证夹持稳定；上盖(8)顶部四周设有4个螺钉过孔，用于穿入连接螺钉(15)并与下盖(9)连接，设有3个一级压紧螺钉(13)与6个二级压紧螺钉(14)用于给上夹块(10)施加压力从而压紧试件；一级压紧螺钉(13)呈三角排布确保施加压紧力稳定而均匀，二级压紧螺钉(14)设于上盖(8)边缘，防止易打滑的试件变形区边缘部位发生打滑；
所述下盖(9)与上盖(8)外形尺寸一致，通过侧连接螺钉(6)来与L型臂(3)连接，设有4个螺钉孔与上盖(8)连接，同时设有用于放置下夹块(11)的凹槽，凹槽与下夹块(11) 部分配合，凹槽的非配合部分用于容纳上夹块(10)的防转耳(101)，保证上、下夹块(10、 11)完全贴合，试件完全夹紧；
所述上夹块(10)为两端带防转耳(101)的矩形块，防转耳(101)与上盖(8)凹槽处保持一致，可以防止压紧螺钉拧入时带动上夹块(10)和试件移动；上夹块(10)其中一面为线切割加工的与水平方向成20度的网状齿面，根据试件的强度和厚度使用不同齿面的夹块，厚度越薄，使用的齿面花纹深度越浅，间距越密，这样可以防止试件的失稳与过早破裂；所述下夹块(11)除不含防转耳(101)外，其余特征与上夹块(10)一致。
(3)优点和功效：
1.优化设计的L型臂(3)和异形孔不仅提高夹具的强度刚度，避免了试验过程中夹具刚度不足而产生的误差，同时异形孔有效减轻了整体质量，方便装拆；采用导柱(5)导套(4) 进行滑动导向，滑动阻力小，避免现有夹具摩擦过大的问题，试验精度提高。
2.上夹块(10)设有防转耳(101)，在试件容易打滑的边缘区域设有二级压紧螺钉(14)，避免拧紧过程中试件的打滑。
3.针对不同厚度和强度的试件可更换不同齿面的夹块，并且左右夹持端的间距可调，通用性强。
4.试件为矩形，不需加工成特定形状，制备方便；不需打孔，避免孔周围材料失效导致试验失败。
5.与试验机的连接头(1)采用锁紧螺母(2)锁紧的方式，消除与试验机连接处的缝隙导致的空行程。并且针对不同型号的试验机，可更换不同直径的连接头(1)。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为连接头组件的示意图。
图3为L型臂组件的示意图。
图4为夹持组件的示意图。
图5为上盖及上夹块的示意图。
图6为下盖及下夹块的示意图。
图7为调整垫板的示意图。
图中，1.连接头，2.锁紧螺母，3.L型臂，4.导套，5.导柱，6.侧连接螺钉，7.销钉，8.上盖，9.下盖，10.上夹块，101.防转耳，11.下夹块，12.调整垫板，13.一级压紧螺钉，14.二级压紧螺钉，15.连接螺钉。
具体实施方式
参见图1(为方便表示，左侧上盖及上夹块已拆卸)，本发明一种高强度循环剪切试验夹具，由左右两边构成，在空间位置上呈旋转180度对称分布，左右两边各包括连接头组件(图 2)、L型臂组件(图3)和夹持组件(图4)三部分。进行循环加载试验时，夹具一端固定，另一端进行循环往复运动，使试件发生循环剪切变形；
参见图2，所述连接头组件包括连接头1与锁紧螺母，连接头1底座部分设有均匀分布的4个沉头孔，通过螺钉固定在L型臂3的中心处；连接头1***试验机端头，设有横销孔，当连接头1***试验机端头后，通过横销来固定连接头1与试验机端头，连接头1上设有螺纹并配有锁紧螺母2，锁紧螺母2通过旋转产生上下位移来消除横销***之后残留的微小连接间隙，防止试验机循环加载时产生空行程导致试验失败；当安装就绪后，连接头1轴心、试件中心、试验机中心三者重合，保证剪切力保持竖直，不会产生额外拉压应力；
参见图3，所述L型臂组件包括L型臂3、导柱5、导套4、侧连接螺钉6、销钉7；所述L型臂3的形状构造是：由一段横梁和一段纵梁构成的L型结构，纵梁末端横向延伸出勾形块(该勾形块长15mm)带动夹持组件，横梁和纵梁处设有若干线切割加工出的异形孔，L 型臂3拐角处有20mm倒角，所述L型臂3整体结构与异形孔经过优化设计，不仅可以确保最佳的强度、刚度，而且由于减轻了整体质量，方便装拆；L型臂3顶部设有导套孔，底部设有导柱孔，导柱与L型臂、导套与L型臂均采用过盈配合，顶部中央位置设有环形分布的 4个螺钉孔用于与连接头1连接，侧面设有4个侧连接螺钉6和1个销钉7与夹持组件相连；通过导柱5和导套4进行导向，限制夹具左右两边只能在上下方向发生相对移动；
参见图4，所述夹持组件包括上盖8、下盖9、上夹块10、下夹块11、调整垫板12、一级压紧螺钉13、二级压紧螺钉14、连接螺钉15；它们相互之间的关系是：上盖8和下盖9 通过所述4个连接螺钉15连接，下盖9通过所述侧连接螺钉6固定在L型臂3上，L型臂3 与下盖9之间垫有调整垫板12，上夹块10与下夹块11分别位于上盖8与下盖9的凹槽内，试件位于上夹块10与下夹块11之间；所述调整垫板参见图7，通过更换不同厚度的调整垫板12可以实现不同间距下的循环剪切试验；
参见图5，所述上盖8的角部位置设有与L型臂3勾形块对应形状的凹口，方便L型臂3传递试验机运动；上盖8底部设有用于放置上夹块10的凹槽，凹槽深度大于上夹块10的厚度，保证上下夹块10、11间板料厚度的间距，并且可以使上盖8下盖9紧密贴合，保证夹持稳定；上盖8顶部四周设有4个螺钉过孔，用于穿入连接螺钉15并与下盖9连接，设有3 个一级压紧螺钉13与6个二级压紧螺钉14用于给上夹块10施加压力从而压紧试件；一级压紧螺钉13呈三角排布确保施加压紧力稳定而均匀，二级压紧螺钉14设于上盖8边缘，在板料强度较高时，剪切变形区边缘部位首先开始打滑，二级压紧螺钉14可以有效避免此现象；
参见图6，所述下盖9与上盖8外形尺寸一致，通过侧连接螺钉6来与L型臂3连接，设有4个螺钉孔与上盖8连接，同时设有用于放置下夹块11的凹槽，凹槽与下夹块11部分配合；夹持试件时，上夹块10落入下盖9，凹槽的非配合部分用于容纳上夹块10的防转耳 101，保证上下夹块10、11完全贴合，试件完全夹紧；
参见图5，所述上夹块10为两端带防转耳101的矩形块，防转耳101与上盖8凹槽处保持一致，防止压紧螺钉13、14拧入时带动上夹块10和试件移动；上夹块10其中一面为线切割加工的与水平方向成20度的网状齿面，根据试件的强度和厚度使用不同齿面的夹块，齿面花纹越深，夹持力越大，但同时试件会产生波纹状变形导致失稳和过早破裂，因此需要在夹持力与平稳变形找到平衡的齿面花纹；试件厚度越薄，使用的齿面花纹深度越浅，间距越密；所述下夹块11除不含防转耳101外，其余特征与上夹块10一致；
本发明具体的试验方法，主要包含如下步骤：根据试件材料和厚度选取合适规格的调整垫片12与上下夹块8、9并装配；根据试验机端头直径选取合适规格的连接头，将两个连接头1分别与试验机端头和底座连接，***横销并用勾型扳手拧紧锁紧螺母2从而消除连接间隙；将两个上盖8拆掉，将处理好的试件置于下夹块11后装入上盖8，拧紧连接螺钉15并使用定力矩扳手调整压紧螺钉13、14的力矩，压紧上夹块10使板料不发生滑动；调整非接触应变测量相机使其位于夹具中心并垂直于试件平面，操控试验机端头上下移动使移动端和固定端的下盖9对齐，设置试验机的循环加载次数与每次循环的位移，进行试验；将得到的载荷曲线与相机拍摄的图像序列输入数据处理软件得到试件的切应力-切应变曲线，经过换算便可得到试件的循环加载应力-应变曲线。

Claims (4)

1.一种高强度循环剪切试验夹具，其特征在于：左右两边在空间位置上呈旋转180度对称分布，左右两边各包括连接头组件、L型臂组件和夹持组件三部分；进行循环加载试验时，夹具一端固定，另一端进行循环往复运动，使试件发生循环剪切变形；
所述连接头组件包括连接头(1)与锁紧螺母(2)；连接头(1)底座部分设有均匀分布的沉头孔，通过螺钉固定在L型臂(3)的中心处；该连接头(1)用于***试验机端头，设有横销孔，通过横销来固定连接头(1)与试验机端头；该连接头(1)上设有螺纹并配有锁紧螺母(2)，锁紧螺母(2)通过旋转产生上下位移来消除横销***之后残留的微小连接间隙，防止试验机循环加载时产生空行程导致试验失败；当安装就绪后，连接头(1)轴心、试件中心、试验机中心三者重合，保证试件的剪切变形的精度；
所述L型臂组件包括L型臂(3)、导柱(5)、导套(4)、侧连接螺钉(6)、销钉(7)；所述L型臂(3)的形状构造是：由一段横梁和一段纵梁构成的L型结构，纵梁末端横向延伸出勾形块用于给夹持组件施力，横梁和纵梁处设有线切割加工出的异形孔，L型臂(3)拐角处设计有倒角，该L型臂(3)整体结构与异形孔经过优化设计，确保最佳的强度刚度和拆装性；L型臂(3)顶部设有导套孔，底部设有导柱孔，顶部中央位置设有环形分布有螺钉孔用于与连接头(1)连接，侧面设有侧连接螺钉(6)和销钉(7)与夹持组件相连；通过导柱(5)和导套(4)进行导向，限制夹具左右两边只能在上下方向发生相对移动；
所述夹持组件包括上盖(8)、下盖(9)、上夹块(10)、下夹块(11)、调整垫板(12)、一级压紧螺钉(13)、二级压紧螺钉(14)、连接螺钉(15)；它们相互之间的关系是：上盖(8)和下盖(9)通过所述4个连接螺钉(15)连接，下盖(9)通过所述侧连接螺钉(6)固定在L型臂(3)上，L型臂(3)与下盖(9)之间垫有调整垫板(12)，上夹块(10)与下夹块(11)分别位于上盖(8)与下盖(9)的凹槽内，试件位于上夹块(10)与下夹块(11)之间，通过更换不同厚度的调整垫板(12)能实现不同间距下的循环剪切试验；
所述上盖(8)的角部位置设有与L型臂(3)的勾形块对应形状的凹口，方便L型臂(3)传递试验机运动；上盖(8)底部设有用于放置上夹块(10)的凹槽，凹槽深度大于上夹块(10)厚度从而使上盖(8)下盖(9)更好贴合，保证夹持稳定；上盖(8)顶部四周设有4个螺钉过孔，用于穿入连接螺钉(15)并与下盖(9)连接，设有3个一级压紧螺钉(13)与6个二级压紧螺钉(14)用于给上夹块(10)施加压力从而压紧试件；一级压紧螺钉(13)呈三角排布确保施加压紧力稳定而均匀，二级压紧螺钉(14)设于上盖(8)边缘，防止易打滑的试件变形区边缘部位发生打滑；
所述下盖(9)与上盖(8)外形尺寸一致，通过侧连接螺钉(6)来与L型臂(3)连接，设有4个螺钉孔与上盖(8)连接，同时设有用于放置下夹块(11)的凹槽，凹槽与下夹块(11)部分配合，凹槽的非配合部分用于容纳上夹块(10)的防转耳(101)，保证上、下夹块(10、11)完全贴合，试件完全夹紧；
所述上夹块(10)为两端带防转耳(101)的矩形块，防转耳(101)与上盖(8)凹槽处保持一致，防止压紧螺钉拧入时带动上夹块(10)和试件移动；上夹块(10)其中一面为线切割加工的与水平方向成20度的网状齿面，根据试件的强度和厚度使用不同齿面的夹块，厚度越薄，使用的齿面花纹深度越浅，间距越密，防止试件的失稳与过早破裂；所述下夹块(11)除不含防转耳(101)外，其余特征与上夹块(10)一致。
2.根据权利要求1所述的一种高强度循环剪切试验夹具，其特征在于：所述连接头(1)底座部分设有均匀分布的沉头孔是4个。
3.根据权利要求1所述的一种高强度循环剪切试验夹具，其特征在于：所述L型臂(3)由一段横梁和一段纵梁构成的L型结构，其纵梁末端横向延伸出的勾形块，该勾形块长为15mm；该L型臂(3)拐角处设计的倒角有20mm。
4.根据权利要求1所述的一种高强度循环剪切试验夹具，其特征在于：所述L型臂(3)的顶部中央位置设有环形分布的螺钉孔有4个用于与连接头(1)连接，侧面设有4个侧连接螺钉(6)和1个销钉(7)与夹持组件相连。
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