2017, Vol. 23文章信息
- 李建明, 农语婷, 石丽仙, 祝金明
- LI Jian-ming, NONG Yu-ting, SHI Li-xian, ZHU Jin-ming
- 非标准金属拉伸试样及夹具的设计与制备
- The Design and Preparation of Non-standard Tensile Sample and Grips
- 广西民族大学学报 (自然科学版), 2017, 23(1): 60-63
- Journal of Guangxi University for Nationalities (Natural Science Edition), 2017, 23(1): 60-63
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文章历史
- 收稿日期: 2016-12-06
引用本文 |
金属拉伸试验是力学性能中最基本的试验，也是检验金属材料、表征其内在质量的最重要的试验项目之一.金属的拉伸性能既是评定金属材料的重要指标，又是机械制造和工程设计、选材的主要依据.[1]金属室温单向静拉伸试验是在试样两端缓慢地施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起沿轴向伸长，直到拉断为止，是应用最广泛的金属力学性能试验方法之一.试验是在应力状态为单向，温度恒定，应变速率为每秒0.0001~0.01的条件下进行，常用标准试样进行，它简单、可靠，测量数据精确，能清楚地反映出材料受外力时表现出的弹性、弹塑性、断裂三个过程，对金属材料尤为明显.国际标准化组织 (ISO) 和世界各国都制定了完善的拉伸试验标准，我国于2002年分布了GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》.[2]试验表明，所用试样的形状和尺寸及加工质量对其性能测试结果有一定影响.
拉伸试样的形状与尺寸取决于被试验的金属产品的形状与尺寸，可以分为板材 (薄带) 试样、棒材试样、管材试样、线材试样、型材试样以及铸件等种类.根据其形状及试验目的不同，试样可以进行机加工，也可以采用不经加工的原始截面试样.通常从产品，压制坯或铸锭切取样坯经机加工制成试样，但具有恒定横截面的产品 (型材、棒材、线材等) 和铸造试样 (铸铁和铸造非铁合金) 可以不经机加工而进行试验.试样在机加工过程中要防止冷变形或受热而影响其力学性能，通常以切削加工为宜，进刀深度要适当，并充分冷却，特别是最后一道切削的深度不宜过大，以免影响性能.
金属材料工程专业的材料力学性能课程实验内容包含有不锈钢、铝合金、铜合金和铸铁等常规金属的压缩、拉伸和弯曲性能验证性试验.不锈钢、铝合金、铜合金和铸铁的价格便宜，可以从一般的钢材市场中购买到.由于这些金属材料具有很好的机械加工性能，其标准压缩、拉伸和弯曲试验标准试样的制备比较容易.
我们经常要测试研究所设计合金的力学性能，特别是拉伸性能.然而，由于真空电弧炉合金熔炼设备容量的限制，每个合金铸锭的最大质量约为50 g，铸定直径和厚度分别约为Φ50 mm和15 mm，所以无法利用这些合金锭制备出标准拉伸试样.其次，研究实验所制备的合金通常包含多种贵金属材料，制备标准样将需要大量的金属材料，成本很高.
电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复走丝电火花线切、低速单向走丝电火花线切割机和立式自旋转电火花线切割机三类.高速往复走丝电火花线切割加工方法具有很好的精度、速度和性价比[3].国内高速往复走丝电火花线切割机床的一次切割加工效率约为120~150 mm2，加工得到的零件表面粗糙度Ra大约为1.0 μm，机床经过严格调试出厂时的加工精度≤±0.01 mm.电火花线切割加工不需要制造形状复杂的工具电极，就能加工出以直线为母线的任何二维曲面. [4]本实验将研究利用CAD软件设计和数控电火花线切割车床制备适合金属材料工程专业课程实验教学、毕业设计实验和科研项目实验用的非标准拉伸夹具和试样.
1 实验仪器设备与软件机械制图用联想扬天T4900C台式电脑、Windows7 32位电脑操作系统、机械制图用AutoCAD 2008软件、编程用CAXA线切割XP软件、江洲DK7720电火花数控线切割机床、HL线切割机床控制系统、WDW-100E微机控制电子式万能试验机、游标卡尺、真空熔炼电弧炉.
2 试样与夹具的设计首先利用AutoCAD 2008软件在电脑上进行非标准拉伸试验夹具和拉伸试样的设计.拉伸试验材料用的是不锈钢板材，其尺寸是根据GB/T《金属材料力学》的拉伸式样的形状和尺寸的标准来测定的，式样由夹持段、过渡段和平行段构成.根据标准板材拉伸式样的尺寸比例，我们设计出一个非标准拉伸式样，其长和宽分别为40 mm和10 mm的矩形板材，其平行段L0为14 mm、厚度d为4 mm，为了避免在拉伸过程中应力的集中造成实验数据的误差，设计过渡段的圆弧半径R为2 mm，如图 1所示.
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| 图 1 非标准拉伸试样设计图 Fig. 1 The design of non-standard tensile sample |
为了避免夹具与夹头在拉伸试验过程中打滑等因素所造成最终试验数据的误差，我们所设计的夹具是不需要在WDW-100E微机控制电子式万能试验机上装夹头的，而是在夹具的颈部设计一个直径为Φ20 mm的圆孔以便夹具能装夹在试验机上，这样既能确保试验数据的精确性又能避免装夹头时所带来的麻烦.在夹具设计过程中，我们既要考虑拉伸式样与夹具之间的衔接点相匹配还要确保夹具颈部在拉伸试验过程在其所能承受力的范围内，我们所设计的夹具形状与尺寸如图 2所示.
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| 图 2 非标准拉伸试验夹具设计图 Fig. 2 The design of non-standard grips |
3 试样与夹具的制备
在真空熔炼电弧炉设备中进行合金的熔炼制备，所得到的合金锭如图 3所示，合金锭长、宽和厚分别约为80 mm、50 mm和15 mm.使用CAXA线切割XP软件进行夹具和拉伸试样的电火花数控线切割加工路线设计，然后生成3B加工代码.把所得到的3B加工代码拷贝到江洲DK7720电火花数控线切割机床的HL控制系统中，将图 3所示真空电弧炉制备的合金锭固定到机床的工作台上进行线切割加工.经线切割加工后的合金锭如图 4所示，所得到的2个半成品需要再次线切割加工和表面打磨抛光处理来获得如图 5所示的非标准拉伸试样成品.为了保证拉伸试验的准确性，我们必须要确保拉伸夹具的强度以确保夹具在试验过程中所发生的变形量在可接受范围中，所以我们选用直径为55 mm的45#钢棒材作为拉伸夹具的制备材料.
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| 图 3 母合金板 Fig. 3 The matrix alloy ingot |
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| 图 4 电火花线切割制备非标准拉伸试样 Fig. 4 The non-standard tensile sample prepared by linear cutting |
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| 图 5 经研磨抛光后的非标准拉伸试样 Fig. 5 The non-standard tensile sample after grinding and polishing |
利用同样的加工方法，根据图 2加工得到如图 6所示的上下拉伸夹具成品.在加工过程中，我们先将颈部中的多余的材料加工切削掉，再讲将颈部中圆孔的3B加工代码制作好然后将其拷贝到江洲DK7720电火花数控线切割机床的HL控制系统中进行加工，依次完成颈部的加工后；把夹具式块重新装夹在样品台上，重新导入夹具与式样衔接点的3B加工代码进行夹具夹头的加工.用装载范围为Φ14~20 mm的夹头将所得的拉伸夹具装夹在万能试验机上，然后将图 5中经研磨抛光后的非标准拉伸式样装夹到拉伸夹具上，如图 6所示.在把拉伸试样装夹到拉伸夹具前，先用游标卡尺分别测量试样的长度、宽度和厚度，然后将数据输入到数控电脑中.为了对比非标准拉伸试验与标准拉伸式样在完成拉伸试验之后其工程应力-应变图，我们也用与非标准拉伸式样相同材料的标准拉伸式样做拉伸试验.所得到的非标准拉伸试验与标准拉伸试验的工程应力-应变图结果如图 7所示.
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| 图 6 夹具与试样的配合 Fig. 6 The fiting between tensile sample and grips |
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| 图 7 试样拉伸工程应力-应变曲线 Fig. 7 The engineering stress-strain curve of tensile sample |
4 结果与讨论
图 7的结果显示，标准拉伸式样与非标准拉伸式样的工程应力—应变曲线相差不多.从图中我们可以看出标准拉伸式样的弹性模量比非标准式样的略大一些，抗拉强度相差不多，大约为400 MPa左右，这说明我们所研究的新型非标准夹具与原有标准夹具在试验的结果是相差不多的.
从我们设计夹具结构的观察，其强度和刚度都符合要求.设计出的新型夹具既能使式样在单向静拉伸试验过程中保持其受轴向拉力，又能清楚地反映出材料受力时表现出来的弹性、弹塑性、断裂三个过程；我们所设计的非标准拉伸式样的形状、尺寸与夹具的接触部位衔接恰当，其式样的过渡段采用圆弧形状，既能避免了应力集中，还能保证式样与夹具在工作过程中其肩部免受损坏，并能使材料变形均匀，且式样的断裂部位均在标准规定的标距范围内.
从夹具的设计工艺来说，与标准拉伸试验夹具相比，非标准拉伸试验夹具结构简单、做工精细；且非标准拉伸试验夹具既可以节约式样材料，还可以确保工作的安全性.从夹具的使用情况来说，非标准拉伸试验夹具在颈部设置了一个与万能试验机上装夹夹头的圆棒相符的圆孔，这样就可以减少夹具装夹方便，又可以保证同轴度，使式样在工作过程中受力均匀.
5 结论本研究利用CAD软件设计和数控电火花线切割车床制备了适合金属材料工程专业课程实验教学、毕业设计实验和科研项目实验用的非标准拉伸夹具和试样，解决了标准试样加工制备困难和成本高的问题.设计制备的非标准拉伸试验夹具能够准确、可靠地测定金属材料在单向静拉伸条件下的基本力学性能指标，适用于大多数的金属材料的拉伸性能测试，安全性好，是一套符合力学测量要求的拉伸试验夹具，夹具和试样在教学和研究实验中具有实用性.
| [1] | 蔡增伸, 赵新建, 王海勇, 等. 金属拉伸试验方法的关键及其装备研究[J]. 浙江工业大学学报, 1999(3): 41–48. |
| [2] | 叶宏德. 对金属材料拉伸试验方法标准的几点思考[J]. 理化检验:物理分册, 2014(6): 394–395. |
| [3] | 朱宁, 叶军, 韩福柱, 等. 电火花线切割加工技术及其发展动向[J]. 电加工与模具, 2010(S1): 53–59. |
| [4] | 兰琳. 基于AutoCAD平台的电火花线切割加工的自动编程[D]. 华中科技大学, 2004. |