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  电子式万能试验机夹具的现状及发展趋势
金相实验室
这里所说的电子式万能试验机是用来对金属材料和非金属材料进行拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离等力学性能试验用的机械加力的试验机。

电子万能试验机的使用范围:科研院所、商检仲裁机构、大专院校以及橡胶、轮胎、塑料、金属、电线电缆、制鞋、皮革、纺织、包装、建材、石化、航空…..等行业,为材料开发、物性试验、教学研究、品质管制、进料检验、生产线的随机检验等不可缺少的检测设备。

我们知道试验机必须具备三个要素:                                   

a、有加力装置

  b、有夹具

c、有力值显示装置和记录

可见夹具在试验机中的重要性,我们通过夹具夹持试样(或产品),通过加力装置,力值显示装置和记录来判断材料(或成品)是否合格和达到预定的性能指标,没有可靠的夹具,这些就无法判断。夹具是试验机中根据材料试样变化而经常变化的一个部分,不同的材料需要不同的夹具,它是试验能否顺利进行及试验结果准确度高低的一个重要因素。合理正确的使用夹具有利于试验顺利的进行。随着科学技术的发展,各行各业对材料的要求越来越高,致使新材料不断的出现,对夹具的设计提出了更高的要求。

夹具根据试验方法不同,大致可分为:拉伸类夹具、压缩类夹具、弯曲类夹具、剥离类夹具、剪切类夹具等,其中拉伸类夹具约占夹具总量的80%左右。

1、   夹具的特点

a.我们知道通过夹具夹持试样(或产品)对试样进行加力,夹具所能承受的试验力的大小是夹具的一个很重要的指标。它决定了夹具结构的大小及夹具操作的劳动强度的大小,试样材质有金属和非金属之分,形状有大小之分。材料的成分组成各种各样,试样所能承受的试验力小到几十厘牛(如纺织用氨纶丝),大到几十吨(如普通钢材等;国内最大的电子式万能试验机试验力为600KN,0.5级机),试样尺寸小到直径φ0.006mm的金丝,大到直径1m的PVC管材等。这就要求根据不同的试验力、试样的形状大小选择设计不同的夹具。

b.对夹具材料的要求:

①.对一般的金属及非金属试样, 夹具的钳口直接与试样接触,一般都选用优质合金结构钢,合金高碳钢(或低碳合金钢)、冷作模具钢等,通过适当的热处理工艺(淬回火、渗碳淬火等)增加其强度、耐磨性. 有时也在钳口处镶装特种钢材,或在钳口表面喷涂金钢砂等.

②.对一些小试验力的夹具,与试样接触的表面采用粘软质胶皮等。(例如:塑料薄膜、纤维丝等试样的夹具夹持面。)

③夹具体一般采用优质中碳钢、合金结构钢,通过适当的热处理工艺增加其力学性能。有时为了减轻重量也采用铝合金等有色金属及特种金属。有时也采用铸造结构(铸钢,铸铝等)

c. 对夹具结构的要求:

①.夹具的设计主要依据材料的试验标准及试样(特指成品及半成品)的型状及材质。以上所说的试验标准是指ISO、ASTM、DIN、GB、BS、JIS…等,还有企业标准、行业标准等,这些标准中一般都对试样制样及试验方法都有严格的规定,我们可以根据试样及试验方法的不同设计不同的夹具。对于特殊试样(成品及半成品的)使用的夹具,主要根据试样的型状及材质设计夹具。

②.夹具本身没有固定的结构(如金属丝可采用缠绕方式夹紧,也可采用两个平板夹紧,金属薄板试样可采用楔形夹紧方式,也可采用对夹夹紧方式),这和主机有明显的区别。主机国内、国外的大同小异,而夹具国外的、国内的区别很大,不同公司间也有大的区别。这主要取决于公司的整体水平,设计人员的经验的积累。国外的夹具,如MTS、ZWICK等公司的夹具一般做工细致,可靠性较高,但价格较高,处在高端市场;而我们的夹具,由于涉足行业广,在国内的市场份额大,在一定程度上可以取代部分国外的夹具,处在中高端市场。但在一些新材料、特种材料用夹具上,国内与国外水平还有一定差距。

③.夹具本身就是一个锁紧机构,我们知道机械上的锁紧结构有:缧纹(即螺纹,螺钉,螺母)、斜面、偏心轮、杠杆等,夹具就是这些结构的组合体。试验机用夹具在结构上没有固定的模式, 根据不同的试样及试验力大小,在结构上差别很大.(大试验力的试样一般采用斜面夹紧结构,随试验力的增加,夹紧力随之增加,台肩试样采用悬挂结构等),如果夹具按结构划分,可分为楔形类夹具(指采用斜面锁紧原理结构的夹具)、对夹类夹具(指采用单面或双面螺纹顶紧原理结构的夹具)、缠绕类夹具(指试样通过缠绕方式锁紧的夹具)、偏心类夹具指采用(偏心锁紧原理结构的夹具)、杠杆类夹具(指采用杠杆力放大原理结构的夹具)、台肩类夹具(指适用于台肩试样的夹具)、螺栓类夹具(指适用于螺栓、螺钉、螺柱等测试螺纹强度的夹具)、90°剥离类夹具(指适用于两试样进行垂具,直剥离的夹具)等。这些夹具的结构各有各的优缺点,例如:楔形夹具,初始夹紧力小,随试验力增加。夹紧力随之增加。对夹夹具,初始夹紧力大,随试验力增加。夹紧力随之减小。

2.如何判断夹具是否适用

对夹具适用性的判定很难界定,由于夹具结构的特殊性,对一种夹具,有时我们很难确定它到底更适合那种试样,但不能说没有办法,有以下几点供参考:

a.夹具是否使用方便、安全。

b.夹持是否可靠,不能有打滑现象。

c.做试验过程中,试样断点好。数据离散性小。(即试样不断钳口、钳口内、平行段或标距外)

3.如何选择夹具

主要从以下几方面考虑:

a.根据主机最大试验力选择主要夹具。夹具所能承受的最大力必须大于等于主机的最大试验力。

b. 根据非标配置、或扩展配置选一些次要夹具。(例如:扩展配置传感器为10kN,所选次要夹具所能承受的最大试验力也要为10kN。)

c.根据客户试样选夹具。(例如:客户提供试样的形状,最大试验力等。)

d.建议客户用什么样的夹具。(例如:直径小于1mm的绳类试样,包括钢丝、铁丝、细线等。你应该明确告诉客户这种试样只能采用缠绕式夹持方法,但试样延伸率误差大)。

4.   正确装夹试样

试样的正确装夹对试验很重要,直接影响试验的成败及测试数据的准确性。总的原则是:使试样(或成品、半成品)的受力作用线尽量与传感器的力作用线重合。

a.对矩形试样、脆性试样来说,装夹更为重要。对楔形夹具来说,试样的左、右对中是由夹具保证的,但前后却容易装斜,装斜后在拉伸过程中试样两侧受力不均匀,有可能撕裂试样或断点差。在装夹时尽可能的将试样前后装平行,平行后再做拉伸。

b.在钢丝类缠绕夹具中,不能出现线压线的情况,这样会造成局部的应力集中,往往会从压线处断,造成断点差。

c.对于搭接试样,应使搭接面通过传感器的力作用中心,这里就不一一举例说明了。

5.夹具现状及发展趋势

a.试验机的发展方向是由制样检测向制品(即成品、半成品)检测方向发展,这就要求与之相适应的夹具由原用于标准试样试验的夹具向用于成品检测的夹具发展.

b.夹具的使用向高效率,低劳动强度的方向发展。过去的夹具一般采用机械锁紧,费时费力,劳动强度大,效率低。随着工作环境的改善,及大批量试验(生产流水线随机抽检的)需要,夹具的夹紧方式由原来的机械夹紧向气压夹紧、液压夹紧等方向发展。

c.全自动夹具:从试样尺寸测量到装夹,再到开始试验,最后出测试报告一次完成。此类夹具成本很高,仅适用于大批量的相同试样或成品的测试和检验。

d.环境试验(高低温试验)的增多,使用于高低温的夹具增多。环境试验(高低温箱)的增多,给夹具的设计增加了难度。我们知道高温拉伸试验国家标准都有规定:圆试样用螺纹,板试样上有孔。由于连接方式固定,所以夹具的设计较为简单。但高低温试验却不同,它一般是在高低温箱中做试验,它的试样一般标距短(一般为常温试样)。这样一来夹具就必须装在高低温箱内,高低温试验一般由于试验机行程受限制(试验机在装标准夹具时行程),这就要求夹具体积小,又要满足试验力,又要耐高温、低温,一般比较难设计。

e.连续试验夹具增多。由于过去一般是制样检测,试样的拉伸、压缩是分开进行的(即拉伸、压缩是用不同的夹具进行的),而现在成品检测越来越多,试样在同一次试验中又要受拉伸,又要受压缩,又要有高的效率,只能用同一种夹具既做拉伸又做压缩。

f.特殊行业用试验夹具增多。随着科学技术的发展,一些新兴的行业对试验用夹具提出了新的要求,例如要求夹具结构小、无磁性,耐腐蚀(在溶液中做试验)等等。  
由于试验机夹具使用的特殊性,以及新材料的不断出现,夹具的设计一直处在被动的局面。我们每天都会碰到新材料,需要设计新的夹具。我们只有总结过去的成功经验,来顺应新的发展趋势。
2006-07-13
 

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