用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構的制作方法

專利名稱:用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，屬于材料測試技術領域。利用楔形塊的自鎖性質，采用楔形塊預緊方式，使試件夾持可靠，可同時滿足拉伸、彎曲、扭轉等多種加載方式的單獨或復合作用時的夾持要求。通過氮化硅加熱片與試件夾持端兩側接觸進行熱傳導加熱來改變試驗溫度。通過對試件通入可控電流實現電場加載。通過可控電磁鐵實現對試件施加磁場環境。物理場和機械載荷的復合加載，使材料測試試驗在更接近服役條件下進行。結構簡單緊湊，操作方便，能同時提供較大的初始夾緊力和較高夾持穩定性，并在測試之前消除預緊力帶來的原始壓縮力，使測試結果更準確，具有很高的應用價值。
【專利說明】
用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構
技術領域
[0001] 本實用新型設及材料測試技術領域，特別設及一種用于復合載荷材料力學性能測 試的預緊式機械裝夾機構。用于對試件施加拉伸、彎曲、扭轉載荷時對試件的夾持。
【背景技術】
[0002] 在實際工程應用中，任何機械部件通常在不同的物理環境和復合載荷條件下服 役，通常存在拉伸、壓縮、扭轉、彎曲等不同形式的外力單獨或同時作用。例如軸類零件同時 受到拉力和扭矩復合作用，高速列車輪對在運行過程中溫度相對較高，同時受到彎曲和扭 矩的復合作用。在航空航天領域，航天器暴露在磁場和溫度場同時作用的環境中，同時受到 拉伸、扭矩和彎曲復合作用。傳統的材料性能測試方法，單純通過拉伸、扭轉或者在單一的 溫度場下進行的單一載荷材料力學測試，已經不能滿足現代新材料在實際工作條件下力學 性能測試的需求。因此，在多物理場環境下利用復合載荷材料力學性能測試裝置測試固體 材料接近服役條件的力學性能具有很大的實際意義。
[0003] 常見的單一載荷試驗機夾具多采用液壓式，通過液壓缸推動模形塊直接夾緊試 件。液壓缸通常結構復雜，尺寸較大，無法滿足原位觀測的需要。而且，需要整套液壓系統提 供動力，在不采用液壓加載方式的試驗機中不適用。在使用過程中液壓缸中油孔易被液壓 油中雜質堵塞，維修過程麻煩，對環境要求高，不適于高溫環境中。
[0004] 現有的機械式夾具通過模形塊自鎖提供拉力或者通過螺紋預緊提供扭矩，中國專 利文獻公開號為CN200972439于2007年11月7日公開了 "模形杠桿式拉伸夾具"，它包括模形 錯口和夾具體，在試件受力拉伸時有自鎖作用，適用于非金屬小試件拉伸夾持問題。但它功 能單一，無法滿足壓縮試驗和復合載荷加載試驗的需求;夾持力小，對于大的拉伸力實驗過 程，試件與夾具產生相對滑動，影響測量結果的準確性。
[0005] 基于W上分析，現有夾具存在一定的局限性，無法滿足多種物理場作用下的復合 載荷材料力學性能測試的需要，因此，設計一種結構緊湊，工作可靠，能同時提供較大的初 始夾緊力和較高夾持穩定性且可用于多種物理場環境的夾持裝置具有重要意義，同時也是 十分緊迫的。

【發明內容】

[0006] 本實用新型的目的在于提供一種用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械 裝夾機構，解決了現有技術存在的上述問題。本實用新型具有結構簡單，夾持可靠的特點。 采用預緊式夾持方式，克服普通杠桿式模形夾具初始夾持力小的問題，同一套夾持裝置可 滿足復合載荷同時作用的材料力學性能測試試驗，試件裝夾方便。同時，預緊方式作用在試 件上的初始壓縮力，可W通過復合載荷材料力學性能測試裝置進行補償，提高測試結果的 準確性，減小測試裝置由夾具產生的誤差。
[0007] 本實用新型的上述目的通過W下技術方案實現：
[000引用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，用于對試件施加拉伸、 彎曲、扭轉載荷時對試件的夾持。同時配合電場加載模塊、溫度場加載模塊、磁場加載模塊 實現對試驗條件的改變，在更接近服役條件下進行材料性能測試。包括電場加載模塊、溫度 場加載模塊、磁場加載模塊及一對構造相同的夾具，所述一對構造相同的夾具中的一個包 括水冷連接法蘭1、夾持部分、預緊部分，所述夾持部分、預緊部分和水冷連接法蘭1通過仿 形夾具體5連接到一起，水冷連接法蘭1通過與仿形夾具體5和拉伸扭轉復合傳感器連接，水 冷連接法蘭1與拉伸扭轉復合傳感器之間通過云母片14隔離，并在接觸拉伸扭轉復合傳感 器的一端均勻涂上高溫絕緣涂層。
[0009] 所述的夾持部分包括仿形夾具體5、導向塊10、導向塊螺釘11、夾持模形塊9、軸16、 軸n 16、張合撥片7、復位彈黃和墊片8,所述仿形夾具體5中設置一對夾持模形塊9,在夾持 模形塊9上面與夾持模形塊邊緣平行地設有矩形滑槽901，矩形滑槽901沿著導向塊10的凸 起滑動，導向塊10通過導向塊螺釘11安裝仿形夾具體5內；張合撥片7通過軸16和軸n 16與 仿形夾具體5連接，由張合撥片7、軸16、軸n 16組成的杠桿結構帶動兩個夾持模形塊9彼此 分開，放入試件夾持端，松開張合撥片7后，通過放置在軸n 16上的復位彈黃使夾持模形塊9 復位、夾緊試件;利用仿形夾具體5提供的反作用力，產生夾持力。
[0010] 所述的預緊部分包括支撐板3、支撐螺栓2、支撐軸套4、預緊螺栓12、預緊模形塊 15,所述支撐板3和支撐軸套4通過兩個支撐螺栓2固定在仿形夾具體5上，構成預緊螺栓12 的支撐，預緊螺栓12和支撐板3構成一個螺紋副，通過旋轉預緊螺栓12,帶動安裝在預緊螺 栓12底端的預緊模形塊15上下移動，利用仿形夾具體5的反作用力對夾持模形塊9施加預緊 力。
[0011] 所述的夾持模形塊9與試件的形狀相配合。
[0012] 所述的仿形夾具體5下部開有兩個平行于仿形夾具體斜面的夾持塊螺釘滑槽502， 軸16穿過仿形夾具體5的軸孔1503作為一個支點，與軸n 16、張合撥片7構成杠桿;螺栓穿過 仿形夾具體5的夾具體安裝孔501及水冷連接法蘭1的法蘭連接孔102,將仿形夾具體5與水 冷連接法蘭1連接。
[0013] 所述的電場加載模塊是:導向塊10同時作為電極，導向塊螺釘11采用銅質螺釘，兩 個夾具的導向塊分別與可控電源的正極和負極相連，安裝試件后構成閉合回路。
[0014] 所述的溫度場加載模塊是:兩片氮化娃加熱片13分別通過兩個螺釘固定在夾持模 形塊9上，與試件夾持端充分接觸對試件進行傳導加熱;通過單獨的加熱控制電源進行加熱 溫度設定和控制;水冷連接法蘭1的冷卻液通道101中持續通過冷卻液。
[0015] 所述的磁場加載模塊是:兩個電磁鐵垂直或平行于試件軸線方向放置。
[0016] 所述的預緊模形塊15、支撐板3采用奧氏體不誘鋼材質。
[0017] 本實用新型的有益效果在于：與現有技術相比，本實用新型結構緊湊，操作方便， 實用性強。采用預緊式裝夾方法，預緊力可調，一次裝夾便能實現不同類型載荷或復合載荷 材料力學性能測試。裝夾可靠，能同時提供較大的初始夾緊力和較高夾持穩定性，并在測試 之前消除預緊力帶來的原始壓縮力，大大提高了測試結果的準確性。在不同物理場環境中， 減少環境對傳感器數據采集的影響，獲得材料在接近服役條件下更準確的力學性能參數， 對材料測試的工程應用有很大意義。
【附圖說明】

[0018] 此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分， 本實用新型的示意性實例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限 定。
[0019] 圖1為本實用新型的整體結構示意圖；
[0020] 圖2為本實用新型的剖面圖；
[0021 ]圖3為本實用新型的水冷連接法蘭的結構示意圖；
[0022] 圖4為本實用新型的仿形夾具體的結構示意圖；
[0023] 圖5為本實用新型的預緊部分的結構示意圖；
[0024] 圖6為本實用新型的夾持模形塊的結構示意圖；
[0025] 圖7、8為本實用新型的夾持模形塊另外兩種形式的結構示意圖；
[0026] 圖9為本實用新型的預緊方法的原理圖；
[0027] 圖10為本實用新型的初始壓縮力消除程序框圖；
[00%]圖11為本實用新型的電場加載原理示意圖；
[0029] 圖12為本實用新型的溫度場加載原理示意圖；
[0030] 圖13為本實用新型的磁場加載原理示意圖。
[0031 ]圖中：1、水冷連接法蘭；101、冷卻液通道；102、法蘭連接孔;2、支撐螺栓;3、支撐 板;4、支承軸套;5、仿形夾具體;501、夾具體連接孔;502、夾持塊螺釘滑槽;503、軸孔I; 6、軸 I ;7、張合撥片;8、墊片;9、夾持模形塊;901、矩形滑槽;902、軸孔n ; 10、導向塊；11、導向 塊螺釘;12、預緊螺栓;13、氮化娃加熱片；14、云母片；15、預緊模形塊;16;軸n。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其【具體實施方式】。
[0033] 參見圖1至圖13所示，本實用新型的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機 械裝夾機構，包括電場加載模塊、溫度場加載模塊、磁場加載模塊、一對構造相同的夾具，所 述一對構造相同的夾具中的一個包括水冷連接法蘭1、夾持部分、預緊部分，所述夾持部分、 預緊部分和水冷連接法蘭1通過仿形夾具體5連接到一起，結構緊湊，縮小了夾持裝置的整 體尺寸。水冷連接法蘭1通過與仿形夾具體5和拉伸扭轉復合傳感器連接，在不同溫度環境 下材料力學性能測試試驗中，使拉伸扭轉復合傳感器一直處在適合的工作溫度下，減少溫 度對傳感器采集數據的影響。水冷連接法蘭1與拉伸扭轉復合傳感器之間通過一定厚度的 云母片14隔離，并在接觸拉伸扭轉復合傳感器的一端均勻涂上高溫絕緣涂層，在電場環境 下進行材料力學性能測試試驗中，保護傳感器和整個測試裝置不受電場干擾。
[0034] 參見圖6及圖7所示，所述的夾持部分包括仿形夾具體5、導向塊10、導向塊螺釘11、 夾持模形塊9、軸16、軸n 16、張合撥片7、復位彈黃和墊片8,所述仿形夾具體5中設置一對夾 持模形塊9，在夾持模形塊9上面與夾持模形塊邊緣平行地設有矩形滑槽901，矩形滑槽901 沿著導向塊10的凸起滑動，導向塊10通過導向塊螺釘11安裝仿形夾具體5內；張合撥片7通 過軸16和軸n 16與仿形夾具體5連接，且在軸16、軸n 16與仿形夾具體5之間分別設置墊片 8;由張合撥片7、軸16、軸n 16組成的杠桿結構帶動兩個夾持模形塊9彼此分開，放入試件夾 持端，松開張合撥片7后，通過放置在軸n 16上的復位彈黃使夾持模形塊9復位、夾緊試件； 利用仿形夾具體5提供的反作用力，產生夾持力。
[0035] 參見圖5及圖6所示，所述的預緊部分包括支撐板3、支撐螺栓2、支撐軸套4、預緊螺 栓12、預緊模形塊15,所述支撐板3和支撐軸套4通過兩個支撐螺栓2固定在仿形夾具體5上， 構成預緊螺栓12的支撐，預緊螺栓12和支撐板3構成一個螺紋副，通過旋轉預緊螺栓12,帶 動安裝在預緊螺栓12底端的預緊模形塊15上下移動，利用仿形夾具體5的反作用力對夾持 模形塊9施加預緊力，使夾持模形塊9夾緊，所W支撐螺栓2和支撐板3承受很小的反作用力。 同時，利用扳手就可W施加預緊力，方便省力。
[0036] 參見圖5所示，在仿形夾具體5上表面，與試件垂直的方向鉆兩個M6的螺紋孔。將支 撐板3和支撐軸套4通過兩個支撐螺栓2固定在夾具體上，構成預緊螺栓12的支撐。在支撐板 3上鉆MlO的螺紋孔，旋轉預緊螺栓12,帶動預緊模形塊15上下移動，從而調節施加的預緊力 大小。隨著預緊模形塊15不斷向下移動，利用模形塊的斜面和夾具體自身，使夾持模形塊9 不斷夾緊試件。
[0037] 參見圖6至圖8所示，所述的夾持模形塊9與試件的形狀相配合，可選擇不同形式成 對替換，針對板狀試件，可選擇平面夾持模形塊;針對圓柱形試件，可選擇半圓弧面夾持模 形塊。針對不同夾持端的試件，更換夾具方便。
[0038] 參見圖3及圖4所示，所述的仿形夾具體5下部開有兩個平行于仿形夾具體斜面的 夾持塊螺釘滑槽502,軸16穿過仿形夾具體5的軸孔1503作為一個支點，與軸n 16、張合撥片 7構成杠桿;螺栓穿過仿形夾具體5的夾具體安裝孔501及水冷連接法蘭1的法蘭連接孔102， 將仿形夾具體5與水冷連接法蘭1連接，方便可靠;仿形夾具體5去除多余材料，盡量減小多 余尺寸，去除多余棱角并作倒角處理。夾持部分和預緊部分集成于同一夾具體上，結構緊 湊。
[0039] 所述的電場加載模塊是:導向塊10同時作為電極，導向塊螺釘11采用銅質螺釘，兩 個夾具的導向塊分別與可控電源的正極和負極相連，安裝試件后構成閉合回路。
[0040] 所述的溫度場加載模塊是:兩片氮化娃加熱片13分別通過兩個螺釘固定在夾持模 形塊9上，與試件夾持端充分接觸對試件進行傳導加熱;通過單獨的加熱控制電源進行加熱 溫度設定和控制;水冷連接法蘭1的冷卻液通道101中持續通過冷卻液，并在水冷連接法蘭1 和拉伸扭轉復合傳感器之間放置一定厚度的云母片14增大溫度梯度，降低熱傳導速率，減 少溫度對拉扭復合傳感器的影響。
[0041] 所述的磁場加載模塊是:兩個特殊定制的電磁鐵，根據不同試驗條件垂直或平行 于試件軸線方向放置。
[0042] 所述的仿形夾具體5、夾持模形塊9、導向塊10、預緊模形塊15、支撐板3采用奧氏體 不誘鋼材質，減小磁場對試驗結果的影響。
[0043] 參見圖10所示，本實用新型施加預緊力后帶來的初始壓縮力的消除辦法如下：
[0044] 步驟1:開機預熱并打開測試裝置控制程序軟件；
[0045] 步驟2:點擊傳感器清零按鈕；
[0046] 步驟3:安裝試件并預緊；
[0047] 步驟4:拉伸電機上電，W緩慢的速度進行拉伸，直到拉伸力傳感器示數為零時停 止；
[0048] 步驟5:開始材料力學性能測試試驗。
[0049] 預緊部分的原理如圖6所示，現分析在豎直方向施加預緊力F的時候，水平方向試 件受到的預緊力R是多大。F為通過預緊螺栓作用在預緊模形塊上的力；設Fl為預緊模形塊 對夾具體的作用力;F2為預緊模形塊對夾持模形塊的作用力;R為預緊模形塊在水平方向上 對夾持模形塊的作用力。01為預緊模形塊與夾具體接觸面的摩擦角；02為預緊模形塊與夾 持模形塊之間的摩擦角。
[0050]水平方向的平衡方程為：
[0化1 ]
[0化2]
[0化3]
[0化4]
[0化5] (3)
[0化6]
[0057] (4)
[0化引 巧）
[0化9]
[0060]
[0061]
[0062] 當目巧日目2為固定值時，F越大，R越大。而且，0 <錢黎觀雜帝酵絕<1在0°<目1，目2<90°時 成立。故采用運種預緊方式，使作用在豎直方向的預緊力傳遞到水平方向的試件上時得到 放大，可W實現對試件可靠的預緊夾持，滿足設計要求。
[0063] 考慮到在施加預緊力的同時，會在開始測試之前引入對試件的初始壓縮應力。故 在測試前需要進行應力消除，利用復合載荷材料力學性能測試試驗機的控制系統，消除初 始壓縮應力的控制程序框圖如圖10所示。
[0064] 所述的夾持模形塊如圖7及圖8所示，軸n 14安裝在軸孔II902中，當撥動張合撥片 時，軸n帶動夾持模形塊分開。軸n上安裝回形彈黃，可W使夾持模形塊自行復位。夾持模 形塊包括多種形式W適應不同形狀的夾持端，在夾持面刻劃出溝槽W增大摩擦力，如圖7所 /J、- O
[0065] 所述的水冷連接法蘭1 一端通過MlO的螺紋與夾具體連接，另一端通過6個均布的 孔與拉扭傳感器連接。在水冷連接法蘭與拉扭傳感器之間放置絕緣墊片，保護傳感器不被 電場環境損壞W及避免在測試過程中對測量數值的影響。兩個夾具之間留有足夠的空間， W便對試件施加磁場環境。
[0066] 所述的電場加載模塊中導向塊10同時作為電極，導向塊螺釘采用銅質螺釘。兩個 夾具的導向塊分別與可控電源的正極和負極相連，安裝試件后構成閉合回路。在水冷連接 法蘭和傳感器之間利用厚云母片進行絕緣。
[0067] 所述的溫度場加載模塊由兩片氮化娃加熱片13分別通過兩個螺釘固定在夾持模 形塊9上，與試件夾持端充分接觸對試件進行傳導加熱。通過單獨的加熱控制電源進行加熱 溫度設定和控制。水冷連接法蘭1中持續通過冷卻液，并在水冷連接法蘭和傳感器之間放置 一定厚度的云母板14增大溫度梯度，降低熱傳導速率，減少溫度對拉扭復合傳感器的影響。
[0068] W上所述僅為本實用新型的優選實例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領 域的技術人員來說，本實用新型可W有各種更改和變化。凡對本實用新型所作的任何修改、 等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其特征在于:包括電 場加載模塊、溫度場加載模塊、磁場加載模塊及一對構造相同的夾具，所述一對構造相同的 夾具中的一個包括水冷連接法蘭（1)、夾持部分、預緊部分，所述夾持部分、預緊部分和水冷 連接法蘭（1)通過仿形夾具體(5)連接到一起，水冷連接法蘭（1)通過與仿形夾具體(5)和拉 伸扭轉復合傳感器連接，水冷連接法蘭（1)與拉伸扭轉復合傳感器之間通過云母片（14)隔 離，并在接觸拉伸扭轉復合傳感器的一端均勻涂上高溫絕緣涂層。2. 根據權利要求1所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的夾持部分包括仿形夾具體(5 )、導向塊（10)、導向塊螺釘(11 )、夾持楔形塊 (9)、軸1(6)、軸Π (16)、張合撥片(7)、復位彈簧和墊片(8)，所述仿形夾具體(5)中設置一對 夾持楔形塊(9)，在夾持楔形塊(9)上面與夾持楔形塊邊緣平行地設有矩形滑槽(901)，矩形 滑槽(901)沿著導向塊（10)的凸起滑動，導向塊（10)通過導向塊螺釘（11)安裝在仿形夾具 體(5)內；張合撥片(7)通過軸1(6)和軸Π (16)與仿形夾具體(5)連接，由張合撥片(7)、軸I (6) 、軸Π (16)組成的杠桿結構帶動兩個夾持楔形塊(9)彼此分開，放入試件夾持端，松開張 合撥片(7)后，通過放置在軸Π (16)上的復位彈簧使夾持楔形塊(9)復位、夾緊試件;利用仿 形夾具體(5)提供的反作用力，產生夾持力。3. 根據權利要求1所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的預緊部分包括支撐板(3)、支撐螺栓(2)、支撐軸套(4)、預緊螺栓（12)、預 緊楔形塊（15)，所述支撐板(3)和支撐軸套(4)通過兩個支撐螺栓(2)固定在仿形夾具體(5) 上，構成預緊螺栓（12)的支撐，預緊螺栓（12)和支撐板(3)構成一個螺紋副，通過旋轉預緊 螺栓(12)，帶動安裝在預緊螺栓(12)底端的預緊楔形塊(15)上下移動，利用仿形夾具體(5) 的反作用力對夾持楔形塊(9)施加預緊力。4. 根據權利要求3所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的夾持楔形塊(9)與試件的形狀相配合。5. 根據權利要求1或2或3所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機 構，其特征在于:所述的仿形夾具體(5)下部開有兩個平行于仿形夾具體斜面的夾持塊螺釘 滑槽(502)，軸1(6)穿過仿形夾具體(5)的軸孔1(503)作為一個支點，與軸Π ( 16)、張合撥片 (7) 構成杠桿;螺栓穿過仿形夾具體(5)的夾具體安裝孔(501)及水冷連接法蘭（1)的法蘭連 接孔(102 )，將仿形夾具體(5 )與水冷連接法蘭(1)連接。6. 根據權利要求1所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的電場加載模塊是:導向塊(10)同時作為電極，導向塊螺釘(11)采用銅質螺 釘，兩個夾具的導向塊分別與可控電源的正極和負極相連，安裝試件后構成閉合回路。7. 根據權利要求1所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的溫度場加載模塊是:兩片氮化硅加熱片（13)分別通過兩個螺釘固定在夾 持楔形塊(9)上，與試件夾持端充分接觸對試件進行傳導加熱;通過單獨的加熱控制電源進 行加熱溫度設定和控制;水冷連接法蘭(1)的冷卻液通道(101)中持續通過冷卻液。8. 根據權利要求1所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的磁場加載模塊是:兩個電磁鐵垂直或平行于試件軸線方向放置。9. 根據權利要求2所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的仿形夾具體(5)、夾持楔形塊(9)、導向塊(10)采用奧氏體不銹鋼材質。10.根據權利要求3所述的用于復合載荷材料力學性能測試的預緊式機械裝夾機構，其 特征在于:所述的預緊楔形塊(15)、支撐板(3)采用奧氏體不銹鋼材質。
【文檔編號】G01N3/04GK205719760SQ201620278058
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】趙宏偉, 吳迪, 任露泉, 李聰, 翟相國, 黃加創, 劉航, 于淼, 楊立國, 苗淼
【申請人】吉林大學