一種板材/帶材拉伸試驗(yàn)通用夾具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

王 艷，林思宇，封勇斌，張晟瑋

(中國(guó)航發(fā)航空科技股份有限公司，四川 成都 610500)

板材、帶材在飛機(jī)蒙皮、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)封嚴(yán)件、墊片等零件上普遍使用[1-2]，航空航天領(lǐng)域使用材料必須嚴(yán)格執(zhí)行材料出廠與入廠的性能檢測(cè)要求[3]，材料性能檢測(cè)逐漸成為影響生產(chǎn)進(jìn)度的重要因素。而板材、帶材試樣的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久力學(xué)性能是實(shí)驗(yàn)室性能檢測(cè)中任務(wù)量較大的工作。

拉伸試驗(yàn)的夾具設(shè)計(jì)與開發(fā)正成為研究熱點(diǎn)[4-5]，目前板材夾具在使用中的缺點(diǎn)問題非常突出，夾持試樣孔的位置對(duì)試樣變形影響很大，孔附近應(yīng)力集中引起變形甚至撕裂，試樣無法產(chǎn)生均勻變形[6]，純楔形結(jié)構(gòu)的板材高溫拉伸夾具[7]和熱拉伸試驗(yàn)夾具[8]的研究也是為解決此問題。由于現(xiàn)階段在行業(yè)內(nèi)使用的板材、帶材拉伸試驗(yàn)夾具較單一，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中均無通用夾具圖樣[9-10]，對(duì)板材室溫、高溫拉伸試驗(yàn)通用夾具的研究及應(yīng)用較少，本文對(duì)現(xiàn)階段板材拉伸試驗(yàn)存在的問題和新型通用夾具的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)說明。

1 當(dāng)前試驗(yàn)過程不利因素分析

板材拉伸夾具常見缺陷圖如圖1所示。圖1中，當(dāng)前板材、帶材室溫拉伸采用的夾具是液壓推動(dòng)夾頭，靠夾持力夾緊試樣，操作人員裝夾試樣時(shí)難以保證試樣上下兩端頭在同一軸線上，只能靠目測(cè)進(jìn)行判斷，當(dāng)同軸度偏差太大時(shí)(見圖1a)，會(huì)嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果。較薄的板材、帶材等試樣在拉伸試驗(yàn)后，銷孔位置應(yīng)力集中會(huì)使夾頭部位出現(xiàn)嚴(yán)重變形(見圖1b)，影響拉伸試驗(yàn)曲線的準(zhǔn)確性。嚴(yán)重時(shí)，某些薄板或帶材試樣裝夾位置會(huì)嚴(yán)重變形后斷裂，斷裂部分卡在夾具中難以取出(見圖1c)，導(dǎo)致夾具報(bào)廢，同時(shí)拉伸后斷裂位置(見圖1d)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無效。當(dāng)前高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)采用的是插銷式拉伸夾具(見圖1e)，同樣會(huì)出現(xiàn)由于試樣與夾具之間匹配不佳，試樣拉伸后斷裂位置不滿足試驗(yàn)方法規(guī)定，試樣斷裂在夾具內(nèi)部使夾具損壞、報(bào)廢等情況，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無效，需要重新加工試樣反復(fù)試驗(yàn)。而對(duì)于需要熱處理的試樣，對(duì)于高溫拉伸、高溫持久試驗(yàn)會(huì)極大增加檢測(cè)周期及成本。部分檢測(cè)單位通過在試樣的夾持端焊接加強(qiáng)片而增加夾持端厚度，從而防止試樣在銷孔處斷裂。對(duì)于高溫試驗(yàn)，板材、帶材不同厚度的試樣，需使用不同規(guī)格的夾具，一個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后，需要在夾具溫度完全冷卻后才能更換對(duì)應(yīng)試樣厚度的夾具及試樣，再重新升溫進(jìn)行檢測(cè)，存在反復(fù)冷卻和升溫過程，導(dǎo)致檢測(cè)速率緩慢。

目前最新研究的夾具設(shè)計(jì)為純楔形結(jié)構(gòu)，可做板材的高溫拉伸夾具(見圖2)，其工作原理是試驗(yàn)機(jī)橫梁移動(dòng)帶動(dòng)楔形夾具擠壓夾塊，夾塊加工為防滑鋸齒狀態(tài)，在擠壓試樣時(shí)產(chǎn)生摩擦力而夾持試樣。目前拉伸試樣材料的最大拉伸力與夾塊的摩擦力無相應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)夾塊擠壓試樣后產(chǎn)生的摩擦力不足以超過試樣的最大拉力時(shí)，拉伸可能會(huì)使試樣滑脫落。

為了保證板材、帶材拉伸試驗(yàn)的檢測(cè)質(zhì)量和檢測(cè)效率，提高拉伸試驗(yàn)檢測(cè)水平，設(shè)計(jì)并制作滿足板材、帶材室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久檢測(cè)需求的通用夾具顯得十分必要。

2 夾具的設(shè)計(jì)

本文對(duì)板材、帶材的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久試驗(yàn)設(shè)計(jì)一種通用夾具，在板材、帶材拉伸試驗(yàn)時(shí)，減少因傳統(tǒng)夾具裝夾同軸度不夠引起的無效試驗(yàn)，解決試樣厚度與夾具尺寸不匹配需反復(fù)更換夾具問題，減少因試樣斷裂位置發(fā)生在夾持部位導(dǎo)致的無效試驗(yàn)或夾具報(bào)廢問題，解決高溫試驗(yàn)需焊接加強(qiáng)片、需等待夾具反復(fù)冷卻和升溫而進(jìn)行試驗(yàn)的問題，提升檢測(cè)能力，提高檢測(cè)效率。

2.1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)原理主要利用試驗(yàn)機(jī)拉伸時(shí)楔形受力作用原理和銷孔固定雙重結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了楔形槽和楔形塊的裝配結(jié)構(gòu)，楔形槽上端為與試驗(yàn)機(jī)裝配的螺紋頭，楔形塊設(shè)計(jì)為左右兩塊，中間加工為銷孔，裝夾試樣時(shí)使用銷子固定試樣，避免試樣的脫落，楔形塊受力作用面積大，使試樣裝夾牢固、受力均勻，拉伸時(shí)不變形。一套通用夾具可制備2組及以上楔形塊，當(dāng)進(jìn)行1組拉伸試驗(yàn)時(shí)，可采用替換楔形塊直接裝樣，試樣裝夾時(shí)無需更換楔形槽，直接更換楔形塊，更換試樣方便快捷。螺紋頭可根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的規(guī)格要求進(jìn)行調(diào)整，楔形槽和楔形塊的寬度可根據(jù)檢測(cè)試樣的要求進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于板材、帶材拉伸通用夾具的設(shè)計(jì)，主要考慮如下兩點(diǎn)：1)制作夾具的材料優(yōu)先選用高強(qiáng)度高溫合金，且彈性模量越大越好；2)該夾具由楔形槽和楔形塊2個(gè)構(gòu)建組成(見圖3)。夾具螺紋頭的設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)機(jī)的拉桿要求，楔形槽和楔形塊尺寸設(shè)計(jì)可用于一般板材、帶材試樣的裝夾為宜，加工方便快捷。

2.2 夾具的制作與裝配

本文試驗(yàn)夾具的制作采用GH4169高溫合金材料，夾具螺紋頭的設(shè)計(jì)滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)的通用拉桿要求M16×2，楔形槽和楔形塊尺寸設(shè)計(jì)可用于≤4 mm厚的板材、帶材試樣。按圖3進(jìn)行制造加工，加工后裝配效果如圖4a所示，左右楔形塊通過銷子聯(lián)接固定，將楔形塊直接嵌入楔形槽中，通過上下移動(dòng)楔形塊可以調(diào)整2個(gè)楔形塊之間的距離以匹配不同厚度的試樣，避免了重復(fù)更換夾具。試樣在試驗(yàn)機(jī)上與夾具的裝夾如圖4b所示，試樣通過銷子與夾具聯(lián)接，在拉伸過程中保證了試樣的同軸度，拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加預(yù)載力后2個(gè)楔形塊受力隨即夾緊試樣，減小夾具與試樣之間的間隙，確保試樣在楔形塊之間的受力面積和受力均勻，因此試樣不會(huì)在銷孔處拉斷，完全避免了夾具原因造成的無效試驗(yàn)。

2.3 夾具的拉伸試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的夾具可用于各種金屬板材、帶材的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久測(cè)試。由于高溫拉伸試驗(yàn)是該夾具最具代表性的試驗(yàn)，故采用高溫拉伸試驗(yàn)對(duì)該夾具的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備為WD-100高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用2個(gè)方案進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)試樣進(jìn)行了編號(hào)(見表1)。方案1：采用GH5188材料，板材相同厚度，試驗(yàn)溫度不同，試樣編號(hào)為1#、2#、3#。方案2：采用GH3044材料，不同板材厚度，試驗(yàn)溫度相同，試樣編號(hào)為4#、5#、6#。

表1 試驗(yàn)方案

3 結(jié)果與分析

按高溫拉伸試驗(yàn)方法對(duì)試樣進(jìn)行試驗(yàn)后，方案1中，試樣在不同溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉斷后試樣如圖5a所示，試樣1#、2#、3#分別是700、800、900 ℃溫度下試樣的斷后視圖，試樣斷裂位置無異常，不同高溫下試驗(yàn)后銷孔處基本沒有變形，試驗(yàn)結(jié)果均為有效。該試驗(yàn)成功率為100%一次檢測(cè)合格。方案2中，4#、5#、6#是0.5、0.8、1.5 mm厚度的試樣，試樣在900 ℃下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試樣拉斷后如圖5b所示，斷裂位置無異常，銷孔處基本沒有變形，試驗(yàn)結(jié)果均為有效，說明相同溫度下不同厚度的試樣拉伸，該夾具同樣可以滿足拉伸要求。

方案1與方案2試驗(yàn)為100%一次檢測(cè)有效試驗(yàn)，在做高溫拉伸試驗(yàn)時(shí)，在900 ℃進(jìn)行不同厚度試樣的試驗(yàn)時(shí)，未等待夾具冷卻而直接更換試樣，更換試樣過程方便快捷，極大縮短了試驗(yàn)檢測(cè)周期。

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在用傳統(tǒng)夾具做板材高溫拉伸試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)有效性最大僅有40%，且隨夾具與試樣匹配度的降低而降低，試驗(yàn)無效時(shí)需要補(bǔ)樣重新試驗(yàn)，重新試驗(yàn)也可能造成無效試驗(yàn)從而反復(fù)，且需要頻繁更換夾具來裝夾不同厚度的試樣，為試樣檢測(cè)帶來了一系列的麻煩與困擾。部分檢測(cè)單位通過在試樣兩端焊接加強(qiáng)片變相增加夾持部位厚度以保證不會(huì)從銷孔處拉脫，但同時(shí)增加了試驗(yàn)周期和資金支出，影響檢測(cè)任務(wù)進(jìn)度和發(fā)展。有研究通過在夾持位置連接防滑鋸齒夾具，通過增加夾具與試樣的摩擦力而進(jìn)行拉伸，由于摩擦力的不確定性，在摩擦力與夾持試樣材料的拉伸力不匹配時(shí)，易使試樣從銷孔處脫落。

該新型板材拉伸試驗(yàn)通用夾具解決了傳統(tǒng)夾具在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的一系列問題，拉伸試樣無應(yīng)力集中、變形、斷裂造成試驗(yàn)失效，保證試驗(yàn)有效為100%，且在對(duì)不同規(guī)格的試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)不用更換夾具，直接更換楔形塊即可更換試樣，高溫拉伸試驗(yàn)可以在保證爐溫的情況下完成更換試樣，省去了先降溫再升溫這個(gè)過程，方便快捷，起到了節(jié)約成本、提升試驗(yàn)效率的作用。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種用于板材、帶材拉伸試驗(yàn)的新型通用夾具，將夾具進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)用，明確該新型夾具優(yōu)點(diǎn)如下：1)完全規(guī)避了試樣從銷孔處拉脫，高溫拉伸試樣拉斷后銷孔基本沒有變形，保證了試驗(yàn)的有效性；2)滿足不同厚度的板材試樣的裝夾，避免反復(fù)更換夾具；3)更換試樣方便快捷，提高了試驗(yàn)效率；4)保證室溫拉伸試樣的同軸度，試驗(yàn)結(jié)果客觀準(zhǔn)確；5)有效防止了試樣在拉伸過程中脫落的情況。