1.氣動(dòng)夾具分析
在金屬材料拉伸力學(xué)性能測(cè)試時(shí)，準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果取決于夾具對(duì)試樣可靠的夾持方式［1］。為實(shí)現(xiàn)夾具夾持牢靠、減小夾塊與試樣打滑，拉伸試驗(yàn)中廣泛使用斜楔式夾緊方式，利用斜面移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的推力實(shí)現(xiàn)夾緊試樣，圖 1 所示為手動(dòng)式楔形夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。手動(dòng)楔形夾具具有初始夾緊力小、夾持力隨著試樣所受拉伸力的增加而增大的特點(diǎn)，能有效避免試樣打滑現(xiàn)象，故在材料拉伸試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用［2］。在手動(dòng)式楔形夾具夾持試樣過(guò)程中，對(duì)夾塊施加一個(gè)軸向推力，在此推力的作用下，夾塊沿軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)試樣施加夾緊力。手動(dòng)式楔形夾具通過(guò)夾塊上下運(yùn)動(dòng)來(lái)調(diào)整試樣安裝空間，調(diào)整范圍小，試樣尺寸系列差別較大時(shí)需頻繁更換夾塊。同時(shí)，夾塊軸向運(yùn)動(dòng)夾緊試樣時(shí)，會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生一個(gè)軸向附加力，使試樣在試驗(yàn)開(kāi)始之前就承受外力，這影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。隨著試樣材料以及
試驗(yàn)方法的不同，影響程度也不相同，但嚴(yán)重時(shí)，附加軸向力能夠?qū)υ嚇觾?nèi)部組織結(jié)構(gòu)造成破壞，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的危害非常大［3］。而且，這種手動(dòng)式楔形夾具夾緊緩慢，影響生產(chǎn)效率。本文對(duì)材料試驗(yàn)機(jī)手動(dòng)楔形夾具的不足進(jìn)行分析，研制出一種氣動(dòng)平推式楔形夾具。
2. 氣動(dòng)平推楔形夾具結(jié)構(gòu)
氣動(dòng)平推楔形夾具夾緊機(jī)構(gòu)仍然采用楔形結(jié)構(gòu)，繼承了斜楔式夾具夾持力可以隨著試樣所受拉伸力的增加而增大，能有效避免試樣打滑，對(duì)試樣實(shí)施夾緊可靠的特點(diǎn)。在夾緊方式上，
氣動(dòng)平推式楔形夾具對(duì)試樣平移夾緊，操作簡(jiǎn)單方便。相比楔形夾具，夾持范圍大，而且楔塊對(duì)試樣平移夾緊沒(méi)有軸向附加力，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。
將此夾具應(yīng)用在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在拉伸試驗(yàn)中，首先將試件夾緊在上夾頭內(nèi)，再將下夾頭移動(dòng)到試驗(yàn)機(jī)合適的位置，然后夾緊試件下端［4］，最后施加試驗(yàn)力，完成拉伸試驗(yàn)。該夾具主要包括驅(qū)動(dòng)單元、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及夾具體等零部件。夾緊力由驅(qū)動(dòng)單元即氣動(dòng)馬達(dá)提供，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及夾緊機(jī)構(gòu)在夾具體內(nèi)對(duì)稱布置，將驅(qū)動(dòng)單元與夾緊機(jī)構(gòu)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，將動(dòng)力傳遞給夾緊機(jī)構(gòu)，使夾緊機(jī)構(gòu)在夾具體內(nèi)分別向中間或兩端平移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)試樣的夾緊與放松。
2. 1 氣動(dòng)平推楔形夾具夾緊機(jī)構(gòu)
氣動(dòng)平推楔形夾具夾緊機(jī)構(gòu)包括楔塊及楔塊體，楔塊通過(guò)定位銷、鎖緊銷、鎖緊銷 2、螺紋銷及壓縮彈簧緊貼在楔塊體上，如圖 3 所示。楔塊體上開(kāi)槽，螺紋銷、壓縮彈簧、鎖緊銷及鎖緊銷 2 均順序布置在槽內(nèi)，螺紋銷與壓縮彈簧、壓縮彈簧與鎖緊銷之間面接觸，并且確保鎖緊銷與螺紋銷之間不接觸，保留足夠間隙，以緩沖試樣斷裂瞬間夾塊受到的沖擊。鎖緊銷及鎖緊銷 2 之間錐面接觸，鎖緊銷2 與楔塊螺紋連接，螺紋銷與楔塊體螺紋連接。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)旋緊螺紋銷推動(dòng)壓縮彈簧，進(jìn)一步推動(dòng)鎖緊銷壓緊鎖緊銷 2，使楔塊緊貼在楔塊體上。
為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)平推楔形夾具平移夾緊功能，并確保夾緊裝置能在傳遞較大的夾緊力時(shí)不至發(fā)生破壞，必須找到一種高剛度、且可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的元件來(lái)將力傳遞到夾塊上。由于試樣在被夾緊的過(guò)程中兩端夾塊相向運(yùn)動(dòng)所需的直線位移很小，因此該元件應(yīng)具有在短距離直線運(yùn)動(dòng)中可保持高精度的特點(diǎn)。為了避免夾緊過(guò)程中夾緊速度過(guò)快對(duì)試樣產(chǎn)生的沖擊，因此該元件還應(yīng)具有保持低速傳動(dòng)的能力。另外，氣動(dòng)平推楔形夾具夾緊試樣后，氣動(dòng)馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)，所以該元件還應(yīng)具有自鎖的能力，使試樣在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，始終保持夾緊的狀態(tài)。基于以上原因，本文采用梯形絲杠螺母副作為夾緊裝置的傳動(dòng)元件，通過(guò)此傳動(dòng)元件
將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的力和運(yùn)動(dòng)傳遞給夾塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的夾緊與放松。
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