疲勞試驗機的工裝設計與應用

朱雅平　萬霖

【摘 要】粉末冶金零件常常用于高周期的應力環境下，因此疲勞性能對于粉末冶金試樣十分重要，而設計用于粉末冶金試樣疲勞試驗的工裝也具有十分重要的意義。文章以FTM-20動態疲勞試驗機為基礎，設計兩種類型的疲勞工裝，主要用于夾持試樣，保證試樣的定位準確及牢固，便于裝配與拆卸，并且能配合疲勞試驗機的周期直線運動及轉動。通過專用軟件，用于測量粉末冶金試樣的彎曲疲勞強度和滾動接觸疲勞強度。此外，通過在疲勞試驗機上試驗得到特定試樣的疲勞應力與疲勞壽命曲線，進而獲得與常規粉末冶金試樣相近的疲勞曲線，證明工裝設計是合理的。

【關鍵詞】疲勞試驗;工裝;彎曲疲勞強度;滾動疲勞強度;粉末冶金

【中圖分類號】TH87 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0077-03

1 研究背景

疲勞破壞是日常生活中常見的材料失效形式，它對考驗材料的持久性具有重要意義。粉末冶金材料相對于傳統的致密材料，抗疲勞性能受多種因素的影響，所以了解試樣的疲勞強度和疲勞壽命是非常重要的。在此基礎上，本文設計了兩種疲勞工裝，用來測量粉末冶金試樣的三點彎曲疲勞強度和滾動接觸疲勞強度。

2 試驗工裝工作原理

圖1所示為三點彎曲疲勞工裝，可將其分為4個部分：上沖頭、固定塊、試樣放置臺、下沖平臺;固定塊與試樣放置臺的中間為放置試樣的區域，如圖1中6號區域。三點彎曲疲勞的原理是固定住試樣一側的兩端，另一側上沖頭在試樣中間施加載荷，設定某一載荷下的循環次數或者特定循環次數下的交變載荷，用于判定該試樣的疲勞強度及疲勞壽命。試驗開始前，需要將試樣固定在上述6號區域，因為在試驗過程中上沖頭不斷地對試樣有向下的作用力，若固定裝置沒有對試樣有較大的束縛力，在較長的試驗時間內，試樣必然會產生相對運動，對試驗結果有較大的影響;首先固定下沖平臺的位置，下沖平臺通過雙螺母與設備連接，便于調整平臺位置與其他零件配合且具有防松動的效果;將試樣放置臺與下沖平臺螺栓連接固定，將試樣放置在6號區域，將固定塊放置在放置臺上方，并與下沖平臺螺紋連接，從而固定試樣;上沖頭與設備的上橫梁螺紋連接，使其沖頭下端長邊始終與工件保持正垂直。試驗開始時，調整上橫梁位置，使上沖頭緩緩靠近試樣，通過固定塊的引導通道，上沖頭進入夾緊裝置中直至下端接觸到待測試樣，即可打開軟件開始試驗，上沖橫梁上下往復的循環運動，當達到設定的次數（106）時，測定使試樣疲勞失效的負載區間，即可知道試樣的疲勞強度。

圖2為滾動接觸疲勞工裝，相對于彎曲疲勞工裝，滾動接觸疲勞工裝最大的不同的就是原有的上沖頭替換成由伺服電機、安裝固定裝置及由伺服電機驅動的定軸滾輪等組成的系統。我們可以把整套工裝從上到下分為6個部分：伺服電機安裝架、伺服電機、定軸滾輪安裝臺、定軸滾輪、固定裝置、下沖平臺。滾動接觸疲勞的原理是固定裝置固定試樣，定軸滾輪在電機和上沖橫梁的作用下和試樣表面接觸，測定試樣在受到電機的循環應力下至接觸疲勞失效的應力循環次數。由于滾動接觸疲勞在試驗過程中滾輪作用在試樣上存在沿接觸面時滾輪的運動方向相同方向的水平方向的作用力，所以該工裝的固定裝置除對試樣在豎直方向的固定外，也要固定試樣在水平方向的位置，最明顯的就是固定臺去掉了與下平臺固定的螺紋孔，而設計有與放置臺相固定的兩個螺紋，便于對試樣在水平方向進行固定;安裝過程同樣也是先對下平臺進行固定，使用雙螺母便于調整位置且防松動，將試樣放置在固定裝置中，通過螺紋連接進行固定，然后將固定裝置與下平臺固定。安裝伺服電機安裝架，安裝架呈“三段式”結構：第一段水平架與上沖橫梁上側的兩個螺紋孔連接，固定安裝架;第三段水平架連接伺服電機，是主要的承重架;第二段豎直架連接兩段水平架，可以減輕承重架的所受的壓力，同時它最大的作用就是可以調整伺服電機的高度便于電機與定軸滾輪配合。最后安裝定軸滾輪安裝臺及定軸滾輪，值得注意的是，滾輪的半價高于兩側，需要在安裝臺和滾輪之間添加一個增高臺，避免滾輪與安裝臺接觸，最后調整豎直架角度，使伺服電機與滾輪配合。實驗開始時，打開設備開關，調整上橫梁位置，使滾輪剛好與試樣接觸，開啟伺服電機開關，開始試驗。測量試驗過程的接觸應力S和循環基數N，描繪出試樣的S-N曲線，進而判定該試樣的接觸疲勞強度。

3 設計思路

彎曲工裝的關鍵是固定裝置（固定臺和試樣放置臺），使試樣在試驗過程中不移動，減小試驗誤差。試樣為長方體形狀，粉末冶金試樣是通過液壓機單向壓制后得到的，壓制后的試樣表面長31.86 mm、寬12.77 mm，試樣經過高溫燒結后長度略有增長，統計后平均長度約32 mm，在左右各留0.2 mm的余量，為放置方便，設計凹槽長度為32.4 mm;避免試驗過程中應力集中，且不破壞試樣，與試樣接觸的三點設計成圓角，下側的兩個支撐點的圓角半徑為1.5 mm，避免接觸點周圍應力集中，兩支撐點與其相連的兩側有半徑為1 mm的圓角過渡;上側的沖擊頭的圓角設計為2 mm，便于試驗后試樣從中間斷開。固定臺俯視圖為52 mm×67 mm的“工”字狀，四角設計有4個φ13 mm的螺紋孔，與下沖平臺固定，其中間30 mm×20 mm的豎槽有一個15 mm×20 mm的正方圓角形通孔，側視圖是52 mm×36 mm的“Π”狀，其內部的槽為“凸”形，由20 mm×20 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸點組成;這是由于試樣的寬度略低于13 mm，長大于30 mm，當固定臺與放置臺配合時，可以固定試樣的位置，并通過φ13 mm螺紋孔將固定裝置與下沖平臺固定。下沖平臺俯視圖為φ150 mm的圓，其圓心四周組成一個長為30 mm、寬為42 mm的長方形，四角設計有4個螺紋孔，與固定臺固定配合，其圓心兩側相距55 mm和95 mm的4個點設計有4個螺紋孔，與放置臺固定配合。為避免沖擊載荷過大對上沖頭造成損害甚至造成沖頭斷裂，將上沖頭設計成兩重寬度過渡，且過渡點都設計有半徑為5 mm的圓角，避免應力集中，最下端沖頭設計長為30 mm，避免疲勞試驗中除最末端沖頭通過固定裝置與試樣接觸，其余部分不相接觸。

和上述工裝相比，滾動接觸工裝在關鍵的固定裝置處尺寸沒有變化，試樣放置臺中間的凹槽長同樣為32.4 mm，但是由于不是測量沖擊疲勞，所以在原有的固定臺基礎上去掉了下側支撐點的相關設計，但在固定臺兩側與固定臺平面呈中心對稱長45 mm、高10 mm的兩點設有2個直徑為6 mm的螺紋孔，與固定臺橫向連接。對應的固定臺由于不再與下沖平臺固定，所以設計去掉了4個與下沖平臺相連接的螺紋孔，并做相應修改，由原來的俯視“工”字形改為正視圖為75 mm×29 mm的“凹”字形，凹槽的寬為20 mm、高10 mm;兩側相對于固定臺上平面中心線長55 mm、高23.5 mm的點設計有2個φ7 mm的通孔，由于試樣的厚度不能完全控制，這與試樣的成分和壓制力有關，根據數據分析，試樣的厚度有0.5 mm的上下波動，所以將固定臺兩側的通孔設計成“橢圓形”，兩側的圓弧直徑均為7 mm，中間的直線長度為3.5 mm，能避免由于試樣厚度不均導致固定臺和放置臺之間無法橫向固定的情況。側視圖與彎曲工裝一樣，為“Π”狀，內部槽為“凸”形，同樣由20 mm×19 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸部分組成，相對于彎曲工裝，其對上凸點處的加工公差不同，上下公差為0、-0.05 mm，而彎曲工裝的上下公差為0.05 mm、0，能進一步避免試樣的橫向滑動。定軸滾輪安裝臺為一個“凸”形，上凸出來的部分長50 mm、寬10 mm，其中心處設有一個M16的螺紋通孔，與上橫梁相連接，下大部分為145 mm×130 mm×30 mm的長方體，距長方體中心長105 mm、寬95 mm的4個點有4個M12的螺紋通孔，與定軸滾輪相連接。由于試驗過程中滾輪要與試樣接觸，所以滾輪的半徑要高于兩側，為了避免滾輪在試驗過程中與安裝臺觸摸，一方面將安裝臺下端面磨光減小摩擦減輕接觸時對滾輪的損害，另一方面在安裝臺和滾輪中添加兩個高17 mm的增高臺，使其不接觸。伺服電機安裝架由3個部分組成，其中兩個與上沖橫梁螺紋連接的水平架長120 mm，每個架上都有兩個孔，一個φ21 mm的孔與上沖橫梁連接，另一個中間長5 mm的φ21 mm的橢圓形孔與豎直架連接，設計成橢圓形孔就是能夠微調豎直架所在的水平位置，進而能夠調整整個伺服電機系統的水平位置，豎直架的基本高度為105 mm，這個高度是由上沖橫梁寬度、定軸滾輪安裝臺寬度、增高臺高度等決定的，豎直架下端同樣設計有和水平架一樣的“橢圓形孔”，同樣是為了微調整個伺服電機系統的豎直位置，最后一段水平架是為了降低整個系統每個點的壓力，沒有將水平架和豎直架直接連接起來，而是通過中間的325 mm×30 mm×35 mm長方體桿過渡，桿上設有4個螺紋孔，兩兩與桿中心線對稱，其中豎直架與相距300 mm的兩個螺紋孔連接，水平架與相距100 mm的兩個螺紋孔連接，當水平架與伺服電機連接時，由于中間的橫桿過渡，豎直架和最上方的水平架承受的力減少2/3，能極大地增加使用壽命。

4 實驗驗證

我們在這套工裝基礎上研究了不同整形量的粉末冶金試樣的疲勞σ-N曲線，如圖3所示，當作用力小于疲勞極限時（104N），材料經歷106次循環應力也不會被破壞，這與常規的粉末冶金試樣的疲勞壽命近似，所以可認為本文設計的工裝是合理有效的。

5 結論

以特定粉末冶金試樣做疲勞工裝，需要針對特定的粉末冶金試樣做特定的修改。本文中針對特定形狀的粉末冶金試樣，設計出在此基礎上能正常工作的兩套疲勞工裝，其工裝結構簡潔，制作簡單，后期更換方便。通過在FTM-20疲勞試驗機上試驗得到特定試樣的疲勞應力與疲勞壽命曲線，即σ-N曲線，能得到與常規粉末冶金試樣相近的疲勞曲線，表明工裝設計是合理的。

參 考 文 獻

[1]聞邦椿.機械設計手冊：疲勞強度與可靠性設計[M].北京：機械工業出版社，2015.

[2]張學成，于立娟.疲勞試驗加載方法[M].北京：科學出版社，2017.

[3]劉宇.AutoCAD 2013完全自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.