一種板材/帶材拉伸試驗通用夾具的設計與應用*

王 艷，林思宇，封勇斌，張晟瑋

(中國航發航空科技股份有限公司，四川 成都 610500)

板材、帶材在飛機蒙皮、機翼、發動封嚴件、墊片等零件上普遍使用[1-2]，航空航天領域使用材料必須嚴格執行材料出廠與入廠的性能檢測要求[3]，材料性能檢測逐漸成為影響生產進度的重要因素。而板材、帶材試樣的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久力學性能是實驗室性能檢測中任務量較大的工作。

拉伸試驗的夾具設計與開發正成為研究熱點[4-5]，目前板材夾具在使用中的缺點問題非常突出，夾持試樣孔的位置對試樣變形影響很大，孔附近應力集中引起變形甚至撕裂，試樣無法產生均勻變形[6]，純楔形結構的板材高溫拉伸夾具[7]和熱拉伸試驗夾具[8]的研究也是為解決此問題。由于現階段在行業內使用的板材、帶材拉伸試驗夾具較單一，在國家標準和行業標準中均無通用夾具圖樣[9-10]，對板材室溫、高溫拉伸試驗通用夾具的研究及應用較少，本文對現階段板材拉伸試驗存在的問題和新型通用夾具的設計及應用進行了詳細說明。

1 當前試驗過程不利因素分析

板材拉伸夾具常見缺陷圖如圖1所示。圖1中，當前板材、帶材室溫拉伸采用的夾具是液壓推動夾頭，靠夾持力夾緊試樣，操作人員裝夾試樣時難以保證試樣上下兩端頭在同一軸線上，只能靠目測進行判斷，當同軸度偏差太大時(見圖1a)，會嚴重影響試驗結果。較薄的板材、帶材等試樣在拉伸試驗后，銷孔位置應力集中會使夾頭部位出現嚴重變形(見圖1b)，影響拉伸試驗曲線的準確性。嚴重時，某些薄板或帶材試樣裝夾位置會嚴重變形后斷裂，斷裂部分卡在夾具中難以取出(見圖1c)，導致夾具報廢，同時拉伸后斷裂位置(見圖1d)不滿足標準要求，導致試驗結果無效。當前高溫拉伸和高溫持久試驗采用的是插銷式拉伸夾具(見圖1e)，同樣會出現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方法規定，試樣斷裂在夾具內部使夾具損壞、報廢等情況，從而導致試驗結果無效，需要重新加工試樣反復試驗。而對于需要熱處理的試樣，對于高溫拉伸、高溫持久試驗會極大增加檢測周期及成本。部分檢測單位通過在試樣的夾持端焊接加強片而增加夾持端厚度，從而防止試樣在銷孔處斷裂。對于高溫試驗，板材、帶材不同厚度的試樣，需使用不同規格的夾具，一個試驗結束后，需要在夾具溫度完全冷卻后才能更換對應試樣厚度的夾具及試樣，再重新升溫進行檢測，存在反復冷卻和升溫過程，導致檢測速率緩慢。

目前最新研究的夾具設計為純楔形結構，可做板材的高溫拉伸夾具(見圖2)，其工作原理是試驗機橫梁移動帶動楔形夾具擠壓夾塊，夾塊加工為防滑鋸齒狀態，在擠壓試樣時產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數據統計，當夾塊擠壓試樣后產生的摩擦力不足以超過試樣的最大拉力時，拉伸可能會使試樣滑脫落。

為了保證板材、帶材拉伸試驗的檢測質量和檢測效率，提高拉伸試驗檢測水平，設計并制作滿足板材、帶材室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久檢測需求的通用夾具顯得十分必要。

2 夾具的設計

本文對板材、帶材的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久試驗設計一種通用夾具，在板材、帶材拉伸試驗時，減少因傳統夾具裝夾同軸度不夠引起的無效試驗，解決試樣厚度與夾具尺寸不匹配需反復更換夾具問題，減少因試樣斷裂位置發生在夾持部位導致的無效試驗或夾具報廢問題，解決高溫試驗需焊接加強片、需等待夾具反復冷卻和升溫而進行試驗的問題，提升檢測能力，提高檢測效率。

2.1 設計方案

設計原理主要利用試驗機拉伸時楔形受力作用原理和銷孔固定雙重結構，設計了楔形槽和楔形塊的裝配結構，楔形槽上端為與試驗機裝配的螺紋頭，楔形塊設計為左右兩塊，中間加工為銷孔，裝夾試樣時使用銷子固定試樣，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，拉伸時不變形。一套通用夾具可制備2組及以上楔形塊，當進行1組拉伸試驗時，可采用替換楔形塊直接裝樣，試樣裝夾時無需更換楔形槽，直接更換楔形塊，更換試樣方便快捷。螺紋頭可根據試驗機的規格要求進行調整，楔形槽和楔形塊的寬度可根據檢測試樣的要求進行調整。

對于板材、帶材拉伸通用夾具的設計，主要考慮如下兩點：1)制作夾具的材料優先選用高強度高溫合金，且彈性模量越大越好；2)該夾具由楔形槽和楔形塊2個構建組成(見圖3)。夾具螺紋頭的設計滿足試驗機的拉桿要求，楔形槽和楔形塊尺寸設計可用于一般板材、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

本文試驗夾具的制作采用GH4169高溫合金材料，夾具螺紋頭的設計滿足當前實驗室試驗機的通用拉桿要求M16×2，楔形槽和楔形塊尺寸設計可用于≤4 mm厚的板材、帶材試樣。按圖3進行制造加工，加工后裝配效果如圖4a所示，左右楔形塊通過銷子聯接固定，將楔形塊直接嵌入楔形槽中，通過上下移動楔形塊可以調整2個楔形塊之間的距離以匹配不同厚度的試樣，避免了重復更換夾具。試樣在試驗機上與夾具的裝夾如圖4b所示，試樣通過銷子與夾具聯接，在拉伸過程中保證了試樣的同軸度，拉伸試驗機對試樣施加預載力后2個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，因此試樣不會在銷孔處拉斷，完全避免了夾具原因造成的無效試驗。

2.3 夾具的拉伸試驗

本文設計的夾具可用于各種金屬板材、帶材的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久測試。由于高溫拉伸試驗是該夾具最具代表性的試驗，故采用高溫拉伸試驗對該夾具的實用性進行驗證，試驗設備為WD-100高溫拉伸試驗機。試驗采用2個方案進行驗證，對試樣進行了編號(見表1)。方案1：采用GH5188材料，板材相同厚度，試驗溫度不同，試樣編號為1#、2#、3#。方案2：采用GH3044材料，不同板材厚度，試驗溫度相同，試樣編號為4#、5#、6#。

表1 試驗方案

3 結果與分析

按高溫拉伸試驗方法對試樣進行試驗后，方案1中，試樣在不同溫度下進行拉伸試驗，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，不同高溫下試驗后銷孔處基本沒有變形，試驗結果均為有效。該試驗成功率為100%一次檢測合格。方案2中，4#、5#、6#是0.5、0.8、1.5 mm厚度的試樣，試樣在900 ℃下進行拉伸試驗，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，試驗結果均為有效，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試驗為100%一次檢測有效試驗，在做高溫拉伸試驗時，在900 ℃進行不同厚度試樣的試驗時，未等待夾具冷卻而直接更換試樣，更換試樣過程方便快捷，極大縮短了試驗檢測周期。

據試驗數據統計，在用傳統夾具做板材高溫拉伸試驗時，其試驗有效性最大僅有40%，且隨夾具與試樣匹配度的降低而降低，試驗無效時需要補樣重新試驗，重新試驗也可能造成無效試驗從而反復，且需要頻繁更換夾具來裝夾不同厚度的試樣，為試樣檢測帶來了一系列的麻煩與困擾。部分檢測單位通過在試樣兩端焊接加強片變相增加夾持部位厚度以保證不會從銷孔處拉脫，但同時增加了試驗周期和資金支出，影響檢測任務進度和發展。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，易使試樣從銷孔處脫落。

該新型板材拉伸試驗通用夾具解決了傳統夾具在試驗時產生的一系列問題，拉伸試樣無應力集中、變形、斷裂造成試驗失效，保證試驗有效為100%，且在對不同規格的試樣進行試驗時不用更換夾具，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過程，方便快捷，起到了節約成本、提升試驗效率的作用。

4 結語

本文設計了一種用于板材、帶材拉伸試驗的新型通用夾具，將夾具進行高溫拉伸試驗應用，明確該新型夾具優點如下：1)完全規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，保證了試驗的有效性；2)滿足不同厚度的板材試樣的裝夾，避免反復更換夾具；3)更換試樣方便快捷，提高了試驗效率；4)保證室溫拉伸試樣的同軸度，試驗結果客觀準確；5)有效防止了試樣在拉伸過程中脫落的情況。