高溫試樣快換工裝技術研究

公旭國，張立新，秦秀秀

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 遼寧沈陽 110043

1 序言

高溫長時試驗主要是高溫持久蠕變試驗，試驗溫度為650～1100℃，樣品與試驗機通過拉桿和夾具連接。按照GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》要求，試樣聯接后的同軸度要≤10%，行業內通用的拉桿、夾具以及樣品的聯接方式為螺紋聯接，螺紋聯接同軸度遠低于10%的要求[1]。當試驗結束后，更換樣品主要是通過旋轉的方式將樣品從螺紋夾具上拆卸下來，再將新樣品安裝到螺紋夾具上，完成新樣品的裝夾。在試驗停止后，打開高溫爐，待拉桿和夾具冷卻到試驗人員佩戴隔熱手套操作時，方可開始下一次試驗，故上述聯接方式會增加下一個樣品的安裝時間。

為了縮短兩次高溫持久試驗之間的等待時間，縮短高溫持久試驗裝夾時間，提高高溫持久試驗工作效率，本課題通過設計一種新型的工裝夾具，達到高溫試驗結束后短時間內快速地更換工裝、裝夾新試驗樣品，開始新試驗的目的。

2 工裝現狀分析

2.1 原工裝設計分析

高溫持久蠕變試驗機上的工裝夾具包括夾頭、上拉桿、下拉桿及螺紋夾具。原工裝夾具為螺紋聯接，設計結構如圖1、圖2所示，均是較為傳統的工裝夾具聯接方式。螺紋聯接的試樣同軸度比較容易控制，且不易產生試樣偏斜，試樣裝夾完成后，同軸度能滿足試驗標準方法的要求。同軸度是高溫持久蠕變試驗非常重要的指標，尤其對于脆性材料，同軸度對試驗數據的影響更為顯著。

圖1 螺紋夾具設計結構

圖2 上（下）拉桿設計結構

2.2 原工裝使用狀態分析

原工裝夾具試驗現場及聯接方式如圖3所示。紅色菱形部分為試樣，其通過兩端的螺紋與螺紋夾具聯接，螺紋夾具與拉桿聯接也是通過內外螺紋聯接，拉桿與夾頭的聯接均是通過螺紋聯接。在900℃以上進行高溫試驗時，螺紋聯接的拉桿、夾具和夾頭之間因為高溫氧化原因存在黏連不能拆卸的現象，導致夾具報廢。

圖3 原工裝夾具試驗現場及聯接方式

同時這種聯接方式，試驗結束需要待夾具冷卻后，試驗人員才能佩戴手套將試樣從夾具上拆卸下來，600℃以下的試驗等待最少要1h，夾具才能冷卻，平均等待時間為3h，兩次試驗之間的間隔時間較長，導致試驗效率不高。

3 新型工裝設計

3.1 新型工裝設計要求

新設計的拉桿和夾具要聯接在試驗機上進行同軸度檢測，標準試樣任意兩相對方向彈性變形值≤10%，即任意兩相對方向彈性變形的最大值與平均值之差除以平均值≤10%。

3.2 新型工裝詳細設計

新型工裝夾具夾頭和拉桿采用帶開口式平臺聯接，夾具依然采用螺紋聯接，確保聯接后試樣的同軸度能滿足標準方法要求。此外，考慮夾頭和上下拉桿采用開口式平臺聯接，在試樣結束后，打開高溫爐，拉桿容易從夾頭的平臺上直接脫落而砸傷試驗人員，因此在開口式平臺上設計一窩形結構，讓拉桿與夾頭的平臺接觸后在窩形結構中不能脫落，確保夾具使用時的安全[2]。

試驗結束后，只要用長柄鉗子將聯接夾具的拉桿從夾頭中取出，換上新的裝有樣品的拉桿和夾具，即可開始新的試驗。新工裝夾具實現了30min內即可完成樣品的更換。改進后快換夾具設計結構及現場應用狀態如圖4、圖5所示。

圖4 改進后快換夾具設計結構

圖5 改進后快換夾具現場應用狀態

4 夾具同軸度試驗結果

工裝夾具的同軸度主要依靠加工時的機床保證，無具體標準指導如何進行工裝夾具的同軸度檢測，傳統的方式都是通過標準樣品與工裝夾具聯接，然后采用貼應變片或者是雙邊變形光柵式傳感器進行測量并計算同軸度。試驗室采用第一種方式進行同軸度的測量并計算，結果見表1、表2。

表1 RD100型持久蠕變試驗機同軸度核查記錄

表2 GWT504型持久蠕變試驗機同軸度核查記錄

通過用同軸度驗證，證明新工裝夾具整體聯接后的同軸度符合國家標準和美國標準試驗方法的要求，可以進行試驗驗證。

新工裝夾具的高溫耐用性以及長時間試驗后的同軸度是否滿足標準要求，是考察新工裝夾具的關鍵性指標。

試驗室選取材料性能穩定、零件號相同的GH4169高溫合金外購鍛件進行新工裝夾具使用500h、1000h及1500h后，再次進行工裝夾具同軸度驗證。試驗至500h后，再次核查試驗機的同軸度，結果見表3。試驗至1000h后，再次核查試驗機的同軸度，結果見表4。試驗至1878h后，再次核查試驗機的同軸度，結果見表5。

表3 試驗500h后RD100型持久蠕變試驗機同軸度 核查記錄

表4 試驗1000h后RD100型持久蠕變試驗機同軸度 核查記錄

表5 試驗1878h后RD100型持久蠕變試驗機同軸度 核查記錄

從同軸度驗證的數據可知，新試驗工裝夾具使用500h、1000h、1878h后，同軸度驗證都能滿足標準試驗方法中同軸度≤10%的要求。

5 結束語

新工裝的同軸度試驗滿足GB/T 2039—2012中規定的≤10%要求。

由原來裝夾等待時間約3h，通過工裝技術改進后降低至30min，裝夾效率提升約80%。檢測結果數據集中穩定，試驗方法可靠。