淺析萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的同軸度檢測(cè)方法

摘 要：萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗(yàn)機(jī)）主要用于測(cè)量材料力學(xué)性能參數(shù)，適用于金屬、非金屬材料及構(gòu)件的拉伸、壓縮、彎曲和剪切等力學(xué)性能試驗(yàn)。由于試驗(yàn)機(jī)上下試樣夾持裝置的設(shè)計(jì)、加工、裝配及使用等多方面的因素，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)存在同軸度誤差，從而影響材料檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章依據(jù)材料試驗(yàn)機(jī)的檢定規(guī)程重點(diǎn)分析了同軸度的不同檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)；同軸度；檢定規(guī)程

1 概述

試驗(yàn)機(jī)的同軸度是指試驗(yàn)機(jī)的試樣夾持裝置在任意位置上和施加力的過(guò)程中，上下夾頭中心線與試驗(yàn)機(jī)的加力軸線間同軸的程度。由于試驗(yàn)機(jī)的試樣夾持裝置的設(shè)計(jì)、加工及裝配等多方面因素，使其不可避免存在同軸度誤差，受到同軸度誤差的影響，在使用試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料力學(xué)性能過(guò)程中，會(huì)使材料承受拉力同時(shí)產(chǎn)生了附加力，影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了保證被檢材料在檢測(cè)過(guò)程中受同軸度的影響最小，JJG 139-2014《拉力、壓力和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》、JJG 475-2008《電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》和JJG 1063-2010《電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》檢定規(guī)程均對(duì)試驗(yàn)機(jī)的同軸度提出了技術(shù)要求和檢測(cè)方法，文章以JJG 139-2014《拉力、壓力和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》檢定規(guī)程中規(guī)定的方法為例對(duì)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的同軸度檢測(cè)方法進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)機(jī)同軸度的技術(shù)要求

對(duì)于1級(jí)試驗(yàn)機(jī)的同軸度在首次檢定中需對(duì)其檢測(cè)，后續(xù)檢定不再檢測(cè)同軸度：對(duì)于0.5級(jí)試驗(yàn)機(jī)的同軸度不論是首次檢定還是后續(xù)檢定，均要對(duì)其同軸度進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)機(jī)的試樣夾持裝置在任意位置，上、下夾頭的同軸度應(yīng)滿足如下要求：

（1）當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的最大力值不大于30kN時(shí)不應(yīng)超過(guò)ф2mm/500mm；

（2）當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的最大力值大于30kN時(shí)應(yīng)符合表1的規(guī)定。

3 試驗(yàn)機(jī)同軸度的檢測(cè)方法

3.1 應(yīng)變測(cè)量法

3.1.1 測(cè)量原理：將檢驗(yàn)試樣放入試驗(yàn)機(jī)的夾持裝置中，試驗(yàn)機(jī)對(duì)其施加一定力值后通過(guò)同軸度自動(dòng)檢測(cè)儀內(nèi)部的引伸計(jì)或者其他變形測(cè)量裝置測(cè)量檢驗(yàn)試樣所產(chǎn)生的彈性變形從而獲得同軸度大小。

3.1.2 測(cè)量方法：對(duì)于最大試驗(yàn)力大于30kN的試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)規(guī)程要求選擇合適的檢驗(yàn)試樣，使用同軸度測(cè)試儀（或其他相應(yīng)準(zhǔn)確度的測(cè)量裝置）進(jìn)行檢定。檢定時(shí)，先將檢驗(yàn)試樣夾持在夾頭上并施加試驗(yàn)機(jī)的最大試驗(yàn)力約1%的初始力，調(diào)整同軸度測(cè)量?jī)x的零點(diǎn)，再施加試驗(yàn)力至最大試驗(yàn)力的4%，施加過(guò)程中應(yīng)注意使用的最大力不應(yīng)使檢驗(yàn)試樣產(chǎn)生塑性變形，測(cè)量試樣相對(duì)兩側(cè)的彈性變形，在相互垂直的方向上各測(cè)量3次。同軸度按公式（1）計(jì)算，每次檢定的結(jié)果均應(yīng)滿足表1的要求。

式中：e-加力系統(tǒng)中上、下夾頭的中心線與試驗(yàn)機(jī)加力軸線的同軸度，%；△L-在同一測(cè)量點(diǎn)，同一次測(cè)量中，檢驗(yàn)試樣兩側(cè)變形的算術(shù)平均值，mm；△Lmax-在同一測(cè)量點(diǎn)，同一次測(cè)量中，檢驗(yàn)試樣變形較大一側(cè)的變形值，mm。

3.1.3 如何選擇合適的檢驗(yàn)試樣

根據(jù)檢定規(guī)程要求，針對(duì)不同量程的試驗(yàn)機(jī)應(yīng)選用不同材質(zhì)、不同直徑的檢驗(yàn)試樣對(duì)其進(jìn)行同軸度的測(cè)量，通過(guò)以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)具體說(shuō)明下如何檢驗(yàn)試樣，以45#鋼（彈性模量E=210GPa，屈服強(qiáng)度為355MPa）以及合金鋁（彈性模量E=72GPa，屈服強(qiáng)度為125MPa）這兩種材質(zhì)為例進(jìn)行分析。

（1）對(duì)于量程30kN的試驗(yàn)機(jī)，在做同軸度測(cè)量時(shí)，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗(yàn)試樣，按照3.1.2測(cè)量方法，在其受到最大力為30×4%=1.2（kN），此時(shí)檢驗(yàn)試樣所受應(yīng)力為：

對(duì)于有效長(zhǎng)度100mm的試棒，實(shí)際變形量：△l=100×72.9×10-6=7.29（μm）

若使用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗(yàn)試樣，同理可得σ=15.3MPa），△l=21.25（μm）

（2）對(duì)于量程100kN的試驗(yàn)機(jī)，在做同軸度測(cè)量時(shí)，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗(yàn)試樣，按照3.1.2測(cè)量方法，在其受到最大力為100×4%=4（kN），此時(shí)檢驗(yàn)試樣所受應(yīng)力為：

對(duì)于有效長(zhǎng)度100mm的試棒，實(shí)際變形量：△l=100×242.9×10-6 =24.29（μm）

若使用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗(yàn)試樣，同理可得σ=51（MPa），△l=70.83（μm）

（3）對(duì)于量程600kN的試驗(yàn)機(jī)，在做同軸度測(cè)量時(shí)，使用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗(yàn)試樣，按照3.1.2測(cè)量方法，在其受到最大力為600×4%=24（kN），此時(shí)檢驗(yàn)試樣所受應(yīng)力為：

對(duì)于有效長(zhǎng)度100mm的試棒，實(shí)際變形量：△l=100×1455.7×10-6=145.57（μm）

若使用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗(yàn)試樣，同理可得σ=212.3（MPa），△l=101.1（μm）

（4）對(duì)于量程1000kN的試驗(yàn)機(jī)，在做同軸度測(cè)量時(shí)，使用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗(yàn)試樣，按照3.1.2測(cè)量方法，在其受到最大力為1000×4%=40（kN），此時(shí)檢驗(yàn)試樣所受應(yīng)力為：

對(duì)于有效長(zhǎng)度100mm的試棒，實(shí)際變形量：△l=100×1685×10-6=168.5（μm）

因?yàn)檫x擇檢驗(yàn)試樣需要遵循的原則是在試樣受到最大力時(shí)不超過(guò)其極限強(qiáng)度而能獲得最大應(yīng)變，所以通過(guò)以上四組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：試驗(yàn)機(jī)的量程為30kN～100kN時(shí)應(yīng)選用材質(zhì)為合金鋁、ф10mm的檢驗(yàn)試樣；試驗(yàn)機(jī)的量程為100kN～600kN時(shí)應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、ф10mm的檢驗(yàn)試樣；試驗(yàn)機(jī)的量程為600kN～1000kN時(shí)應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、ф12mm的檢驗(yàn)試樣；試驗(yàn)機(jī)的量程不小于1000kN時(shí)應(yīng)選用材質(zhì)為45#鋼、直徑大于12mm的檢驗(yàn)試樣。

3.2 幾何測(cè)量法

通過(guò)3.1.3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知對(duì)于量程小于30kN的試驗(yàn)機(jī)，如果采用應(yīng)變測(cè)量法檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)的同軸度，即使采用鋁合金材質(zhì)的檢驗(yàn)試樣，也只有產(chǎn)生二十幾微米以下的實(shí)際變形量，目前國(guó)內(nèi)同軸度檢測(cè)裝置很難準(zhǔn)確地測(cè)得這么小的變形量，那么對(duì)于量程低于30kN的試驗(yàn)機(jī)應(yīng)采用幾何測(cè)量法測(cè)量其同軸度，測(cè)量方法是：使用重錘和配套定心盤(pán)進(jìn)行檢查，定心盤(pán)中心刻有ф2mm的圓，檢查時(shí)，先將錐形重錘懸掛在試驗(yàn)機(jī)上夾具中心處，定心盤(pán)固定在試驗(yàn)機(jī)下夾具中心處。移動(dòng)活動(dòng)夾具，使試驗(yàn)空間不小于500mm（不足500mm的試驗(yàn)空間，需移至其極限空間位置），調(diào)節(jié)懸掛線長(zhǎng)度，并使錘尖盡量接近定心盤(pán)面，檢查錘尖是否落在其規(guī)定直徑圓內(nèi)。

4 與美標(biāo)同軸度測(cè)量方法對(duì)比

美標(biāo)ASTM E1012-14《Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application》中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的同軸度參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)一要求，規(guī)定了級(jí)別與最大允許誤差。其檢測(cè)方法與國(guó)標(biāo)的同軸度應(yīng)變測(cè)量法有些類(lèi)似，只是美標(biāo)同軸度的測(cè)量方法要求檢驗(yàn)試樣需在有效長(zhǎng)度內(nèi)上、中、下三個(gè)截面內(nèi)放入應(yīng)變片，在其受力過(guò)程中測(cè)得每個(gè)截面的應(yīng)變，對(duì)試驗(yàn)機(jī)的同軸度進(jìn)行評(píng)級(jí)，如果每個(gè)截面所測(cè)得應(yīng)變不一致，那么取最大值作為評(píng)級(jí)結(jié)果；國(guó)標(biāo)的同軸度檢測(cè)方法則是通過(guò)同軸度測(cè)量?jī)x內(nèi)部的引伸計(jì)裝置測(cè)得檢驗(yàn)試樣在受力過(guò)程中中間位置的變形量作為試驗(yàn)機(jī)的同軸度，雖然二者檢測(cè)方法細(xì)節(jié)上有些差別，但其目的都是為了更準(zhǔn)確的測(cè)得試驗(yàn)機(jī)的同軸度大小。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章依據(jù)JJG 139-2014《拉力、壓力和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》檢定規(guī)程深入說(shuō)明了國(guó)標(biāo)同軸度檢測(cè)的原理及其方法，以及根據(jù)不同試驗(yàn)機(jī)量程選擇不同材質(zhì)及尺寸的檢驗(yàn)試樣，通過(guò)相應(yīng)的同軸度檢測(cè)方法準(zhǔn)確的測(cè)得試驗(yàn)機(jī)的同軸度大小，進(jìn)而改進(jìn)試驗(yàn)機(jī)廠家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其加工工藝，一旦試驗(yàn)機(jī)的同軸度誤差減小，那么通過(guò)萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料力學(xué)性能的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將更加地準(zhǔn)確可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 139-2014.拉力、壓力和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)[S].

[2]ASTM.E1012-14.Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application[S].

作者簡(jiǎn)介：薛金，男，福建福州人，工程師，研究方向?yàn)榱W(xué)計(jì)量。