對振動沖擊試驗夾具設計制造方法的探討

摘 要：隨著現代工業和國防事業的不斷發展，振動和沖擊試驗從上世紀出現開始到現在得到了巨大的發展，在各行各業得到了廣泛的應用。振動和沖擊試驗與夾具的設計技術密切相關，為了保證試驗結果的有效性，需要設計出合格的試驗夾具。本文闡述了夾具在振動沖擊試驗中的重要性，總結了夾具的功能和性能指標，對夾具的基本類型、材料使用、制造加工、安裝和動態測試方法進行了探討。

關鍵詞：夾具的功能；制作工藝；測試方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.016

0 概述

振動、沖擊試驗是環境試驗中很重要的一個環境參數，無論是航天航空、武器裝備、軌道交通還是各種民用產品，在其儲存、運輸和使用過程中都會經受到振動、沖擊的環境影響，也是可靠性試驗、環境應力篩選及多因素綜合環境試驗最基礎的項目。要在實驗室模擬實際環境對受試產品進行振動、沖擊試驗，就必須借助于試驗夾具，通過夾具將試樣與振動、沖擊臺面連接起來，通過夾具將規定的環境譜不失真地傳遞給試樣，所以夾具的設計、制作及安裝水平直接關系到試驗能否順利實施，產品能否經受到規定的試驗量級考核，若因為夾具的設計、加工及安裝不合理，就會造成受試產品“過試驗”或“欠試驗”，直接影響到試驗結果的評判，由此可知，試驗夾具對試件的振動沖擊起著決定性的作用。

1 夾具的功能

振動、沖擊試驗夾具是將試驗臺面與試樣連接起來，將規定的激振力傳遞給受試產品，主要有兩項功能：

1.1 連接功能

由于振動臺面的螺栓孔有固定的尺寸和位置，不可能滿足各種產品在平臺上的安裝要求，所以就需要通過夾具，將被試產品固定在振動臺面上；

1.2 傳遞功能

夾具是介于振動臺面與被試產品之間的傳遞介質，振動臺的振動量值通過夾具傳遞給被試產品，用于模擬被試品在實際使用中所經受到的振動環境。

2 夾具的性能指標

夾具的設計目前沒有統一的標準方法，很多時候還依賴于實踐經驗，但一個理想的夾具需具備重量相對較小、剛度大、在規定試驗頻率范圍內不出現共振等基本要求：

（1）夾具自身的第一階固有頻率應大于規定的最高試驗頻率，才能有效避免受試產品與夾具發生共振耦合，造成試樣不正當損壞；

（2）受試產品與試驗夾具連接面上各點的響應要盡量一致，以達到振動激勵量值1：1傳遞給試件；

（3）為提高夾具的第一階固有頻率，需選擇剛度/質量比足夠大的材料制作；

（4）夾具的阻尼要足夠大，當夾具發生共振，第一階固有頻率的品質因數Q須小于4；

（5）夾具的質量最好大于試件的兩倍以上，以減小受試產品與振動夾具之間的相互映射作用；

（6）盡量減小夾具在垂直于振動/沖擊方向上的橫向運動；

（7）振動、沖擊波形失真要小，波形失真度在夾具的第一階固有頻率之前應小于25%，在之后，應小于60%。

3 夾具的種類

3.1 板狀夾具

板狀夾具（俗稱轉接板）是所有夾具中最簡單的，其形狀有圓形或方形等適合具體產品的均可，對于小而多的試樣或者單個大型試樣都得到了廣泛的應用，對板狀夾具的厚度要求至少有20mm以上，才能保證其剛度，最好選用鋁鎂合金或鋁板材料加工制作。

3.2 立方體夾具

對于小型零構件的振動、沖擊試驗，立方體夾具是一個不錯的選擇，受試產品在夾具的五個面上均可安裝，小型立方體夾具可用整塊鋁材或鎂鋁合金機械加工而成，對于大型立方體夾具常常用高阻尼合金鑄造形成。

3.3 半球形夾具

半球形夾具的固有頻率/重量比很高，同時又能在一個振動、沖擊臺面上進行相對于臺面三個方向的試驗，是一款非常優秀的夾具，這種夾具由于表面是球面結構，機械加工比較復雜，因此通常都是鑄造而成。

3.4 錐形夾具

錐型夾具因為其自身結構特點，剛度重量比很高，一般都是經過鑄造加工而成，其自振頻率一般可以達到2000Hz以上，有些錐形夾具是為特殊試件定做，有些也可以做成多用途的。

3.5 L形夾具

L形夾具因其結構簡單、價格低廉，在振動、沖擊試驗中用得非常廣泛，其各結構件之間可通過螺栓連接、焊接或膠粘等方式組合起來，也可以用整塊材料通過機械加工而成。

3.6 T形夾具

T型夾具和L型夾具相類似，不同的是T型夾具的垂直平板是安裝在底板的中心位置處，在垂直板的兩側均可以安裝試驗件。

除了上面列舉的幾種常用夾具外，還有盒式夾具、圓筒式夾具等類型。

4 夾具的設計與制造

4.1 材料的選擇

在進行夾具制作時，首先需要選擇材料，由于振動夾具自身的高頻特性所要求的剛度使得夾具非常牢固，夾具很少因為強度不足而損壞。

所以在進行夾具設計時，根據（式中f是響應頻率，k是剛度，m是質量）可知，最需要被考慮的是夾具自身的重量，鋁的密度約為鋼的1/3，鎂的密度約為鋼的1/4～1/5，鎂鋁合金密度大約為鋼的1/4，同時鋁鎂合金的阻尼特性比較好，加工也相當經濟，所以理論上鋁鎂合金是最常用的材料，考慮到在機械加工過程中鎂有著火的危險， 所以通常更多的會選擇鋁合金制造夾具。

4.2 夾具的制作工藝

振動沖擊試驗夾具制作的主要方法有整體機械加工、鑄造成型、焊接結構、螺接結構和粘接結構夾具，除上述幾種常用的夾具制造方法之外，目前根據一些產品的形狀、特殊用途或特殊要求，還有疊層夾具、環氧樹脂成形夾具、灌蠟封裝夾具及用泡沫塑料作阻尼的夾具等。

4.2.1 整體機械加工夾具

對于試樣較小時，用整塊材料通過機械加工來制造夾具是又快又省的方法。 通過車、銑、磨、鏜、鉆等加工工藝對一整塊金屬材料（如鎂鋁合金或鋁合金）加工成需要的夾具，這種方法可以制作型面比較復雜的夾具，夾具殘余應力小，此種夾具制作方法對于小型試樣值得推薦。

4.2.2 鑄造成型夾具

在通常情況下，應優先考慮使用鑄造夾具，鑄造法具有能適用各種復雜表面， 一次成形的特點，尤其是對一些有弧形過渡面、支撐筋、復雜截面和有肋條的內腔等夾具，須用鑄造成型才能實現，鑄造成型的夾具，阻尼系數高，對抑制夾具諧振時的峰值加速度有好處，傳遞性好。

4.2.3 焊接夾具

焊接夾具具有制造周期短，成本低廉、更改結構方便等優點，應用非常普遍，但其材料阻尼系數小，夾具自身的諧振加速度峰值很高，所以焊接完成后還需進行時效熱處理。

4.2.4 螺接夾具

螺接夾具是一種比較簡單、快捷、經濟的制作夾具的方法，但螺接夾具難以獲得比較好的振動特性，很多時候是在沒有別的方法可選的時候才用螺接，在螺接夾具中主要考慮兩個因素：

（1）螺接夾具的構件必須是機加工件，保證構件之間的接觸面能緊密地結合在一起，獲得較高的配合精度；

（2）二是螺栓的預緊力比計算的最大分離力至少要大10%。如果沒有足夠的預緊力，部件會脫開而相互撞擊。這種撞擊常常超過規定的試驗載荷和頻率范圍，造成試樣不必要的損壞。

4.2.5 粘接夾具

粘接夾具是一種快速而又經濟的夾具制作方法，粘接夾具的強度主要由粘接劑的強度與粘接工藝決定，多用于制造承載較小的夾具。

5 夾具的安裝與使用

夾具的安裝狀態直接影響著夾具與振動臺、夾具與產品連接面的機械阻抗，也就決定著振動激勵從振動臺傳遞到產品的正向傳輸和反向的映射，從而嚴重影響著振動試驗的結果。

夾具與振動臺面的連接優先選擇螺接方式，為了增加連接螺栓與螺孔之間螺紋的接觸面積，防止螺紋面的過度磨損而導致連接的松動，螺栓擰緊振動臺面的深度至少為螺栓直徑的兩倍，另外為了防止振動試驗時，連接螺栓的松動，應該在螺栓下方加彈簧墊圈和平墊圈，螺栓的預緊力通常要比振動試驗中最大激振力大10%～15%，否則會出現“拍擊”現象，造成產品的非正常損壞。

6 夾具的測試

夾具的設計受設計方法、材料和制造工藝等影響，通常很難達到理想的效果，除一些標準型或簡單的夾具可以不測試，直接用于產品的實際試驗外，制作完成的夾具，尤其是結構復雜的夾具在投入使用前都需要進行測試。夾具測試可分為空載、帶模擬負載和安裝試件三個步驟進行。

空載測試主要是為了測試夾具自身的動態特性，特別是夾具的一階諧振頻率值，空載測試能夠揭露夾具的缺點，提出改進的方法。

夾具帶模擬負載的測試是將試驗件折算為慣性負載，按照試驗件質量在夾具平臺上的實際分布狀況將模擬負載固定在夾具安裝試件的平臺上，由于帶模擬負載的夾具測試沒有考慮被試品的彈性效應和阻尼特性，故帶模擬負載的夾具測試與安裝試件后的夾具測試只有一定的可比性。

安裝試件后的夾具測試實際上是一種低兩級的預試驗，可選用給定總均方根值量值的25%作為最高測試量級，通常認為低于這個量級的振動激勵不會對被試品帶來附加的損傷。

參考文獻：

[1]胡志強.環境與可靠性試驗應用技術[M].北京，2016.

[2]朱姝，常志剛.振動沖擊試驗夾具設計技術研究與實踐[J].環境技術，2009（03）：14-19.

[3]鮑旭清.基于有限元法的某汽車電器可靠性試驗臺結構設計研究[D].合肥工業大學，2008.

[4]徐彭，朱孝政，蒲海峰.反坦克導彈彈上小型部件試驗夾具的設計[J].彈箭與制導學報，2006（03）：56-58.

[5]姜同敏.振動沖擊試驗夾具設計制造技術[J].航空制造工程，1997（05）：21-23.

作者簡介：柏遇合（1987-），男，重慶人，本科，助理工程師，研究方向：實驗室環境試驗技術。