高溫試樣快換工裝技術(shù)研究

公旭國(guó)，張立新，秦秀秀

中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 遼寧沈陽 110043

1 序言

高溫長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)主要是高溫持久蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)溫度為650～1100℃，樣品與試驗(yàn)機(jī)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?cè)囼?yàn)方法》要求，試樣聯(lián)接后的同軸度要≤10%，行業(yè)內(nèi)通用的拉桿、夾具以及樣品的聯(lián)接方式為螺紋聯(lián)接，螺紋聯(lián)接同軸度遠(yuǎn)低于10%的要求[1]。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，更換樣品主要是通過旋轉(zhuǎn)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(yàn)停止后，打開高溫爐，待拉桿和夾具冷卻到試驗(yàn)人員佩戴隔熱手套操作時(shí)，方可開始下一次試驗(yàn)，故上述聯(lián)接方式會(huì)增加下一個(gè)樣品的安裝時(shí)間。

為了縮短兩次高溫持久試驗(yàn)之間的等待時(shí)間，縮短高溫持久試驗(yàn)裝夾時(shí)間，提高高溫持久試驗(yàn)工作效率，本課題通過設(shè)計(jì)一種新型的工裝夾具，達(dá)到高溫試驗(yàn)結(jié)束后短時(shí)間內(nèi)快速地更換工裝、裝夾新試驗(yàn)樣品，開始新試驗(yàn)的目的。

2 工裝現(xiàn)狀分析

2.1 原工裝設(shè)計(jì)分析

高溫持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)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(lián)接，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，均是較為傳統(tǒng)的工裝夾具聯(lián)接方式。螺紋聯(lián)接的試樣同軸度比較容易控制，且不易產(chǎn)生試樣偏斜，試樣裝夾完成后，同軸度能滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法的要求。同軸度是高溫持久蠕變?cè)囼?yàn)非常重要的指標(biāo)，尤其對(duì)于脆性材料，同軸度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響更為顯著。

圖1 螺紋夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 上（下）拉桿設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 原工裝使用狀態(tài)分析

原工裝夾具試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及聯(lián)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(lián)接，螺紋夾具與拉桿聯(lián)接也是通過內(nèi)外螺紋聯(lián)接，拉桿與夾頭的聯(lián)接均是通過螺紋聯(lián)接。在900℃以上進(jìn)行高溫試驗(yàn)時(shí)，螺紋聯(lián)接的拉桿、夾具和夾頭之間因?yàn)楦邷匮趸虼嬖陴みB不能拆卸的現(xiàn)象，導(dǎo)致夾具報(bào)廢。

圖3 原工裝夾具試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及聯(lián)接方式

同時(shí)這種聯(lián)接方式，試驗(yàn)結(jié)束需要待夾具冷卻后，試驗(yàn)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(yàn)等待最少要1h，夾具才能冷卻，平均等待時(shí)間為3h，兩次試驗(yàn)之間的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致試驗(yàn)效率不高。

3 新型工裝設(shè)計(jì)

3.1 新型工裝設(shè)計(jì)要求

新設(shè)計(jì)的拉桿和夾具要聯(lián)接在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行同軸度檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)試樣任意兩相對(duì)方向彈性變形值≤10%，即任意兩相對(duì)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(xì)設(shè)計(jì)

新型工裝夾具夾頭和拉桿采用帶開口式平臺(tái)聯(lián)接，夾具依然采用螺紋聯(lián)接，確保聯(lián)接后試樣的同軸度能滿足標(biāo)準(zhǔn)方法要求。此外，考慮夾頭和上下拉桿采用開口式平臺(tái)聯(lián)接，在試樣結(jié)束后，打開高溫爐，拉桿容易從夾頭的平臺(tái)上直接脫落而砸傷試驗(yàn)人員，因此在開口式平臺(tái)上設(shè)計(jì)一窩形結(jié)構(gòu)，讓拉桿與夾頭的平臺(tái)接觸后在窩形結(jié)構(gòu)中不能脫落，確保夾具使用時(shí)的安全[2]。

試驗(yàn)結(jié)束后，只要用長(zhǎng)柄鉗子將聯(lián)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(yàn)。新工裝夾具實(shí)現(xiàn)了30min內(nèi)即可完成樣品的更換。改進(jìn)后快換夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用狀態(tài)如圖4、圖5所示。

圖4 改進(jìn)后快換夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖5 改進(jìn)后快換夾具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用狀態(tài)

4 夾具同軸度試驗(yàn)結(jié)果

工裝夾具的同軸度主要依靠加工時(shí)的機(jī)床保證，無具體標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)如何進(jìn)行工裝夾具的同軸度檢測(cè)，傳統(tǒng)的方式都是通過標(biāo)準(zhǔn)樣品與工裝夾具聯(lián)接，然后采用貼應(yīng)變片或者是雙邊變形光柵式傳感器進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算同軸度。試驗(yàn)室采用第一種方式進(jìn)行同軸度的測(cè)量并計(jì)算，結(jié)果見表1、表2。

表1 RD100型持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)同軸度核查記錄

表2 GWT504型持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)同軸度核查記錄

通過用同軸度驗(yàn)證，證明新工裝夾具整體聯(lián)接后的同軸度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的要求，可以進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

新工裝夾具的高溫耐用性以及長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)后的同軸度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是考察新工裝夾具的關(guān)鍵性指標(biāo)。

試驗(yàn)室選取材料性能穩(wěn)定、零件號(hào)相同的GH4169高溫合金外購(gòu)鍛件進(jìn)行新工裝夾具使用500h、1000h及1500h后，再次進(jìn)行工裝夾具同軸度驗(yàn)證。試驗(yàn)至500h后，再次核查試驗(yàn)機(jī)的同軸度，結(jié)果見表3。試驗(yàn)至1000h后，再次核查試驗(yàn)機(jī)的同軸度，結(jié)果見表4。試驗(yàn)至1878h后，再次核查試驗(yàn)機(jī)的同軸度，結(jié)果見表5。

表3 試驗(yàn)500h后RD100型持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)同軸度 核查記錄

表4 試驗(yàn)1000h后RD100型持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)同軸度 核查記錄

表5 試驗(yàn)1878h后RD100型持久蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)同軸度 核查記錄

從同軸度驗(yàn)證的數(shù)據(jù)可知，新試驗(yàn)工裝夾具使用500h、1000h、1878h后，同軸度驗(yàn)證都能滿足標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法中同軸度≤10%的要求。

5 結(jié)束語

新工裝的同軸度試驗(yàn)滿足GB/T 2039—2012中規(guī)定的≤10%要求。

由原來裝夾等待時(shí)間約3h，通過工裝技術(shù)改進(jìn)后降低至30min，裝夾效率提升約80%。檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)集中穩(wěn)定，試驗(yàn)方法可靠。