试验机的同轴度是指试验机试样夹持装置在任意位置上和施加力的过程中,上、下夹头中心线与试验机的加力轴线间同轴的程度。

众所周之,材料拉伸试验试样承受正应力,而由于同轴度的影响会在试样上产生弯曲应力。弯曲应力根据试验条件和材料特性对试验结果会产生不同程度的影响。如果试验系统具有对中装置或材料的塑性流动可以消除弯曲应力,影响可能不会十分明显,但对于高刚度材料或测量弹性极限的需要限制了塑性流动条件及塑性值很小的V型槽应力集中试样,很小的不同轴度就会产生各种弯曲应力,进而对试验结果产生十分显著的影响。据国外有关报告介绍,在弯曲应变增加1倍时,钢螺栓拉力疲劳寿命降低40%~60%;在同样的应力条件下,仅仅将加载部件绕纵轴旋转360°,弯曲百分比就从8%变为43%,改变了5倍多。可见同轴度对有些试验的影响是至关重要的。

本文利用试验和计算的方法对试验机同轴度的检测进行了介绍。

轴向力作用下不同轴的原因及影响

拉伸试验过程中,产生不同轴的原因可分为三种情况:①试验机上、下夹头的中心线不重合;②试样中心线与上、下夹头中心线的一致对中性较差;③试样本身机械加工造成的不对称。通常情况下,系统不重合的这三种来源经常混合起来发生作用。

在压力试验中产生的不同轴与拉力试验是类似的,试验机压头和试样的不同方位都将使系统发生不重合现象。在对试样施加压力时,其配合表面设置与拉力试验是完全不同的。此时,另一个影响压力试验同轴度的原因是施加压力时试验机保持刚性的能力即整机系统的水平刚度。在对压力用试样进行系统重合对中时,最终遇到的问题可能就是试验机的不良水平刚度造成的。为了解决这个问题可以在压力载荷支撑部件之间使用一些位移计分析并表征位移特性,消除不良水平刚度对机器的影响。

试验机同轴度的检测

常规检测方法

在以往检测中,检测试验机同轴度有如下几种方式。

(1)选用足够长度和直线度的检验棒,装夹在试验机上、下夹头间,将两只百分表安装在检验棒上,检验试验机上、下夹头的同轴度;

(2)用象限水平仪检测检验棒的倾斜角度,检验上下夹头的同轴度;

(3)将检验用试样从中部切开,分别安装在上下夹头上,检测试样两部分的同轴度;

(4)将重锤自上夹头中心位置吊下,检测重锤与下夹头中心位置的偏离;

(5)用应变引伸计式同轴度自动检测仪检测试验机同轴度。

上述方法(1)—( 4)检测的是试验机几何同轴度,由于各种夹头及其连接环节间隙和对中调节的影响,与实际试验条件是有差别的。方法(5)是检测受力状态下的同轴度,与前四种方法相比,更接近实际试验条件,比较合理。电子式万能试验机、液压式万能试验机等产品国家标准中规定的也是此种检测方法,对于最大试验力在5kN以下的小吨位电子式万能试验机,由于受加工检测试样和装加引伸计的限制,标准规定按方法(4)检测。

国标规定的同轴度检测方法

《电子式万能试验机》标准中规定的同轴度检测方法是使用同轴度自动测试仪(或其他相应准确度的测量装置)。该仪器由引伸计、信号测量显示装置及检验用试样等组成,可自动检测计算、打印输出同轴度误差值。

同轴度自动测试仪的准确度要求是±1%,相对于0.5级试验机同轴度最大允许值12%的精度要求,此准确度要求是偏高的,已有专家提出建议,在修订标准时,可适当放宽同轴度自动测试仪的准确度要求。另外,检验时应选择合适的同轴度检验试样,标准中对圆试样的要求是标距不小于100mm,标距部分直径为10mm或12mm,标距部分与两头部的同轴度为Φ0.02 mm。

检验时,将检验用试样夹持在夹头上,两只引伸计沿相对方向安装在试样两侧,先施加试验机最大力1%的初始力,以消除连接环节的间隙。在试验机最大力2%~4%的范围内,按顺序在不同试验力下检测5点,测量试样两侧的弹性变形,在相互垂直的方向各测二次。检验中注意使用的最大力不应使检验用试样产生塑性变形。

如前所述,试验机拉伸和压缩的同轴度是不同的,同样对于拉伸试验,使用不同夹块同轴度也是有差别的。因此,试验机同轴度应针对拉压及各种不同规格的夹块分别进行检测。相关产品标准对此没有提出明确要求,用户应根据自身需求及试验方法要求进行检测。

ASTM标准的同轴度检测方法

美国试验和材料协会ASTM标准E1012-5推荐的检测方法〔1〕是在检测用试样上贴电阻应变片测量试验机加力系统同轴度。

应变片在试验试样上的粘贴位置,关系到以后测量的结果。在贴应变片之前,要细心检查试样与夹紧装置或机器之间的同轴度并对试样的尺寸进行记录。应变片的制造者还要提供与现有应变片相关的全部信息。应变片的标距长度应选择接近或低于试样收缩截面长度的10%。为了避免应变中和作用对毗邻应变片的相互影响,应变片在满足实际测量要求的前题下尽可能做的要小。

贴应变片的通用方法是用划针在将要放置应变片的位置精细地划纵向或横向浅划痕,然后根据纵向/横向轴线划痕放置应变片,这种方法的好处是粘贴应变片后可随意检查应变片的放置位置。

装配应变片的过程中要对它们在试样表面的配置位置加以关注,不同的配置位置会对后面试验的力学性质具有不同的影响。同一种材料的试样,几何形状不同,试样表面应变片的配置也不同。应变片通常被设置成2组(4个1组),圆柱形试样,应变片围绕圆周面相互间成90°位置等距离放置。对厚矩形试样(宽度与厚度之比小于3),应变片要在试样4个面的每一面的中心位置贴放。薄矩形试样(宽度与厚度之比大于或等于3),应变片在试样二个较大的面上背对背的贴放,此时从试样的中心线等距离的传送应变信号。

无论如何,应变片都要离试样轴向线中心位置等距离的放置。应变片的间距是试样收缩截面长度的75%。应变片放在最接近试样收缩截面端部部位时测得的最大弯曲应变可达最佳状态。

计算及说明

通常会对轴向力条件下材料拉伸和压缩试验的轴向应变、局部弯曲应变、最大弯曲应变和弯曲变化率感兴趣。下面用计算公式表达不同几何形状试样相关参数的结论。

(1)圆柱型试样,将3个应变传感器(应变片或引伸计)围绕圆柱型试样圆形截面的圆周并在垂直于试样标距长度中心的一个适当位置等距离的放置。

轴向应变

e1、e2和e3分别在3个位置测量的应变,e1≥e2≥e3,弯曲应变

测量的二个最高读数应变传感器的方向夹角。最大弯曲应变

弯曲变化率

用4个应变传感器(应变片或引伸计)围绕圆柱型试样圆形截面的圆周等距离的放置,则轴向应变e1、e2、e3和e4是在4个确定位置测量的应变,下标表示它们围绕试样的顺序。

局部弯曲应变

最大弯曲应变

弯曲变化率

在厚矩形试样横截面上放置4个应变传感器,其计算公式如下:

轴向应变

e1和e3是在试样厚度方向二个对面的中心位置测量的应变,e2和e4是在试样宽度方向二个面上测量的相关值。

局部弯曲应变

最大弯曲应变

弯曲变化率

在薄矩形试样横截面上放置4个应变传感器,其计算公式如下:

轴向应变

若将应变传感器放置,则位于试样4个面中心位置测量的等效应变由下式给出:

w:薄矩形试样的宽度;d:试样边缘到应变传感器的距离。

薄矩形试样的最大弯曲应变B和弯曲变化率PB由式⑿和⒀给出。

带切口圆形横截面试样切口根部的弯曲变化率:(已缩减截面直径/切口根部直径)×PB(由(5)或(9)式给出)。

矩形截面切口试样,切口根部轴线沿试样的厚度方向,则:

弯曲变化率

结束语

由于采用同轴度自动检测仪检测试验机同轴度的方法简便易行,目前在实际检测中被广泛使用。尽管贴应变片检测同轴度的方法可以提供更加精细、全面的应力分析结果,由于其操作复杂、成本高,一般仅在用户有特殊要求时采用。