疲勞試驗(yàn)機(jī)的工裝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱雅平　萬霖

【摘 要】粉末冶金零件常常用于高周期的應(yīng)力環(huán)境下，因此疲勞性能對(duì)于粉末冶金試樣十分重要，而設(shè)計(jì)用于粉末冶金試樣疲勞試驗(yàn)的工裝也具有十分重要的意義。文章以FTM-20動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)兩種類型的疲勞工裝，主要用于夾持試樣，保證試樣的定位準(zhǔn)確及牢固，便于裝配與拆卸，并且能配合疲勞試驗(yàn)機(jī)的周期直線運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。通過專用軟件，用于測(cè)量粉末冶金試樣的彎曲疲勞強(qiáng)度和滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度。此外，通過在疲勞試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)得到特定試樣的疲勞應(yīng)力與疲勞壽命曲線，進(jìn)而獲得與常規(guī)粉末冶金試樣相近的疲勞曲線，證明工裝設(shè)計(jì)是合理的。

【關(guān)鍵詞】疲勞試驗(yàn);工裝;彎曲疲勞強(qiáng)度;滾動(dòng)疲勞強(qiáng)度;粉末冶金

【中圖分類號(hào)】TH87 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）08-0077-03

1 研究背景

疲勞破壞是日常生活中常見的材料失效形式，它對(duì)考驗(yàn)材料的持久性具有重要意義。粉末冶金材料相對(duì)于傳統(tǒng)的致密材料，抗疲勞性能受多種因素的影響，所以了解試樣的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命是非常重要的。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了兩種疲勞工裝，用來測(cè)量粉末冶金試樣的三點(diǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度和滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)工裝工作原理

圖1所示為三點(diǎn)彎曲疲勞工裝，可將其分為4個(gè)部分：上沖頭、固定塊、試樣放置臺(tái)、下沖平臺(tái);固定塊與試樣放置臺(tái)的中間為放置試樣的區(qū)域，如圖1中6號(hào)區(qū)域。三點(diǎn)彎曲疲勞的原理是固定住試樣一側(cè)的兩端，另一側(cè)上沖頭在試樣中間施加載荷，設(shè)定某一載荷下的循環(huán)次數(shù)或者特定循環(huán)次數(shù)下的交變載荷，用于判定該試樣的疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命。試驗(yàn)開始前，需要將試樣固定在上述6號(hào)區(qū)域，因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中上沖頭不斷地對(duì)試樣有向下的作用力，若固定裝置沒有對(duì)試樣有較大的束縛力，在較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，試樣必然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大的影響;首先固定下沖平臺(tái)的位置，下沖平臺(tái)通過雙螺母與設(shè)備連接，便于調(diào)整平臺(tái)位置與其他零件配合且具有防松動(dòng)的效果;將試樣放置臺(tái)與下沖平臺(tái)螺栓連接固定，將試樣放置在6號(hào)區(qū)域，將固定塊放置在放置臺(tái)上方，并與下沖平臺(tái)螺紋連接，從而固定試樣;上沖頭與設(shè)備的上橫梁螺紋連接，使其沖頭下端長(zhǎng)邊始終與工件保持正垂直。試驗(yàn)開始時(shí)，調(diào)整上橫梁位置，使上沖頭緩緩靠近試樣，通過固定塊的引導(dǎo)通道，上沖頭進(jìn)入夾緊裝置中直至下端接觸到待測(cè)試樣，即可打開軟件開始試驗(yàn)，上沖橫梁上下往復(fù)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的次數(shù)（106）時(shí)，測(cè)定使試樣疲勞失效的負(fù)載區(qū)間，即可知道試樣的疲勞強(qiáng)度。

圖2為滾動(dòng)接觸疲勞工裝，相對(duì)于彎曲疲勞工裝，滾動(dòng)接觸疲勞工裝最大的不同的就是原有的上沖頭替換成由伺服電機(jī)、安裝固定裝置及由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的定軸滾輪等組成的系統(tǒng)。我們可以把整套工裝從上到下分為6個(gè)部分：伺服電機(jī)安裝架、伺服電機(jī)、定軸滾輪安裝臺(tái)、定軸滾輪、固定裝置、下沖平臺(tái)。滾動(dòng)接觸疲勞的原理是固定裝置固定試樣，定軸滾輪在電機(jī)和上沖橫梁的作用下和試樣表面接觸，測(cè)定試樣在受到電機(jī)的循環(huán)應(yīng)力下至接觸疲勞失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。由于滾動(dòng)接觸疲勞在試驗(yàn)過程中滾輪作用在試樣上存在沿接觸面時(shí)滾輪的運(yùn)動(dòng)方向相同方向的水平方向的作用力，所以該工裝的固定裝置除對(duì)試樣在豎直方向的固定外，也要固定試樣在水平方向的位置，最明顯的就是固定臺(tái)去掉了與下平臺(tái)固定的螺紋孔，而設(shè)計(jì)有與放置臺(tái)相固定的兩個(gè)螺紋，便于對(duì)試樣在水平方向進(jìn)行固定;安裝過程同樣也是先對(duì)下平臺(tái)進(jìn)行固定，使用雙螺母便于調(diào)整位置且防松動(dòng)，將試樣放置在固定裝置中，通過螺紋連接進(jìn)行固定，然后將固定裝置與下平臺(tái)固定。安裝伺服電機(jī)安裝架，安裝架呈“三段式”結(jié)構(gòu)：第一段水平架與上沖橫梁上側(cè)的兩個(gè)螺紋孔連接，固定安裝架;第三段水平架連接伺服電機(jī)，是主要的承重架;第二段豎直架連接兩段水平架，可以減輕承重架的所受的壓力，同時(shí)它最大的作用就是可以調(diào)整伺服電機(jī)的高度便于電機(jī)與定軸滾輪配合。最后安裝定軸滾輪安裝臺(tái)及定軸滾輪，值得注意的是，滾輪的半價(jià)高于兩側(cè)，需要在安裝臺(tái)和滾輪之間添加一個(gè)增高臺(tái)，避免滾輪與安裝臺(tái)接觸，最后調(diào)整豎直架角度，使伺服電機(jī)與滾輪配合。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打開設(shè)備開關(guān)，調(diào)整上橫梁位置，使?jié)L輪剛好與試樣接觸，開啟伺服電機(jī)開關(guān)，開始試驗(yàn)。測(cè)量試驗(yàn)過程的接觸應(yīng)力S和循環(huán)基數(shù)N，描繪出試樣的S-N曲線，進(jìn)而判定該試樣的接觸疲勞強(qiáng)度。

3 設(shè)計(jì)思路

彎曲工裝的關(guān)鍵是固定裝置（固定臺(tái)和試樣放置臺(tái)），使試樣在試驗(yàn)過程中不移動(dòng)，減小試驗(yàn)誤差。試樣為長(zhǎng)方體形狀，粉末冶金試樣是通過液壓機(jī)單向壓制后得到的，壓制后的試樣表面長(zhǎng)31.86 mm、寬12.77 mm，試樣經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后長(zhǎng)度略有增長(zhǎng)，統(tǒng)計(jì)后平均長(zhǎng)度約32 mm，在左右各留0.2 mm的余量，為放置方便，設(shè)計(jì)凹槽長(zhǎng)度為32.4 mm;避免試驗(yàn)過程中應(yīng)力集中，且不破壞試樣，與試樣接觸的三點(diǎn)設(shè)計(jì)成圓角，下側(cè)的兩個(gè)支撐點(diǎn)的圓角半徑為1.5 mm，避免接觸點(diǎn)周圍應(yīng)力集中，兩支撐點(diǎn)與其相連的兩側(cè)有半徑為1 mm的圓角過渡;上側(cè)的沖擊頭的圓角設(shè)計(jì)為2 mm，便于試驗(yàn)后試樣從中間斷開。固定臺(tái)俯視圖為52 mm×67 mm的“工”字狀，四角設(shè)計(jì)有4個(gè)φ13 mm的螺紋孔，與下沖平臺(tái)固定，其中間30 mm×20 mm的豎槽有一個(gè)15 mm×20 mm的正方圓角形通孔，側(cè)視圖是52 mm×36 mm的“Π”狀，其內(nèi)部的槽為“凸”形，由20 mm×20 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸點(diǎn)組成;這是由于試樣的寬度略低于13 mm，長(zhǎng)大于30 mm，當(dāng)固定臺(tái)與放置臺(tái)配合時(shí)，可以固定試樣的位置，并通過φ13 mm螺紋孔將固定裝置與下沖平臺(tái)固定。下沖平臺(tái)俯視圖為φ150 mm的圓，其圓心四周組成一個(gè)長(zhǎng)為30 mm、寬為42 mm的長(zhǎng)方形，四角設(shè)計(jì)有4個(gè)螺紋孔，與固定臺(tái)固定配合，其圓心兩側(cè)相距55 mm和95 mm的4個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)有4個(gè)螺紋孔，與放置臺(tái)固定配合。為避免沖擊載荷過大對(duì)上沖頭造成損害甚至造成沖頭斷裂，將上沖頭設(shè)計(jì)成兩重寬度過渡，且過渡點(diǎn)都設(shè)計(jì)有半徑為5 mm的圓角，避免應(yīng)力集中，最下端沖頭設(shè)計(jì)長(zhǎng)為30 mm，避免疲勞試驗(yàn)中除最末端沖頭通過固定裝置與試樣接觸，其余部分不相接觸。

和上述工裝相比，滾動(dòng)接觸工裝在關(guān)鍵的固定裝置處尺寸沒有變化，試樣放置臺(tái)中間的凹槽長(zhǎng)同樣為32.4 mm，但是由于不是測(cè)量沖擊疲勞，所以在原有的固定臺(tái)基礎(chǔ)上去掉了下側(cè)支撐點(diǎn)的相關(guān)設(shè)計(jì)，但在固定臺(tái)兩側(cè)與固定臺(tái)平面呈中心對(duì)稱長(zhǎng)45 mm、高10 mm的兩點(diǎn)設(shè)有2個(gè)直徑為6 mm的螺紋孔，與固定臺(tái)橫向連接。對(duì)應(yīng)的固定臺(tái)由于不再與下沖平臺(tái)固定，所以設(shè)計(jì)去掉了4個(gè)與下沖平臺(tái)相連接的螺紋孔，并做相應(yīng)修改，由原來的俯視“工”字形改為正視圖為75 mm×29 mm的“凹”字形，凹槽的寬為20 mm、高10 mm;兩側(cè)相對(duì)于固定臺(tái)上平面中心線長(zhǎng)55 mm、高23.5 mm的點(diǎn)設(shè)計(jì)有2個(gè)φ7 mm的通孔，由于試樣的厚度不能完全控制，這與試樣的成分和壓制力有關(guān)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，試樣的厚度有0.5 mm的上下波動(dòng)，所以將固定臺(tái)兩側(cè)的通孔設(shè)計(jì)成“橢圓形”，兩側(cè)的圓弧直徑均為7 mm，中間的直線長(zhǎng)度為3.5 mm，能避免由于試樣厚度不均導(dǎo)致固定臺(tái)和放置臺(tái)之間無法橫向固定的情況。側(cè)視圖與彎曲工裝一樣，為“Π”狀，內(nèi)部槽為“凸”形，同樣由20 mm×19 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸部分組成，相對(duì)于彎曲工裝，其對(duì)上凸點(diǎn)處的加工公差不同，上下公差為0、-0.05 mm，而彎曲工裝的上下公差為0.05 mm、0，能進(jìn)一步避免試樣的橫向滑動(dòng)。定軸滾輪安裝臺(tái)為一個(gè)“凸”形，上凸出來的部分長(zhǎng)50 mm、寬10 mm，其中心處設(shè)有一個(gè)M16的螺紋通孔，與上橫梁相連接，下大部分為145 mm×130 mm×30 mm的長(zhǎng)方體，距長(zhǎng)方體中心長(zhǎng)105 mm、寬95 mm的4個(gè)點(diǎn)有4個(gè)M12的螺紋通孔，與定軸滾輪相連接。由于試驗(yàn)過程中滾輪要與試樣接觸，所以滾輪的半徑要高于兩側(cè)，為了避免滾輪在試驗(yàn)過程中與安裝臺(tái)觸摸，一方面將安裝臺(tái)下端面磨光減小摩擦減輕接觸時(shí)對(duì)滾輪的損害，另一方面在安裝臺(tái)和滾輪中添加兩個(gè)高17 mm的增高臺(tái)，使其不接觸。伺服電機(jī)安裝架由3個(gè)部分組成，其中兩個(gè)與上沖橫梁螺紋連接的水平架長(zhǎng)120 mm，每個(gè)架上都有兩個(gè)孔，一個(gè)φ21 mm的孔與上沖橫梁連接，另一個(gè)中間長(zhǎng)5 mm的φ21 mm的橢圓形孔與豎直架連接，設(shè)計(jì)成橢圓形孔就是能夠微調(diào)豎直架所在的水平位置，進(jìn)而能夠調(diào)整整個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)的水平位置，豎直架的基本高度為105 mm，這個(gè)高度是由上沖橫梁寬度、定軸滾輪安裝臺(tái)寬度、增高臺(tái)高度等決定的，豎直架下端同樣設(shè)計(jì)有和水平架一樣的“橢圓形孔”，同樣是為了微調(diào)整個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)的豎直位置，最后一段水平架是為了降低整個(gè)系統(tǒng)每個(gè)點(diǎn)的壓力，沒有將水平架和豎直架直接連接起來，而是通過中間的325 mm×30 mm×35 mm長(zhǎng)方體桿過渡，桿上設(shè)有4個(gè)螺紋孔，兩兩與桿中心線對(duì)稱，其中豎直架與相距300 mm的兩個(gè)螺紋孔連接，水平架與相距100 mm的兩個(gè)螺紋孔連接，當(dāng)水平架與伺服電機(jī)連接時(shí)，由于中間的橫桿過渡，豎直架和最上方的水平架承受的力減少2/3，能極大地增加使用壽命。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們?cè)谶@套工裝基礎(chǔ)上研究了不同整形量的粉末冶金試樣的疲勞σ-N曲線，如圖3所示，當(dāng)作用力小于疲勞極限時(shí)（104N），材料經(jīng)歷106次循環(huán)應(yīng)力也不會(huì)被破壞，這與常規(guī)的粉末冶金試樣的疲勞壽命近似，所以可認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的工裝是合理有效的。

5 結(jié)論

以特定粉末冶金試樣做疲勞工裝，需要針對(duì)特定的粉末冶金試樣做特定的修改。本文中針對(duì)特定形狀的粉末冶金試樣，設(shè)計(jì)出在此基礎(chǔ)上能正常工作的兩套疲勞工裝，其工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，制作簡(jiǎn)單，后期更換方便。通過在FTM-20疲勞試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)得到特定試樣的疲勞應(yīng)力與疲勞壽命曲線，即σ-N曲線，能得到與常規(guī)粉末冶金試樣相近的疲勞曲線，表明工裝設(shè)計(jì)是合理的。

參 考 文 獻(xiàn)

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