一种板材/带材拉伸试验通用夹具的设计与应用*

王 艳，林思宇，封勇斌，张晟玮

(中国航发航空科技股份有限公司，四川 成都 610500)

板材、带材在飞机蒙皮、机翼、发动封严件、垫片等零件上普遍使用[1-2]，航空航天领域使用材料必须严格执行材料出厂与入厂的性能检测要求[3]，材料性能检测逐渐成为影响生产进度的重要因素。而板材、带材试样的室温拉伸、高温拉伸、高温持久力学性能是实验室性能检测中任务量较大的工作。

拉伸试验的夹具设计与开发正成为研究热点[4-5]，目前板材夹具在使用中的缺点问题非常突出，夹持试样孔的位置对试样变形影响很大，孔附近应力集中引起变形甚至撕裂，试样无法产生均匀变形[6]，纯楔形结构的板材高温拉伸夹具[7]和热拉伸试验夹具[8]的研究也是为解决此问题。由于现阶段在行业内使用的板材、带材拉伸试验夹具较单一，在国家标准和行业标准中均无通用夹具图样[9-10]，对板材室温、高温拉伸试验通用夹具的研究及应用较少，本文对现阶段板材拉伸试验存在的问题和新型通用夹具的设计及应用进行了详细说明。

1 当前试验过程不利因素分析

板材拉伸夹具常见缺陷图如图1所示。图1中，当前板材、带材室温拉伸采用的夹具是液压推动夹头，靠夹持力夹紧试样，操作人员装夹试样时难以保证试样上下两端头在同一轴线上，只能靠目测进行判断，当同轴度偏差太大时(见图1a)，会严重影响试验结果。较薄的板材、带材等试样在拉伸试验后，销孔位置应力集中会使夹头部位出现严重变形(见图1b)，影响拉伸试验曲线的准确性。严重时，某些薄板或带材试样装夹位置会严重变形后断裂，断裂部分卡在夹具中难以取出(见图1c)，导致夹具报废，同时拉伸后断裂位置(见图1d)不满足标准要求，导致试验结果无效。当前高温拉伸和高温持久试验采用的是插销式拉伸夹具(见图1e)，同样会出现由于试样与夹具之间匹配不佳，试样拉伸后断裂位置不满足试验方法规定，试样断裂在夹具内部使夹具损坏、报废等情况，从而导致试验结果无效，需要重新加工试样反复试验。而对于需要热处理的试样，对于高温拉伸、高温持久试验会极大增加检测周期及成本。部分检测单位通过在试样的夹持端焊接加强片而增加夹持端厚度，从而防止试样在销孔处断裂。对于高温试验，板材、带材不同厚度的试样，需使用不同规格的夹具，一个试验结束后，需要在夹具温度完全冷却后才能更换对应试样厚度的夹具及试样，再重新升温进行检测，存在反复冷却和升温过程，导致检测速率缓慢。

目前最新研究的夹具设计为纯楔形结构，可做板材的高温拉伸夹具(见图2)，其工作原理是试验机横梁移动带动楔形夹具挤压夹块，夹块加工为防滑锯齿状态，在挤压试样时产生摩擦力而夹持试样。目前拉伸试样材料的最大拉伸力与夹块的摩擦力无相应数据统计，当夹块挤压试样后产生的摩擦力不足以超过试样的最大拉力时，拉伸可能会使试样滑脱落。

为了保证板材、带材拉伸试验的检测质量和检测效率，提高拉伸试验检测水平，设计并制作满足板材、带材室温拉伸、高温拉伸、高温持久检测需求的通用夹具显得十分必要。

2 夹具的设计

本文对板材、带材的室温拉伸、高温拉伸、高温持久试验设计一种通用夹具，在板材、带材拉伸试验时，减少因传统夹具装夹同轴度不够引起的无效试验，解决试样厚度与夹具尺寸不匹配需反复更换夹具问题，减少因试样断裂位置发生在夹持部位导致的无效试验或夹具报废问题，解决高温试验需焊接加强片、需等待夹具反复冷却和升温而进行试验的问题，提升检测能力，提高检测效率。

2.1 设计方案

设计原理主要利用试验机拉伸时楔形受力作用原理和销孔固定双重结构，设计了楔形槽和楔形块的装配结构，楔形槽上端为与试验机装配的螺纹头，楔形块设计为左右两块，中间加工为销孔，装夹试样时使用销子固定试样，避免试样的脱落，楔形块受力作用面积大，使试样装夹牢固、受力均匀，拉伸时不变形。一套通用夹具可制备2组及以上楔形块，当进行1组拉伸试验时，可采用替换楔形块直接装样，试样装夹时无需更换楔形槽，直接更换楔形块，更换试样方便快捷。螺纹头可根据试验机的规格要求进行调整，楔形槽和楔形块的宽度可根据检测试样的要求进行调整。

对于板材、带材拉伸通用夹具的设计，主要考虑如下两点：1)制作夹具的材料优先选用高强度高温合金，且弹性模量越大越好；2)该夹具由楔形槽和楔形块2个构建组成(见图3)。夹具螺纹头的设计满足试验机的拉杆要求，楔形槽和楔形块尺寸设计可用于一般板材、带材试样的装夹为宜，加工方便快捷。

2.2 夹具的制作与装配

本文试验夹具的制作采用GH4169高温合金材料，夹具螺纹头的设计满足当前实验室试验机的通用拉杆要求M16×2，楔形槽和楔形块尺寸设计可用于≤4 mm厚的板材、带材试样。按图3进行制造加工，加工后装配效果如图4a所示，左右楔形块通过销子联接固定，将楔形块直接嵌入楔形槽中，通过上下移动楔形块可以调整2个楔形块之间的距离以匹配不同厚度的试样，避免了重复更换夹具。试样在试验机上与夹具的装夹如图4b所示，试样通过销子与夹具联接，在拉伸过程中保证了试样的同轴度，拉伸试验机对试样施加预载力后2个楔形块受力随即夹紧试样，减小夹具与试样之间的间隙，确保试样在楔形块之间的受力面积和受力均匀，因此试样不会在销孔处拉断，完全避免了夹具原因造成的无效试验。

2.3 夹具的拉伸试验

本文设计的夹具可用于各种金属板材、带材的室温拉伸、高温拉伸、高温持久测试。由于高温拉伸试验是该夹具最具代表性的试验，故采用高温拉伸试验对该夹具的实用性进行验证，试验设备为WD-100高温拉伸试验机。试验采用2个方案进行验证，对试样进行了编号(见表1)。方案1：采用GH5188材料，板材相同厚度，试验温度不同，试样编号为1#、2#、3#。方案2：采用GH3044材料，不同板材厚度，试验温度相同，试样编号为4#、5#、6#。

表1 试验方案

3 结果与分析

按高温拉伸试验方法对试样进行试验后，方案1中，试样在不同温度下进行拉伸试验，拉断后试样如图5a所示，试样1#、2#、3#分别是700、800、900 ℃温度下试样的断后视图，试样断裂位置无异常，不同高温下试验后销孔处基本没有变形，试验结果均为有效。该试验成功率为100%一次检测合格。方案2中，4#、5#、6#是0.5、0.8、1.5 mm厚度的试样，试样在900 ℃下进行拉伸试验，试样拉断后如图5b所示，断裂位置无异常，销孔处基本没有变形，试验结果均为有效，说明相同温度下不同厚度的试样拉伸，该夹具同样可以满足拉伸要求。

方案1与方案2试验为100%一次检测有效试验，在做高温拉伸试验时，在900 ℃进行不同厚度试样的试验时，未等待夹具冷却而直接更换试样，更换试样过程方便快捷，极大缩短了试验检测周期。

据试验数据统计，在用传统夹具做板材高温拉伸试验时，其试验有效性最大仅有40%，且随夹具与试样匹配度的降低而降低，试验无效时需要补样重新试验，重新试验也可能造成无效试验从而反复，且需要频繁更换夹具来装夹不同厚度的试样，为试样检测带来了一系列的麻烦与困扰。部分检测单位通过在试样两端焊接加强片变相增加夹持部位厚度以保证不会从销孔处拉脱，但同时增加了试验周期和资金支出，影响检测任务进度和发展。有研究通过在夹持位置连接防滑锯齿夹具，通过增加夹具与试样的摩擦力而进行拉伸，由于摩擦力的不确定性，在摩擦力与夹持试样材料的拉伸力不匹配时，易使试样从销孔处脱落。

该新型板材拉伸试验通用夹具解决了传统夹具在试验时产生的一系列问题，拉伸试样无应力集中、变形、断裂造成试验失效，保证试验有效为100%，且在对不同规格的试样进行试验时不用更换夹具，直接更换楔形块即可更换试样，高温拉伸试验可以在保证炉温的情况下完成更换试样，省去了先降温再升温这个过程，方便快捷，起到了节约成本、提升试验效率的作用。

4 结语

本文设计了一种用于板材、带材拉伸试验的新型通用夹具，将夹具进行高温拉伸试验应用，明确该新型夹具优点如下：1)完全规避了试样从销孔处拉脱，高温拉伸试样拉断后销孔基本没有变形，保证了试验的有效性；2)满足不同厚度的板材试样的装夹，避免反复更换夹具；3)更换试样方便快捷，提高了试验效率；4)保证室温拉伸试样的同轴度，试验结果客观准确；5)有效防止了试样在拉伸过程中脱落的情况。