快速装夹测量金属拉伸试样延伸率和断面收缩率的装置

摘要

本发明公开了一种快速装夹测量金属拉伸试样延伸率和断面收缩率的装置，是由导轨、两组夹头组件、定位测量臂、U形支座、可动平台、平台定位旋钮、两个圆形支撑板和两个矩形支撑板组成；以面向试验操作者的方向为例，左侧夹头组件安装固定于两圆形支撑板之间，右侧夹头组件安装固定于两矩形支撑板之间，前者插进固定于导轨左端的U形支座，后者置于导轨右侧的可动平台上，可动平台安装在导轨上且可沿导轨滑动，定位测量臂的底座通过一直角弯板与导轨相连，平台定位旋钮安装在可动平台上。本发明适用性广、易于拆卸维修，而且其结构符合人体工程学，从紧固和测量两方面同时入手，大幅减少操作时间和强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种快速装夹的测量金属拉伸试 样延伸率和断面收缩率的装置。

背景技术

塑性指标可表示材料的安全力学性能，并能反映冶金质量的优劣，故 可用以评定金属材料的质量。现代机械、冶金、建筑、材料等工业领域广 泛采用拉伸试验，并通过测量拉伸试样的断后延伸率A（以下简称延伸率） 或断面收缩率Z（以下简称收缩率）来反映塑性这一力学性能参数。以机械 制造行业的常规拉伸试验为例，对于原始标距L_o较短的典型钢材试样，测量 其延伸率和收缩率时只需将断裂的两截拉伸试样沿断口纤维区配接好之 后，用游标卡尺测量断后标距L_u及缩颈最小处直径d_u。但对于球墨铸铁等具 有脆性断裂属性的材料，其断面处常伴有部分撕裂组织，造成难以配接及 测量误差大等问题。根据国家标准GB/T228-2002“金属材料室温拉伸试验办 法”中关于延伸率及收缩率测量的相关规定，拉伸试验结束后断裂的试样应 仔细配接以保证二者轴线处于同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂 部分适当接触。为了达到国标的相关要求，需要设计相应的辅助配接断裂 试样的夹具，以便于准确测量延伸率和收缩率。

目前在工矿企业及科研院所，普遍缺乏这类辅助夹具的使用，部分仲 裁试验机构，甚至也还停留在无工具辅助配接测量的阶段。现在仅有的两 种简单辅助装夹工具，分别是从横向和纵向来紧固试样的类型。其中横向 紧固夹具是由固定端及可动端所组成，其可动端利用螺旋传动使顶锥横向 钻入试样在机加工时留下的定位孔，从而将两截试样挤压进固定端的凹槽。 该结构简单易用但仅适用于棒形试样，且易出现配接试样“弯曲”，即两截 断裂的试样轴线不重合的问题。而纵向施加紧固力的夹具结构，通常把两 断裂的试样置于相同尺寸的带槽底座上以保持同心，然后分别从试样正上 方以螺旋传动令压头压紧试样。纵向紧固机构极大限制了游标卡尺的操作 空间，而且都得使用螺旋传动以适应不同直径（或厚度）试样的紧固需求， 加载卸载费时费力。

上述夹具功能单一，测量时仍需操作者使用游标卡尺。对于圆截面试 样，卡尺量爪在定位标距线时极易在试样表面滑移。为了避免量爪与试样 过度接触，并在微调活动量爪时保持固定量爪准确定位于标距零点，需要 试验者投入较大精力仔细操作，因而测量需花费较多时间。另外，由于量 爪连线常易偏离试样中轴，加之光线、视角等影响以及卡尺自身的误差（以 十等分的游标为例，其示值总误差为±0.1mm），引入的总读数误差可达 20~30丝。尤其是20等分（游标尺最小刻度0.05mm）和50等分（游标尺最小 刻度0.02mm）的游标尺，读数还需要一定的计算时间。在重复性试验或大 批量原料检验过程中，这种夹具与卡尺的组合不仅没有降低试验人员的操 作强度而且效率较低。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明克服了现有技术中的不足，提 供一种快速装夹测量金属拉伸试样延伸率和断面收缩率的装置。

本发明通过以下技术方案实现：一种快速装夹测量金属拉伸试样延伸 率和断面收缩率的装置，是由导轨、两组夹头组件、定位测量臂、U形支座、 可动平台、平台定位旋钮、两个圆形支撑板和两个矩形支撑板组成；以面 向试验操作者的方向为例，左侧夹头组件安装固定于两圆形支撑板之间， 右侧夹头组件安装固定于两矩形支撑板之间，前者插进固定于导轨左端的U 形支座，后者置于导轨右侧的可动平台上；可动平台安装在导轨上且可沿 导轨滑动，定位测量臂的底座通过一直角弯板与导轨相连，平台定位旋钮 安装在可动平台上。

所述的夹头组件由垂直式快速压钳、压头组件、I字形挺板、摇臂、摇 臂轴、V形钳口、复位弹簧以及弹簧座、罩壳组装而成。其中，垂直式快速 压钳分别安装在圆形支撑板和矩形支撑板上；压头组件固定在垂直式快速 压钳的U形压把上，并伸进罩壳内部，压头组件的前方是I字形挺板；两只 摇臂通过摇臂轴对称地安装在罩壳上，摇臂一端抵住挺板，其另一端伸进 钳口尾部所开出的G形限位槽内；弹簧座水平方向安装固定在罩壳上；钳口 置于弹簧座的上下两侧，两只钳口通过复位弹簧与弹簧座相连，在钳口两 侧与罩壳的接触面上分别开出一条导轨槽，钳口通过方形截面的柱销嵌入 其两侧的导轨槽内。

所述定位测量臂是由十字线激光固定射头、激光头卡座、反射栅感应 板、十字线激光可动射头、数显模块、支架、转动轴、横向卡位滑块、纵 向卡位滑块、台架底座、底座定位旋钮、直角弯板、激光头电源组成。其 中，十字线激光固定射头安装在激光头卡座内，该激光头卡座固定于反射 栅感应板的零点位置；十字线激光可动射头安装在另一个激光头卡座内， 该激光头卡座与数显模块粘合在一起，并安装在栅板上且可沿栅板延伸向 滑动，栅板安装固定在支架的顶端，支架的底端固定在转动轴上，支架与 导轨处于同一高度的部分向外弯折，转动轴插入台架底座的圆柱槽内，在 台架底座上开出两道滑动槽，槽内分别插有横向卡位滑块和纵向卡位滑块， 底座定位旋钮安装在直角弯板上并连接到台架底座。

为了保证十字线激光射头与反射栅感应板零点以及数显模块测点的同 心度，所述的激光头卡座为半圆柱型中空套筒座结构。

所述的压头组件由双头螺杆、压头定位螺母、调节弹簧、压头体和限 位螺母组成，整个压头组件通过双头螺杆顶端的两定位螺母固定于压钳的U 形压把上，在定位螺母与压头体之间插入调节弹簧，并在双头螺杆末端拧 入限位螺母。

由于采用上述技术方案，本发明提供的快速装夹测量金属拉伸试样延 伸率和断面收缩率的装置，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

为了解决现有紧固装置加卸载效率低的问题，本发明基于平面连杆原 理设计了特殊的传动及夹口结构，可代替螺旋传动实现对不同形状、不同 尺寸试样“一步到位”的紧固效果。此外，该方案把测量工具整合入紧固 装置，以非接触式的激光定位配合反射栅感应板及数显模块，不仅定位准 确读数直观，而且避免了游标卡尺常见的各种操作错误，降低了人为因素 对结果的影响。本发明适用性广、易于拆卸维修，其结构符合人体工程学， 从紧固和测量两方面同时入手，大幅减少操作时间和强度。

本发明操作简单、节省人工，因此适合于广大工矿企业理化检测部门 开展大批量的材料检验工作。此外，该装置结构严整测量精准，功能完全 符合国家标准对拉伸试验相关数据测量的要求，因此也适用于科研院所进 行仲裁试验。鉴于目前大多数试验单位对材料性能的检测水平参差不齐， 缺乏与设备配套的工装器具和操作管理体系，致使相关质量管理失控，仲 裁数据失真。因此，本装置的推广使用，有助于各类质检部门的材料试验 规范化与专业化，对加快材料试验流程，以及推动实验技术的进步，都具 有良好的促进作用。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是夹头组件的结构示意图；

图3是垂直式快速压钳的加卸载实施例；

图4是夹头组件的工作原理图；

图5是压头组件的局部剖面构造图；

图6是定位测量臂的结构示意图；

图7是本发明在定位测量臂测量延伸率时的实施例示意图；

图8是本发明在定位测量臂测量收缩率时的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明各主要部件的结构设计与工作 原理作进一步的描述。

一种快速装夹测量金属拉伸试样延伸率和断面收缩率的装置，如图1所 示，是由导轨01、两组夹头组件02、定位测量臂03、U形支座04、可动平台 05、平台定位旋钮06、两个圆形支撑板07和两个矩形支撑板08组成。左侧 夹头组件02安装固定于两圆形支撑板07之间，右侧夹头组件02安装固定于 两矩形支撑板08之间，前者插进固定于导轨01左端的U形支座04，后者置于 导轨01右侧的可动平台05上。可动平台05安装在导轨01上且可沿导轨01滑 动，定位测量臂03的底座与导轨01相连，平台定位旋钮06安装在可动平台 05上。

图2是夹头组件02的结构示意图。夹头组件02由垂直式快速压钳（以下 简称压钳）09、压头组件10、I字形挺板（以下简称挺板）11、两条摇臂12、 一对V形钳口（以下简称钳口）13、两根摇臂轴14、一对复位弹簧15以及弹 簧座16、罩壳17组装而成。其中，图3所示的压钳09分别安装在支撑板07和 08上；压头组件10固定在压钳U形压把22上，并伸进罩壳17内部，压头组件 10的前方是挺板11；两条摇臂12通过两根摇臂轴14对称地安装在罩壳17上， 摇臂12一端抵住挺板11，其另一端抵住钳口13的尾部。

以上设计的目的是通过压钳09带动压头组件10向挺板11施加载荷，该 载荷通过摇臂12最终传递到钳口13。为了保证上述结构在传动载荷过程中 始终稳定，需要其中一些部件具有针对性的构造和功能。为此，挺板11设 计成有如英文大写字母I形，该结构可通过上下两块翼板来防止腹板被压头 组件10推动时发生偏转甚至倾倒。此外，在钳口13的尾部开出类似英文大 写字母G形的限位沟槽，并使摇臂12一端伸进该G形限位槽18内，以防止加 /卸载过猛时摇臂12与钳口13脱离接触，导致钳口13无法工作。两只摇臂12 的空间位置对称，且与挺板11和钳口13接触的臂两端分别打磨出光滑圆角， 这既能确保摇臂12与挺板11、钳口13始终接触，也可保证传动的流畅性。 弹簧座16水平方向安装固定在罩壳17上。两只钳口13置于弹簧座16的上下 两侧，通过复位弹簧15与弹簧座16相连，在钳口13两侧与罩壳17的接触面 上分别开出一条导轨槽19；当在G形限位槽18下方插入柱销20后，钳口13 便可嵌入其两侧的导轨槽19。由于夹头组件02正常工作时只需要钳口13拥 有Z轴向移动一个自由度，除去由结构本身所控制的自由度，还需要柱销20 采用圆角正方形截面，以便同时约束钳口13的X轴向移动以及XOZ面旋转两 个自由度。

如图3所示，在压钳加/卸载的过程中，操作者只需用手前后扳动压钳把 手21，便可通过U形压把22一步到位的施加/卸载紧固力。由于拉伸试样的 截面形状多样（圆柱形，板型等）且直径或厚度（Ф10、Ф20等）各不相同， 即使相同批次材料试样也会因机加工而存在差异。为了使夹头组件能压紧 不同类型尺寸的试样，需要钳口13的行程具有可调性。由于挺板11与摇臂 12只是单纯的传动结构，因此施加紧固力的压头组件10应具有特定的结构。

如图4所示，压头组件10由双头螺杆23，两只压头定位螺母24，调节弹 簧25，压头体26和限位螺母27组成。整个压头组件10通过双头螺杆23顶端 的两定位螺母24固定于压钳的U形压把22上（见图5），在U型压把22下方的 螺母24与压头体26之间插入调节弹簧25，双头螺杆23末端拧入限位螺母27， 以防止卸载过猛时压头体26和螺杆23脱离。当待测的前后试样截面尺寸相 差不很大时，只需依靠弹簧25自身即可调节钳口13的行程。当待测试样之 间的截面尺寸相差较大时，则需要调整定位螺母24，以释放或收回更多的 螺杆长度，这样可显著调整压头体26的压入深度，从而达到大范围调整钳 口13行程的目的。

夹头组件02的工作原理如图5所示：在加载时，当U型压把22通过压头 体26将紧固力传递给挺板11之后，它便向前挤推两摇臂12并向上下钳口13 传递压头体26所施加的紧固力。在卸载时，弹簧座16上方的弹簧依靠弹性 形变能的释放撑起上钳口；下钳口则利用自身重力而脱离试样。考虑到钳 口13具有一定的质量与体积，本发明所需的复位弹簧15应采用弹性模量大 且适于高载荷工作场合的材料制作，如耐回火性好的硅锰弹簧钢等。另外， 为了使复位弹簧15能够在工作中均匀承载且平稳直立，不仅需要弹簧具有 较大的中径，而且簧两端应带有多圈不参与工作变形的支撑圈，以避免簧 体加卸载时发生扭转。通过这种连杆与摇臂的组合机构，便可取代费时费 力的螺旋传动机构，并且能够快速将水平载荷转化为垂直载荷，从而为测 量结构腾出了大量操作空间。

如图6所示，所述定位测量臂03是由十字线激光固定射头28、一对激光 头卡座29、反射栅感应板30、十字线激光可动射头31、数显模块32、支架 33、转动轴34、横向卡位滑块35、纵向卡位滑块36、台架底座37、底座定 位旋钮38、直角弯板39，激光头电源40组成。十字线激光固定射头28安装 在其中一只激光头卡座29内，该激光头卡座29固定于反射栅感应板30的零 点位置。十字线激光可动射头31安装在另一只激光头卡座29内，该激光头 卡座29与数显模块32粘合在一起，并安装在反射栅感应板30上且可沿反射 栅感应板30的延伸向滑动，反射栅感应板30安装固定在支架33的顶端，支 架33的底端连接在转动轴34上，转动轴34插入台架底座37的圆柱槽内，在 台架底座37上开出两条方向互相垂直的滑动槽，槽内分别插有横向卡位滑 块35和纵向卡位滑块36，底座定位旋钮38安装在直角弯板39上。为了保证 十字线激光固定射头28与反射栅感应板30的零点的重合度，以及十字线激 光可动射头31与数显模块32测点的同心度，在考虑多种方案后，激光头卡 座29采用如图6所示的半圆柱型中空套筒座。另外，为了快速切换延伸率与 收缩率的测量功能，通过冲压工艺令支架33与导轨01处于同一高度的部分 向外弯折，且将其底端固定在转动轴34上。把转动轴34插入台架底座37的 圆柱槽内，即可令支架做平稳的往复转动。

为了保证量臂在测延伸率和收缩率时与试样严格平行或垂直，需要相 应的结构与措施。当把横向卡位滑块35置于其所在槽的右端，并把纵向卡 位滑块36置于其所在槽的下端时，支架33可随转动轴34自由转动。在测量 延伸率时，保持纵向卡位滑块36位于所在槽下端不动，逆时针转动支架33 直至其底端与纵向卡位滑块36接触后，再把横向卡位滑块35推向所在槽左 端，即可顶住并保持定位测量臂03与导轨01严格平行。接下来移动台架底 座37，使十字线激光固定射头28发射的十字线对准试样原始标距的零点后， 拧动直角弯板39上的底座定位旋钮38，使得支架33与导轨01紧密接触，此 时便可移动数显模块32进行延伸率的测量；而在测收缩率时，先将横向卡 位滑块35推回所在槽右端并把支架33顺时针转动至与其接触，然后令纵向 卡位滑块36推进至所在槽上端即可顶住并保持定位测量臂03与导轨01严格 垂直。接下来通过拖拽直角弯板39，使得导轨01进入支架33的弯折部位， 从而令固定射头28能够定位试样的最大缩颈位置，并最终读取断面收缩率。

采取以上步骤的测量实施效果如图7所示。在拉伸试验开始前，首先要 用划线工具对试样进行原始标距。试验结束后，应把两截断裂的拉伸试样 41（以圆截面拉伸试样为例）带有标距线42的一面朝上，然后分别放进夹 头组件02。此时按图3所示的实施例，通过扳动压钳把手21来施加载荷以紧 固断裂的拉伸式样41。接下来推动右侧的可动平台05向U型支座04靠近，并 转动左侧的圆形支撑板07来微调试样以便于配接断面。令断面重合后，拧 紧可动平台的定位旋钮06。对于存在较明显剪切唇的韧性断裂试样，只需 在可动平台05和夹头组件02的间隙里加装数个恒压弹簧片，便可通过其释 放的弹性势能令断面紧密接合；若试样断口存在较严重的撕裂突起组织， 可先用小锤敲击可动平台05后再行固定。

配接好断裂的拉伸试样41之后，需选定断后标距的零点位置并用粉笔 指示该线。先把整个定位测量臂03转至与断裂试样41的轴线方向平行，在 打开激光头电源40后，移动台架底座37，使十字线激光固定射头28出射的 十字线43中心位于方才粉笔指示的零点标记线之上，并拧紧底座定位旋钮 38。接下来移动与数显模块32相连的十字线激光可动射头31，以其射出的 十字线中心定位断后标距的顶点。该点所在标距线的位置可转化为反射栅 感应板30上对应的长度参数。此数据被数显模块32内的容栅传感器件读取， 其显示面板最终输出的结果便是延伸率值。

当要测量断面收缩率时，转动支架33使定位测量臂03与断裂的拉伸 试样41的轴线方向垂直，然后拖拽直角弯板39，使得导轨01进入支架33 的弯折部位。之后定位标记线和读取数值与测量延伸率时类似，二者最终 的实施效果如图7、图8的两个实施例所示。