疲劳试验机的工装设计与应用

朱雅平　万霖

【摘 要】粉末冶金零件常常用于高周期的应力环境下，因此疲劳性能对于粉末冶金试样十分重要，而设计用于粉末冶金试样疲劳试验的工装也具有十分重要的意义。文章以FTM-20动态疲劳试验机为基础，设计两种类型的疲劳工装，主要用于夹持试样，保证试样的定位准确及牢固，便于装配与拆卸，并且能配合疲劳试验机的周期直线运动及转动。通过专用软件，用于测量粉末冶金试样的弯曲疲劳强度和滚动接触疲劳强度。此外，通过在疲劳试验机上试验得到特定试样的疲劳应力与疲劳寿命曲线，进而获得与常规粉末冶金试样相近的疲劳曲线，证明工装设计是合理的。

【关键词】疲劳试验;工装;弯曲疲劳强度;滚动疲劳强度;粉末冶金

【中图分类号】TH87 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0077-03

1 研究背景

疲劳破坏是日常生活中常见的材料失效形式，它对考验材料的持久性具有重要意义。粉末冶金材料相对于传统的致密材料，抗疲劳性能受多种因素的影响，所以了解试样的疲劳强度和疲劳寿命是非常重要的。在此基础上，本文设计了两种疲劳工装，用来测量粉末冶金试样的三点弯曲疲劳强度和滚动接触疲劳强度。

2 试验工装工作原理

图1所示为三点弯曲疲劳工装，可将其分为4个部分：上冲头、固定块、试样放置台、下冲平台;固定块与试样放置台的中间为放置试样的区域，如图1中6号区域。三点弯曲疲劳的原理是固定住试样一侧的两端，另一侧上冲头在试样中间施加载荷，设定某一载荷下的循环次数或者特定循环次数下的交变载荷，用于判定该试样的疲劳强度及疲劳寿命。试验开始前，需要将试样固定在上述6号区域，因为在试验过程中上冲头不断地对试样有向下的作用力，若固定装置没有对试样有较大的束缚力，在较长的试验时间内，试样必然会产生相对运动，对试验结果有较大的影响;首先固定下冲平台的位置，下冲平台通过双螺母与设备连接，便于调整平台位置与其他零件配合且具有防松动的效果;将试样放置台与下冲平台螺栓连接固定，将试样放置在6号区域，将固定块放置在放置台上方，并与下冲平台螺纹连接，从而固定试样;上冲头与设备的上横梁螺纹连接，使其冲头下端长边始终与工件保持正垂直。试验开始时，调整上横梁位置，使上冲头缓缓靠近试样，通过固定块的引导通道，上冲头进入夹紧装置中直至下端接触到待测试样，即可打开软件开始试验，上冲横梁上下往复的循环运动，当达到设定的次数（106）时，测定使试样疲劳失效的负载区间，即可知道试样的疲劳强度。

图2为滚动接触疲劳工装，相对于弯曲疲劳工装，滚动接触疲劳工装最大的不同的就是原有的上冲头替换成由伺服电机、安装固定装置及由伺服电机驱动的定轴滚轮等组成的系统。我们可以把整套工装从上到下分为6个部分：伺服电机安装架、伺服电机、定轴滚轮安装台、定轴滚轮、固定装置、下冲平台。滚动接触疲劳的原理是固定装置固定试样，定轴滚轮在电机和上冲横梁的作用下和试样表面接触，测定试样在受到电机的循环应力下至接触疲劳失效的应力循环次数。由于滚动接触疲劳在试验过程中滚轮作用在试样上存在沿接触面时滚轮的运动方向相同方向的水平方向的作用力，所以该工装的固定装置除对试样在竖直方向的固定外，也要固定试样在水平方向的位置，最明显的就是固定台去掉了与下平台固定的螺纹孔，而设计有与放置台相固定的两个螺纹，便于对试样在水平方向进行固定;安装过程同样也是先对下平台进行固定，使用双螺母便于调整位置且防松动，将试样放置在固定装置中，通过螺纹连接进行固定，然后将固定装置与下平台固定。安装伺服电机安装架，安装架呈“三段式”结构：第一段水平架与上冲横梁上侧的两个螺纹孔连接，固定安装架;第三段水平架连接伺服电机，是主要的承重架;第二段竖直架连接两段水平架，可以减轻承重架的所受的压力，同时它最大的作用就是可以调整伺服电机的高度便于电机与定轴滚轮配合。最后安装定轴滚轮安装台及定轴滚轮，值得注意的是，滚轮的半价高于两侧，需要在安装台和滚轮之间添加一个增高台，避免滚轮与安装台接触，最后调整竖直架角度，使伺服电机与滚轮配合。实验开始时，打开设备开关，调整上横梁位置，使滚轮刚好与试样接触，开启伺服电机开关，开始试验。测量试验过程的接触应力S和循环基数N，描绘出试样的S-N曲线，进而判定该试样的接触疲劳强度。

3 设计思路

弯曲工装的关键是固定装置（固定台和试样放置台），使试样在试验过程中不移动，减小试验误差。试样为长方体形状，粉末冶金试样是通过液压机单向压制后得到的，压制后的试样表面长31.86 mm、宽12.77 mm，试样经过高温烧结后长度略有增长，统计后平均长度约32 mm，在左右各留0.2 mm的余量，为放置方便，设计凹槽长度为32.4 mm;避免试验过程中应力集中，且不破坏试样，与试样接触的三点设计成圆角，下侧的两个支撑点的圆角半径为1.5 mm，避免接触点周围应力集中，两支撑点与其相连的两侧有半径为1 mm的圆角过渡;上侧的冲击头的圆角设计为2 mm，便于试验后试样从中间断开。固定台俯视图为52 mm×67 mm的“工”字状，四角设计有4个φ13 mm的螺纹孔，与下冲平台固定，其中间30 mm×20 mm的竖槽有一个15 mm×20 mm的正方圆角形通孔，侧视图是52 mm×36 mm的“Π”状，其内部的槽为“凸”形，由20 mm×20 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸点组成;这是由于试样的宽度略低于13 mm，长大于30 mm，当固定台与放置台配合时，可以固定试样的位置，并通过φ13 mm螺纹孔将固定装置与下冲平台固定。下冲平台俯视图为φ150 mm的圆，其圆心四周组成一个长为30 mm、宽为42 mm的长方形，四角设计有4个螺纹孔，与固定台固定配合，其圆心两侧相距55 mm和95 mm的4个点设计有4个螺纹孔，与放置台固定配合。為避免冲击载荷过大对上冲头造成损害甚至造成冲头断裂，将上冲头设计成两重宽度过渡，且过渡点都设计有半径为5 mm的圆角，避免应力集中，最下端冲头设计长为30 mm，避免疲劳试验中除最末端冲头通过固定装置与试样接触，其余部分不相接触。

和上述工装相比，滚动接触工装在关键的固定装置处尺寸没有变化，试样放置台中间的凹槽长同样为32.4 mm，但是由于不是测量冲击疲劳，所以在原有的固定台基础上去掉了下侧支撑点的相关设计，但在固定台两侧与固定台平面呈中心对称长45 mm、高10 mm的两点设有2个直径为6 mm的螺纹孔，与固定台横向连接。对应的固定台由于不再与下冲平台固定，所以设计去掉了4个与下冲平台相连接的螺纹孔，并做相应修改，由原来的俯视“工”字形改为正视图为75 mm×29 mm的“凹”字形，凹槽的宽为20 mm、高10 mm;两侧相对于固定台上平面中心线长55 mm、高23.5 mm的点设计有2个φ7 mm的通孔，由于试样的厚度不能完全控制，这与试样的成分和压制力有关，根据数据分析，试样的厚度有0.5 mm的上下波动，所以将固定台两侧的通孔设计成“椭圆形”，两侧的圆弧直径均为7 mm，中间的直线长度为3.5 mm，能避免由于试样厚度不均导致固定台和放置台之间无法横向固定的情况。侧视图与弯曲工装一样，为“Π”状，内部槽为“凸”形，同样由20 mm×19 mm的下部分和13 mm×2.5 mm的上凸部分组成，相对于弯曲工装，其对上凸点处的加工公差不同，上下公差为0、-0.05 mm，而弯曲工装的上下公差为0.05 mm、0，能进一步避免试样的横向滑动。定轴滚轮安装台为一个“凸”形，上凸出来的部分长50 mm、宽10 mm，其中心处设有一个M16的螺纹通孔，与上横梁相连接，下大部分为145 mm×130 mm×30 mm的长方体，距长方体中心长105 mm、宽95 mm的4个点有4个M12的螺纹通孔，与定轴滚轮相连接。由于试验过程中滚轮要与试样接触，所以滚轮的半径要高于两侧，为了避免滚轮在试验过程中与安装台触摸，一方面将安装台下端面磨光减小摩擦减轻接触时对滚轮的损害，另一方面在安装台和滚轮中添加两个高17 mm的增高台，使其不接触。伺服电机安装架由3个部分组成，其中两个与上冲横梁螺纹连接的水平架长120 mm，每个架上都有两个孔，一个φ21 mm的孔与上冲横梁连接，另一个中间长5 mm的φ21 mm的椭圆形孔与竖直架连接，设计成椭圆形孔就是能够微调竖直架所在的水平位置，进而能够调整整个伺服电机系统的水平位置，竖直架的基本高度为105 mm，这个高度是由上冲横梁宽度、定轴滚轮安装台宽度、增高台高度等决定的，竖直架下端同样设计有和水平架一样的“椭圆形孔”，同样是为了微调整个伺服电机系统的竖直位置，最后一段水平架是为了降低整个系统每个点的压力，没有将水平架和竖直架直接连接起来，而是通过中间的325 mm×30 mm×35 mm长方体杆过渡，杆上设有4个螺纹孔，两两与杆中心线对称，其中竖直架与相距300 mm的两个螺纹孔连接，水平架与相距100 mm的两个螺纹孔连接，当水平架与伺服电机连接时，由于中间的横杆过渡，竖直架和最上方的水平架承受的力减少2/3，能极大地增加使用寿命。

4 实验验证

我们在这套工装基础上研究了不同整形量的粉末冶金试样的疲劳σ-N曲线，如图3所示，当作用力小于疲劳极限时（104N），材料经历106次循环应力也不会被破坏，这与常规的粉末冶金试样的疲劳寿命近似，所以可认为本文设计的工装是合理有效的。

5 结论

以特定粉末冶金试样做疲劳工装，需要针对特定的粉末冶金试样做特定的修改。本文中针对特定形状的粉末冶金试样，设计出在此基础上能正常工作的两套疲劳工装，其工装结构简洁，制作简单，后期更换方便。通过在FTM-20疲劳试验机上试验得到特定试样的疲劳应力与疲劳寿命曲线，即σ-N曲线，能得到与常规粉末冶金试样相近的疲劳曲线，表明工装设计是合理的。

参 考 文 献

[1]闻邦椿.机械设计手册：疲劳强度与可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2]张学成，于立娟.疲勞试验加载方法[M].北京：科学出版社，2017.

[3]刘宇.AutoCAD 2013完全自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.