CN108896223B - 一种应力测试装夹装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能应力测试用夹持装置，属于X射线无损分析检测领域。该装置包括上定位件、卡盘、下定位件、支架和底板等组件。其中，上定位件、下定位件起限位和定位作用，底板起支撑作用，一对支架和卡盘兼具限位和支撑的作用。该装置可与不同类型测试仪器的样品台搭配使用，在应力测试时对X射线入射和出射光路无遮挡，通过各组件在支撑、限位和定位方面的协同作用提高X射线法测试残余应力过程中的样品夹持稳定性、测点切换效率、光路适应性和重复定位准确度。本发明装置与应力仪的搭配使用能够增强仪器的通用性，适用于圆柱、棱柱、长方体、球体、壳体等多种外形样品的应力测试过程。

Description

一种应力测试装夹装置

技术领域

本发明属于X射线无损分析检测领域，涉及一种测试辅助装置，特别是一种多功能应力测试装夹装置。

背景技术

X射线衍射技术经过百余年的发展历程，在物理、化学、材料、生物、环境等多个学科中具有重大的影响力和推动力。基于X射线晶体学的物相分析和应力测试都属于现阶段材料学中最常用的重要分析测试手段。随着X射线技术的不断进步和机械工业的配套发展，国内外科研仪器研制单位推出多样性的测试仪器。即使只针对单一的应力测试需求，各类仪器因测试方法和工业设计的不同而具有各式各样的外观形貌和操作平台。随着面向航空航天、惯性导航、国防科技等领域装配关键组件时对残余应力关注度的不断提升，应力测试样品的种类也日益增加，外形特点不尽相同。因此，需要进一步开发应力测试仪器的辅助装置，完善仪器的通用性。

材料中晶面间距的变化可以反映材料中内应力的大小和方向，X射线无损应力分析即通过测量材料的晶面间距变化来计算其表面及内部的残余应力状态。根据X射线衍射光路、测试样品和探测器的相对位置，应力测试方法包括反射法（CuK _a、CrK _a、FeK _a射线等）和透射法（WK _a1射线等）。无论何种方法，在测试过程中都必须避免仪器或障碍物对X射线光路的干扰。此外，航空航天、惯性导航、国防科技等领域的零组件外观形貌各异，包括圆柱、棱柱、长方体、球体、壳体、薄壁框架等。面对如此庞杂的样品类型，应力测试时必须确保样品的精准定位，即其待测区域处于衍射几何中心，及良好的重复定位精度。

残余应力测试的重要准备步骤之一为仪器校验，对标准样品的衍射曲线进行测试，通过光路校正机构的调整使衍射几何中心和样品台零点位置重合。仪器的校验工作一旦完成，即可开展应力测试工作。通常在待测平面上选定待测区域后，需选取互为正交的两个方向先后进行应力测试，使用两个应力值来共同描述该测试区域的二维平面应力状态。放置样品时，须保证样品的待测区域始终处于光路的衍射几何中心。光斑越小，光束穿过样品时的衍射体积越小，测试精度越高，对样品的待测区域进行重复定位时要求的重复定位精度也越高。根据测试过程中入射狭缝是否与样品接触，应力仪可分为接触式和非接触式。接触式应力仪的入射狭缝在测试之初与待测样品接触，对样品表面施加微小的压力，要求样品必须放置平稳；非接触式应力仪的入射狭缝虽不与待测样品接触，但同样要求样品在测试中不得移位。现有的样品定位机构主要包括测试仪器自带的样品平台和爪式夹持装置。样品平台需要样品具有能够平稳支撑样品的外形平面，且难以实现样品不同待测区域的定位控制。爪式夹持装置对样品几何外形要求不高，但简单的设计无法满足样品精确定位和位置转换的要求，而复杂的设计往往面临夹持部位刚度不足和传动链过长等缺点，并伴有配合误差累计所造成的重复定位误差大等问题。因此，为了实现复杂外观样品不同待测区域的应力测试，获得准确高效的测试结果，样品夹持装置的设计应当满足稳固夹持、快速切换测点、适应多种光路和准确定位的功能，并能实现良好的光路穿透性和重复定位精度。

发明内容

针对现有X射线应力测试技术中的不足，本发明提出了一种多功能应力测试用样品装夹装置，该装置方便与仪器样品台进行连接组合，并通过支撑件、限位件和定位件的协同作用提高样品测试过程的夹持稳定性、光路适应性、测点切换效率和重复定位准确度。

为实现上述目的，本发明一方面提出了一种应力测试夹持装置, 另一方面提出了一种应力测试方法。

一种应力测试装夹装置，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，每对卡口的中心线通过卡盘圆心，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应。

所述卡盘上设有上定位件和下定位件，上定位件和下定位件位于其中一对卡口的中心线上。

所述上定位件和下定位件通过螺纹固定于卡盘上。

所述卡口的角度为90°。

所述底板设置有直角槽，支架固定于底板的直角槽内。

一种应力测试方法，包括以下步骤：

S1将底板平放在样品台上,将一侧支架固定于底板上，另一侧支架放入底板的直角槽内；

S2 调整两侧支架间距，将卡盘的卡口放置在支架的直角槽内，将活动侧的支架固定底板；

S3 将上定位件、下定位件分别与卡盘进行螺纹连接，

S4 将待测样品放置在上定位件、下定位件之间，使上定位件、下定位件与样品紧密结合，使样品的待测试点定位于上定位件、下定位件的同轴线上，微调上定位件、下定位件，使待测试点定位于卡盘的水平几何中心轴线，根据样品与入射狭缝的相对位置，调整底板在样品台上的位置并固定；

S5 衍射谱线测试；

S6 一次测试完成后，将卡盘旋转90°，使另一对卡口放置在支架的直角槽内，再次进行衍射谱线测试；

S7 通过获得的两组衍射谱线，求出两个正交方向的残余应力。

另一方面,本发明的一种应力测试方法，还可以采用以下步骤：

S1将一侧支架固定底板上，将另一侧支架放入底板的直角槽内，将底板平放在样品台上；

S2调整两侧支架间距，将待测样品的支撑部位放置在支架的直角槽内，将活动侧的支架固定于底板；

S3根据样品与应力测试入射狭缝的相对位置，调整底板在样品台上的位置并固定；

S4衍射谱线测试；

S5 一次测试完成后，将底板旋转90°，参照入射狭缝与样品的相对位置平移确定底板在样品台上的位置并进行固定，再次进行衍射谱线测试；

S6 通过获得的两组衍射谱线，求出两个正交方向的残余应力。

本发明装置中，底板起支撑作用，一对支架和卡盘兼具限位和支撑的作用。本发明的装置可与不同类型测试仪器的样品台搭配使用，在应力测试时对X射线入射和出射光路无遮挡，同时对圆柱、棱柱、长方体、球体、壳体等多种外形样品的普遍适用。

本发明装置可在互为正交的两个方向之间准确切换，可连续调节待测区域的位置，并利用机械加工过程中对尺寸精度和形位精度的控制，实现良好的重复定位精度，使待测区域始终在光路的衍射几何中心。

本发明实现限位和定位功能的组件（上定位件、下定位件、卡盘）之间采用螺纹连接，测试中借助上、下定位件与卡盘之间的螺纹运动将样品的不同测试点依次旋转至卡盘的水平几何中心轴线上；实现限位和支撑功能的卡盘设有两对卡口，以卡盘的几何中心轴为旋转轴呈90°夹角，分别与一对支架进行机械拼装实现不同方向的应力测试；实现支撑作用的组件（支架、底板）之间采用螺钉螺母连接固定；底板上设有槽孔，可通过螺钉螺母与仪器样品台固定。

本发明进行应力测试时可根据应力仪的类型和样品的特点，选择性地使用其部分组件。

本发明可与不同类型测试仪器的样品台搭配使用，在应力测试时对X射线入射和出射光路无遮挡，通过各组件在支撑、限位和定位方面的协同作用提高X射线法测试残余应力过程中的样品夹持稳定性、测点切换效率、光路适应性和重复定位准确度。

附图说明

图1为本发明装置的立体示意图。

图2为本发明装置的主视图。

图3为本发明装置的俯视图。

图4为本发明装置另一种装夹方案的主视图。

其中，1-上定位件，2-卡盘，3-下定位件，4、5-支架，6-底板，7-卡口，8-直角槽，10-样品。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提出的一种多功能应力测试用样品装夹装置作进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

见图1、图2，图3，本发明一种应力测试装夹装置，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，每对卡口的中心线通过卡盘圆心，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应。

实施例2

见图1、图2，图3，本发明一种应力测试装夹装置，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，每对卡口的中心线通过卡盘圆心，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应；卡盘上设有上定位件和下定位件，上定位件和下定位件位于其中一对卡口的中心线上；上定位件和下定位件通过螺纹固定于卡盘上。

实施例3

见图1、图2，图3，本发明一种应力测试装夹装置，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，每对卡口的中心线通过卡盘圆心，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应；卡口的角度为90°。

实施例4

见图1、图2，图3，本发明一种应力测试装夹装置，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，每对卡口的中心线通过卡盘圆心，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应；底板设置有直角槽，支架固定于底板的直角槽内。

实施例5

见图1、图2，图3，采用本发明应力测试装夹装置的应力测试方法为，包括以下步骤：

使用螺钉螺母将一侧支架5与底板6固定，另一侧支架4放入底板的直角槽内，底板6平放在样品台上；

将上定位件1、下定位件3通过螺纹固定于卡盘2上，调整两侧支架间距，将卡盘2的卡口7放置在支架的直角槽8内，将活动侧的支架4和底板6固定；

将待测的样品10的支撑部位放置在上定位件1、下定位件3之间，通过调节使上定位件1、下定位件3与样品10端面紧密结合，使样品10的待测试点定位于上定位件、下定位件的同轴线上，组合微调上定位件1、下定位件3使待测试点定位于卡盘2的圆心，根据样品10与X射线入射狭缝的相对位置，平移确定底板在样品台上的位置，使用螺钉螺母将底板与样品台固定；衍射谱线测试。

一次测试完成后，将卡盘沿其轴线旋转90°，使其另一对卡口放置在支架的直角槽内，再次进行测试，获得两组衍射谱线，并通过计算求出两个正交方向的残余应力。

实施例6

结合图4，采用本发明应力测试装夹装置的应力测试方法为，包括以下步骤：

使用螺钉螺母将一侧支架5与底板6固定，另一侧支架4放入底板的直角槽内，底板平放在样品台上；

调整两侧支架间距，将待测样品的支撑部位放置在支架的直角槽内，使用螺钉螺母将活动侧的支架和底板固定；

根据样品与入射狭缝的相对位置，平移确定底板在样品台上的位置，使用螺钉螺母将底板与样品台固定。

衍射谱线测试。

一次测试完成后，将底板水平旋转90°，根据样品与入射狭缝的相对位置平移确定底板在样品台上的位置并固定，再次进行测试，获得两组衍射谱线，并通过计算求出两个正交方向的残余应力。

本发明中，还可将直角槽改为燕尾槽，支架的底部改为与之相适应的燕尾形；卡口角度也可设置为其它合适的角度，与支架的凹槽实现稳定的卡合即可。

以上实施例仅为本发明的优选方案，本发明的实施方式与保护范围并不受限于上述实施例，凡使用本发明思路下的设计及技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种应力测试装夹装置，其特征在于，包括卡盘、支架和底板；两个支架的底部通过螺栓固定于底板上；支架上部设置有凹槽；卡盘的宽度与支架的凹槽宽度相配合；卡盘呈环形，卡盘外圆上制有至少两对卡口，两对卡口的中心线相互垂直；卡盘上每对卡口的位置与支架的凹槽相对应。

2.根据权利要求1所述的一种应力测试装夹装置，其特征在于，所述对应一对卡口中心线的卡盘上设有上定位件和下定位件。

3.根据权利要求2所述的一种应力测试装夹装置，其特征在于，所述上定位件和下定位件通过螺纹固定于卡盘上。

4.根据权利要求1所述的一种应力测试装夹装置，其特征在于，所述卡口的角度为90°。

5.根据权利要求1所述的一种应力测试装夹装置，其特征在于，所述底板设置有直角槽，支架固定于底板的直角槽内。

6.一种应力测试方法，其特征在于，采用权利要求1至5之一的一种应力测试装夹装置，包括以下步骤：

S1将底板平放在样品台上,将一侧支架固定于底板上，另一侧支架放入底板的直角槽内；

S2 调整两侧支架间距，将卡盘的卡口放置在支架的直角槽内，将活动侧的支架固定底板；

S3 将上定位件、下定位件分别与卡盘进行螺纹连接，

S4 将待测样品放置在上定位件、下定位件之间，使上定位件、下定位件与样品紧密结合，使样品的待测试点定位于上定位件、下定位件的同轴线上，微调上定位件、下定位件，使待测试点定位于卡盘的水平几何中心轴线，根据样品与入射狭缝的相对位置，调整底板在样品台上的位置并固定；

S5 衍射谱线测试；

S6 一次测试完成后，将卡盘旋转90°，使另一对卡口放置在支架的直角槽内，再次进行衍射谱线测试；

S7 通过获得的两组衍射谱线，求出两个正交方向的残余应力。

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