CN110514516A - 一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，涉及原位微型力学测试技术领域，能够提高样品安装位置的精确性、稳定性和可靠性，且方便拆装；该试样夹具包括下夹具块和上夹具块；所述上夹具块的一端与所述下夹具块的一端连接；所述上夹具块位于所述下夹具块的上方，且能够沿连接轴线上下移动和水平旋转；所述下夹具块的另一端设有用于放置样品夹持端的第一凹槽；所述上夹具块水平旋转时能够覆盖在所述第一凹槽上起到固定样品夹持端的作用。本发明提供的技术方案适用于对样品进行原位微型力学测试的过程中。

Description

一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具

【技术领域】

本发明涉及原位微型力学测试技术领域，尤其涉及一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具。

【背景技术】

原位微型力学测试台是兼容于扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)和光学显微镜(OM)等微观结构测试平台的一种小型力学性能测试仪器。利用原位微型力学测试台可以对材料进行力学测试并获得相应的应力应变曲线，借助微观测试平台可以对材料在特定载荷下的表面显微组织形貌、化学成分以及晶体结构信息进行表征分析，分析范围跨越宏观肉眼可见至纳米尺度。基于上述优势，美国MTI、英国Deben和德国Kammrath-Weiss等公司均发展了以扫描电镜为主要应用平台的原位微型力学测试台。

原位微型力学测试台对材料进行力学测试过程中用一对对称夹具固定样品。夹具对样品进行定位、支撑以及载荷传递。夹持方式对力学性能测试结果的精确性、可靠性和稳定性有重要影响，主要有以下要求：为保证样品两个侧面受力一致而不至于扭曲，样品要平行于加载方向并且处于上下夹具片的中心；为保证样品在拉伸过程中不相对于夹具滑动，夹具要采取措施限定样品中心线方向的移动。纯摩擦力紧固式夹具和摩擦力配合销钉紧固式夹具是常用的夹具结构。

纯摩擦力紧固式夹具通过在上下夹具片中部加工出粗糙纹理，把样品放在下夹具片上，手动调整样品位置使之与加载方向平行，上夹具片的两侧用螺丝固定在下夹具片上，通过增大螺丝的拧紧程度对样品夹持端强力加压以增加样品和夹具片之间的摩擦力来实现夹持效果。使用纯摩擦力紧固式夹具夹持样品需要手动调整样品位置及其与加载方向间的平行度，很难保证定位精确度，合上上夹具片时还有可能进一步造成样品位置移动；为保证力学测试过程中样品不滑动，需要强力拧紧紧固螺丝，对使用者操作要求高，螺丝有滑丝的可能。

摩擦力配合销钉紧固式夹具通过在上夹具片或者下夹具片上加上销钉，样品夹持端中心做出与销钉匹配的通孔，用销钉穿过样品通孔以定位样品，上夹具片的两侧用螺丝固定在下夹具片上，通过拧紧螺丝增加样品和夹具片之间的摩擦力来实现夹持效果。使用摩擦力配合销钉紧固式夹具需要使用者加工出夹持端中心位置带通孔的样品，定位精确度受样品加工精度、样品夹持端通孔与销钉的紧配程度影响；夹具间距严格限定在特定值，否则样品不能同时卡入两端夹具上的销钉。

两种传统的夹具对样品定位的精确性不够理想，尤其是纯摩擦力紧固式夹具在力学测试过程中有可能不能抱紧样品使样品滑动，测试结果的可靠性和稳定性受质疑。装载和拆卸样品过程中需要反复拆卸螺丝、调整夹具间距，不方便操作者使用。

因此，有必要研究一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，能够提高样品安装位置的精确性、稳定性和可靠性，且方便拆装。

一方面，本发明提供一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，包括：

下夹具块，用于放置样品夹持端；

上夹具块，覆盖在下夹具块上用于固定样品夹持端；

所述上夹具块的一端与所述下夹具块的一端连接，且所述上夹具块能够沿连接轴线上下移动和水平旋转；

所述下夹具块上设有用于放置样品夹持端的第一凹槽；所述上夹具块水平旋转时能够覆盖在所述第一凹槽上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述上夹具块包括圆柱凸台和限位凸台，所述圆柱凸台和所述限位凸台在水平方向上固定连接在一起；

所述圆柱凸台用于与所述下夹具块连接；所述限位凸台的形状与所述第一凹槽的形状部分匹配或全部匹配。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述下夹具块上设有垂直且内嵌在所述下夹具块中的用于与所述上夹具块连接的第一螺纹沉头孔；所述第一螺纹沉头孔包括位于上部的沉头孔和位于下部带有内螺纹的螺纹孔，所述沉头孔和所述螺纹孔同轴，且所述沉头孔的内径大于所述螺纹孔的内径。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述沉头孔内设有第一弹簧；紧固件穿过设于所述圆柱凸台中间的安装孔和所述第一弹簧后与所述螺纹孔螺纹连接；所述安装孔内壁光滑，所述安装孔的内径大于所述螺栓的外径且小于所述第一弹簧的外径；所述圆柱凸台的外径小于所述沉头孔的内径且大于所述第一弹簧内径。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述紧固件与所述圆柱凸台之间设有第一垫片。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一凹槽依次包括第一矩形凹槽、第二梯形凹槽和第三矩形凹槽；所述第一矩形凹槽、所述第二梯形凹槽和所述第三矩形凹槽的加载方向的中心线共线；

所述第一矩形凹槽与所述第二梯形凹槽的底面连通，所述第二梯形凹槽的顶面与所述第三矩形凹槽的一端连通，所述第三矩形凹槽的另一端穿透所述下夹具块的侧壁。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一矩形凹槽的宽度与所述第二梯形凹槽的底面长度相同；所述第二梯形凹槽的顶面长度与所述第三矩形凹槽的宽度相同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述沉头孔的内径比所述第一弹簧的外径大0.1-0.2mm，使得所述第一弹簧可以在所述沉头孔内进行挤压活动。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述圆柱凸台和所述限位凸台的连接处设有开口向下、供上夹具块上下位移的位移凹槽。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述下夹具块的侧壁上设有用于与原位微型力学测试台固定的固定结构。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：结构简单合理，操作方便简单，保证了样品安装位置的精确度，并确保不因样品夹持的问题而影响力学测试结果的稳定性和可靠性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具的结构爆炸图；

图2是本发明一个实施例提供的上夹具块打开状态的结构示意图；

图3是本发明一个实施例提供的上夹具块合上状态的结构示意图；

图4是本发明一个实施例提供的上夹具块合上状态的剖面结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的下夹具块剖面的结构示意图；

图6是本发明一个实施例提供的上夹具块剖面的结构示意图；

图7是本发明一个实施例提供的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具基于一种原位微型力学测试台的结构示意图。

其中，图中：

1、下夹具块；101、第一凹槽；102、第一矩形凹槽；103、第二梯形凹槽；104、第三矩形凹槽；105、第一螺纹沉头孔；106、圆柱台阶；2、螺栓；3、第一垫片；4、上夹具块；401、限位凸台；402、圆柱凸台；403、安装孔；5、第一弹簧；6、样品。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的″一种″、″所述″和″该″也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术存在的上述问题，提供一种样品安装位置精确性高、稳定性和可靠性好、方便拆装的弹簧辅助紧固拉伸试样夹具。弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，如图1所示，包括下夹具块1和上夹具块4，其中下夹具块1作为夹具的主体。上夹具块4能够上下滑动和水平旋转的安装在下夹具块1上。下夹具块1的上表面的一端设有用于安装上夹具块4的垂直向的第一螺纹沉头孔105。下夹具块1的上表面还设有用于放置样品6的第一凹槽101，第一凹槽101包括第一矩形凹槽102、第二梯形凹槽103和第三矩形凹槽104。第一矩形凹槽102的一端靠近第一螺纹沉头孔105，另一端与第二梯形凹槽103的底面连通式连接，第二梯形凹槽103的顶面与第三矩形凹槽104的一端连通式连接，第三矩形凹槽104的另一端穿透下夹具块1的侧壁。第一矩形凹槽102、第二梯形凹槽103和第三矩形凹槽104中心线共线，且该中心线与下夹具块1的整体长度方向平行，也与力学测试时的加载方向平行。这里所说的第二梯形凹槽103的底面和顶面是以梯形凹槽本身为对象进行说明的，与梯形凹槽的设置方向或方位无关。第一凹槽101与样品6的夹持端相适配，力学测试时将样品6夹持端放入第一凹槽101内。

下夹具块1还包括设于其块状体侧壁上的固定结构，即圆柱台阶106；设置圆柱台阶106的侧壁为靠近第一螺纹沉头孔105的侧壁，且圆柱台阶106的设置方向为为水平方向；当本发明的试样夹具与原位微型力学测试台组装时，圆柱台阶106用于插入原位微型力学测试台中起到固定试样夹具的作用。圆柱台阶106设有内孔，内孔内设有内螺纹，试样夹具通过圆柱台阶106固定于原位微型力学测试台的梁板上，其中梁板受动力驱动带动夹具实现对样品6施加载荷，如图7所示。圆柱台阶106和下夹具块的其他部分可以采用一体成型的方式进行制造。

上夹具块4包括圆柱凸台402和限位凸台401，圆柱凸台402和限位凸台401在水平方向上连接在一起，在实际生产中可以选择圆柱凸台402和限位凸台401一体加工成型，保证两者连接的牢固度。圆柱凸台402上设有竖直向贯穿圆柱凸台的安装孔403。限位凸台401的形状与下夹具块的第一矩形凹槽102和第二梯形凹槽103相适配。

如图2-4所示，下夹具块1和上夹具块4相互组装时，在第一螺纹沉头孔105内放入第一弹簧5，并将上夹具块4的安装孔403与第一螺纹沉头孔105对齐，采用长型的紧固件，即螺栓2，插入安装孔403和第一弹簧5后与第一螺纹沉头孔105的内壁螺纹连接。螺栓2与上夹具块4之间设有环形的第一垫片3，用来保护上夹具块4免于被螺栓2压伤。安装孔403无内螺纹，且其内直径大于螺栓2的最大直径，保证安装孔403内套设螺栓2后可以沿螺栓2做水平旋转。除螺栓外，还可使用其他能够将上夹具块和下夹具块紧固到一起的紧固件。第一螺纹沉头孔105的沉头部分内径比第一弹簧5外径大0.1-0.2mm，第一弹簧5可以在沉头内进行挤压活动。第一螺纹沉头孔105的沉头部分内径比圆柱凸台402外径大0.1-0.2mm，圆柱凸台402可以在沉头孔内上下滑动。下夹具块1、第一弹簧5、上夹具块4、第一垫片3和螺栓2实际构成了挤压弹簧机构。

第一螺纹沉头孔105，如图5所示，包括大直径的沉头孔和小直径的螺纹孔，沉头孔与螺纹孔同轴，安装时，第一弹簧5全部位于沉头孔内，上夹具块的圆柱凸台402部分嵌入沉头孔内；随着外力作用下第一弹簧的压缩和伸展，上夹具块实现上下移动。圆柱凸台402和限位凸台401的连接处设有开口向下、供上夹具块上下位移的位移凹槽，如图6所示。

安装样品6时，摆动上夹具块4使限位凸台401合入到第一凹槽101后，向下夹具块1旋入螺栓2，带动圆柱凸台402在沉头孔内向下滑动，第一弹簧5受压缩，此压缩力反向作用在上夹具块4并传递给螺栓，形成预紧力。因此，安装样品6时，利用该挤压弹簧机构可以防止力学测试过程中螺栓松动而影响测试结果，保证测试结果的可靠性。

卸载样品6时，向上小行程旋起螺栓2，上夹具块4在弹簧弹力作用下被顶起，限位凸台401下表面在下夹具块1上表面的上部时，将上夹具块4横向摆动90°就可以取出样品6。此过程只需要少量旋起螺栓2，不需要完全旋出螺栓2、卸下上夹具块4，操作方便容易，对使用者十分友好。

第二梯形凹槽103斜面倾角与样品6夹持端与平行部分的过度倾角均为45°，力学测试前只需要做预拉伸使第二梯形凹槽103的斜面与样品6过渡段的侧面接触，样品6自动调整至上夹具块4和下夹具块1的中心位置且与加载方向平行，从而保证样品6位置安装的精确度；力学测试过程中第二梯形凹槽103的斜面与样品6过渡段侧面为硬接触，限定了样品6沿拉伸方向和侧向的移动，不存在样品6滑动的情况，保证了力学测试结果的可靠性。

第一弹簧5也可以是其他的能够实现本发明功能的弹性件。

本发明有益效果：

第一凹槽与样品夹持端相适配，力学测试时将样品夹持端放入第一凹槽内。第二梯形凹槽斜面倾角与样品夹持端与平行部分的过度倾角大小相等，力学测试前只需要做预拉伸使第二梯形凹槽的斜面与样品过渡段的侧面接触，样品自动调整至上下夹具块中心位置且与加载方向平行，从而保证样品位置安装的精确度；力学测试过程中第二梯形凹槽的斜面与样品过渡段侧面为硬接触，限定了样品沿拉伸方向和侧向的移动，不存在样品滑动的情况，保证了力学测试结果的可靠性；

上夹具块的限位凸台置入第一凹槽压在样品上表面限定样品上下方向的移动；紧固件、第一垫片、上夹具块和第一弹簧构成了弹簧挤压机构，从下夹具块的第一凹槽安装或卸下样品前，上旋紧固件，弹簧自动将上夹具块顶出至下夹具块上表面，再将上夹具块横向摆动90°就可以取出或装入样品，只需对紧固件做少量的旋动，不需要完全卸下夹具块，操作方便容易；弹簧挤压机构对不同厚度的样品有预紧的效果；合上上夹具块，旋入预紧件后，弹簧对紧固件有预紧力，可以防止力学测试过程中预紧件松动而影响测试结果。

综上，本发明结构合理，操作方便简单，保证了样品安装位置的精确度，并确保不因样品夹持的问题而影响力学测试结果的稳定性和可靠性。

以上对本申请实施例所提供的一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的″包含″、″包括″为一开放式用语，故应解释成″包含/包括但不限定于″。″大致″是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语″包括″、″包含″或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句″包括一个……″限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语″和/或″仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符″/″，一般表示前后关联对象是一种″或″的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，包括：

下夹具块，用于放置样品夹持端；

上夹具块，覆盖在下夹具块上用于固定样品夹持端；

所述上夹具块的一端与所述下夹具块的一端连接，且所述上夹具块能够沿连接轴线上下移动和水平旋转；

所述下夹具块上设有用于放置样品夹持端的第一凹槽；所述上夹具块水平旋转时能够覆盖在所述第一凹槽上。

2.根据权利要求1所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述上夹具块包括圆柱凸台和限位凸台，所述圆柱凸台和所述限位凸台在水平方向上固定连接在一起；

所述圆柱凸台用于与所述下夹具块连接；所述限位凸台的形状与所述第一凹槽的形状部分匹配或全部匹配。

3.根据权利要求2所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述下夹具块上设有垂直且内嵌在所述下夹具块中的用于与所述上夹具块连接的第一螺纹沉头孔；所述第一螺纹沉头孔包括位于上部的沉头孔和位于下部带有内螺纹的螺纹孔，所述沉头孔和所述螺纹孔同轴，且所述沉头孔的内径大于所述螺纹孔的内径。

4.根据权利要求3所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述沉头孔内设有第一弹簧；紧固件穿过设于所述圆柱凸台中间的安装孔和所述第一弹簧后与所述螺纹孔螺纹连接；所述安装孔内壁光滑，所述安装孔的内径大于所述螺栓的外径且小于所述第一弹簧的外径；所述圆柱凸台的外径小于所述沉头孔的内径且大于所述第一弹簧内径。

5.根据权利要求4所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述紧固件与所述圆柱凸台之间设有第一垫片。

6.根据权利要求1所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述第一凹槽依次包括第一矩形凹槽、第二梯形凹槽和第三矩形凹槽；所述第一矩形凹槽、所述第二梯形凹槽和所述第三矩形凹槽的加载方向的中心线共线；

所述第一矩形凹槽与所述第二梯形凹槽的底面连通，所述第二梯形凹槽的顶面与所述第三矩形凹槽的一端连通，所述第三矩形凹槽的另一端穿透所述下夹具块的侧壁。

7.根据权利要求6所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述第一矩形凹槽的宽度与所述第二梯形凹槽的底面长度相同；所述第二梯形凹槽的顶面长度与所述第三矩形凹槽的宽度相同。

8.根据权利要求4所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述沉头孔的内径比所述第一弹簧的外径大0.1-0.2mm，使得所述第一弹簧可以在所述沉头孔内进行挤压活动。

9.根据权利要求4所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述圆柱凸台和所述限位凸台的连接处设有开口向下、供上夹具块上下位移的位移凹槽。

10.根据权利要求1所述的弹簧辅助紧固的拉伸试样夹具，其特征在于，所述下夹具块的侧壁上设有用于与原位微型力学测试台固定的固定结构。