JP2000097828A - シャルピー衝撃試験機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンビルへ搬送する際の試験片の温度変化を
低減し、精度良い衝撃試験を行うことができるシャルピ
ー衝撃試験機の提供。 【解決手段】 一対のアンビル１４に両持ち支持された
試験片Ｄに振り子式ハンマで衝撃破壊力を与え、試験片
破壊時に試験片Ｄに吸収される衝撃エネルギーを評価す
るシャルピー衝撃試験機において、ストッカー５０に収
納された試験片Ｄを恒温槽２で所定温度に調整し、その
温度調整された試験片Ｄの一つを搬送装置３によりスト
ッカー５０から試験機本体１のアンビル１４に直線的に
搬送する。その結果、試験片Ｄを恒温槽２から取り出し
てアンビル１４にセットするまでの時間を短縮すること
が可能となり、試験片Ｄの温度変化を抑えることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、材料の評価試験に
用いられるシャルピー衝撃試験機に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料の靭性，脆性を評価する材料試験機
として、振り子式のシャルピー衝撃試験機が一般に知ら
れている。シャルピー衝撃試験機は、例えば図９に示し
たように、基台９１上に立設された一対の支柱２（一方
のみを図示）の上部に振り子式のハンマ９３を有してい
る。ハンマ９３は軸Ａ（紙面に垂直）に関して回動可能
に支持されており、衝撃試験の際にはハンマ９３を所定
の角度αまで持ち上げた後に、重力によるハンマ９３の
振り下ろし動作をさせてアンビル９４に両持ち支持され
ている試験片９５に衝突させる。このようにハンマ９３
を衝突させて試験片９５を破壊することにより、シャル
ピー衝撃試験が行われる。

【０００３】ハンマ９３は試験片９５を衝撃破壊した後
も二点鎖線で示すように振り上がるので、破壊時に試験
片９５に吸収される衝撃エネルギーは持ち上げ角度αの
ハンマ９３の位置エネルギーと振り上がり角度βのハン
マ９３の位置エネルギーとの差で表される。このように
して算出される衝撃エネルギーを試験片９５のノッチ部
分（不図示）の断面積で割った値がシャルピー衝撃値で
ある。なお、角度α，βはハンマ９３と一体に回転する
指針９６と支柱９２に固設された目盛板９７とによって
計測することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、低温状態や
高温状態での材料特性を評価する場合、従来は冷却槽や
恒温槽等の温度調節装置により試験片９５の温度調整を
行い、オペレータが温度調整された試験片９５を温度調
節装置から取り出してシャルピー衝撃試験機のアンビル
９４にセットしていた。また、汎用の工業用ロボットに
より試験片９５を温度調節装置から取り出してセットす
るようなことも極めて希ではあるが行われていた。

【０００５】しかしながら、上述したようにオペレータ
や工業用ロボットにより試験片９５をセットする従来の
場合には、試験片９５をアンビル９４にセットして試験
を行うまでの所要時間が長くなるため試験片９５の温度
が変化してしまい、精度良い衝撃試験を行うのが困難で
あった。また、このように試験片９５の温度を調節して
試験を行う場合には、試験片９５を温度調節装置より取
り出してから５秒以内に試験を行わなければならないこ
とがＪＩＳに規定されているが、工業用ロボットの動作
が複雑であるために、規定時間内に試験片９５をセット
して衝撃試験を実行するのに非常に苦労していた。さら
に、汎用の工業用ロボットを用いる場合には、装置が大
きくなって広い設置スペースが必要になるとともに、装
置が高価になってしまうという欠点があった。

【０００６】本発明の目的は、アンビルへ搬送する際の
試験片の温度変化を低減し、精度良い衝撃試験を行うこ
とができるシャルピー衝撃試験機を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図１，６および８に対応付けて説明する。 （１）図１，６に対応付けて説明すると、請求項１の発
明は、一対のアンビル１４に両持ち支持された試験片Ｄ
に振り子式ハンマ３０で衝撃破壊力を与え、試験片破壊
時に試験片Ｄに吸収される衝撃エネルギーを評価するシ
ャルピー衝撃試験機に適用され、試験片Ｄを複数収納で
きるストッカー５０が収納され、試験片Ｄを所定温度に
調整する温度調整装置２と、温度調整装置２により所定
温度に調整された試験片Ｄの一つをストッカー５０から
アンビル１４に直線的に搬送する搬送装置３とを備えて
上述の目的を達成する。 （２）図１，８に対応付けて説明すると、請求項２の発
明は、請求項１に記載のシャルピー衝撃試験機におい
て、試験片Ｄに形成されたノッチ６３を検出する検出装
置６２と、検出装置６２の検出結果に基づいて、試験片
Ｄがアンビル１４の所定位置に位置決めされるように搬
送装置３による試験片Ｄの搬送を制御する制御装置４と
を設けた。 （３）請求項３の発明は、請求項１または２に記載のシ
ャルピー衝撃試験機において、試験片Ｄをアンビル１４
に搬送する際に、一対のアンビル１４の間において試験
片Ｄを支持する支持台５を設けた。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段の項では、本発明を分かり易くする
ために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本
発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図８を参照して本発
明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるシャル
ピー衝撃試験機の一実施の形態を示す図であり、試験機
の概略構成を示す。１は試験機本体、２は試験片Ｄを所
定温度に調節する恒温槽である。恒温槽２により所定温
度に調整された試験片Ｄは、搬送装置３により恒温槽２
から取り出されて試験機本体１のアンビル１４にセット
される。また、試験片Ｄをアンビル１４にセットする際
には、試験片Ｄは支持台５により支持される。この支持
台５は油圧シリンダ６０により上下方向に移動する。試
験機本体１、恒温槽２，搬送装置３および支持台５の動
作は制御装置４により制御される。

【００１０】（１）試験機本体１の詳細説明。 図２および３は試験機本体１の詳細を示す図であり、図
２の（ａ）は試験機本体１の側面図、（ｂ）は（ａ）の
Ｂ−Ｂ’断面図である。また、図３は図２のＡ矢視図で
ある。基台１１上には一対の支柱１２が立設されてお
り、各支柱１２の下方部分にはアンビル１４がそれぞれ
固設されている。１６は振り子式ハンマ３０（詳細構造
は後述する）が取り付けられるハンマ支持枠であり、ハ
ンマ支持枠１６の側壁１７のそれぞれに固設された一対
の回転軸受部１９によってハンマ３０の軸部３０ｂ（図
３）が水平に支持される。ハンマ支持枠１６は、支柱１
２の鉛直方向（図２，３の図示上下方向）に形成された
一対のガイド１２１に摺動可能に取り付けられる。図２
（ｂ）に示すように、支柱１２のガイド１２１が側壁１
７の溝形成部１７１の溝に嵌合することにより、両者が
結合されている。

【００１１】２４はハンマ３０を所定の持ち上げ角度で
係止する係止治具であり、この係止治具２４がハンマ３
０の柄３０ｄに設けられたピン３０ｅに係合することに
よりハンマ３０を係止する。なお、図３では係止治具２
４部分が見易いように、ハンマ３０を最下端位置で示し
た。２５はＬ形金具２６を上下駆動する油圧シリンダで
あり、Ｌ形金具２６が上方に駆動されると係止治具２４
に設けられたピン２４１に当接する。さらにＬ形金具２
６が上方に駆動されると係止治具２４が軸Ｃ（紙面に垂
直な軸）を中心に反時計回りに回転駆動され、係止治具
２４によるハンマ３０の係止が解除されて重力によりハ
ンマ３０が振り下ろされる。

【００１２】ハンマ３０が振り下ろされて図２の二点鎖
線で示す位置まで回転すると、アンビル１４に支持され
た試験片Ｄにハンマ３０が衝突し、試験片Ｄを破壊した
後も惰性で振り上がる。ハンマ３０の軸部３０ｂにはロ
ータリーエンコーダ４８（図３）の回転軸が連結されて
おり、ハンマ３０の持ち上げ角度や振り上がり角度（図
９の角度α，β）はこのロータリーエンコーダ４８によ
り計測される。４９はロータリーエンコーダ４８が固定
されるブラケットであり、ブラケット４９は側壁１７に
固設されている。また、２７はハンマ３０と一体に回転
する指針であり、指針２７の角度を側壁１７に固設され
た目盛板２８を用いて計測することによってもハンマ３
０の持ち上げ角度や振り上がり角度を確認することがで
きる。

【００１３】図３において４２はハンマ３０の軸部３０
ｂに設けられた一方向クラッチであり、クラッチ４２と
モータ４０のプーリ４３との間にはベルト４４が掛け回
されている。モータ４０はブラケット４１によりハンマ
枠１６に固設されている。クラッチ４２がモータ４０に
よりＲ方向に回転されるときにはクラッチ４２とハンマ
３０の軸部３０ｂとは一体に回転し、ハンマ３０が振り
下ろされるときには摩擦が小さくなり軸部３０ｂだけが
自由に回転する。クラッチ４２には油圧シリンダ４６が
設けられたブラケット４５が固設されており、ブラケッ
ト４５はクラッチ４２と一体に回転する。

【００１４】ハンマ３０を持ち上げる場合には、まず、
油圧シリンダ４６を伸長させてロッド４７を二点鎖線で
示す位置Ｐまで繰り出す。次いで、モータ４０によりク
ラッチ４２をＲ方向に回転駆動すると、クラッチ４２と
一体に回転する油圧シリンダ４６のロッド４７がハンマ
３０の柄３０ｄに当接し、ハンマ３０は反時計回りに回
転しながら持ち上げられる。なお、この間は、油圧シリ
ンダ２５によりＬ形金具２６を上方に駆動して係止治具
２４を持ち上げておく。その後、ハンマ３０の位置が所
定の持ち上げ角度になったならばＬ形金具２６を下方に
駆動して係止治具２４を下げ、係止治具２４をハンマ３
０のピン３０ｅに係合させてハンマ３０を所定の持ち上
げ角度に係止する。係止治具２４によりハンマ３０が係
止されたならば、油圧シリンダ４６を収縮する。このよ
うにして準備が完了した後、ハンマ３０の係止を解除す
ることによりハンマ３０の振り下ろしが行われる。

【００１５】ところで、上述したようにハンマ支持枠１
６は支柱１２に形成された一対のガイド１２１に摺動可
能に取り付けられているが、このハンマ支持枠１６は一
対の油圧シリンダ２１によって上下方向に駆動される。
各油圧シリンダ２１のシリンダチュ−ブ２１ａはそれぞ
れ支柱１２に固定されており、また、油圧シリンダ２１
の各ピストンロッド２１ｂは、各側壁１７に設けられた
ブラケット１７１にナット２９によりそれぞれ連結され
ている。そのため、油圧シリンダ２１の伸縮により、ハ
ンマ支持枠１６がガイド１２１に沿って上下駆動され
る。ガイド１２１の上端部および下端部にはハンマ支持
枠１６の上下位置を規制するストッパー２３ａ、２３ｂ
が設けられており、油圧シリンダ２１が伸長した場合に
は図２のようにハンマ支持枠１６はストッパー２３ａに
当接する上端位置に位置決めされ、油圧シリンダ２１が
収縮した場合には図４のようにハンマ支持枠１６はスト
ッパー２３ｂに当接する下端位置に位置決めされる。

【００１６】図５はハンマ３０の詳細を示す図であり、
ハンマ３０はハンマ部３０ａと軸部３０ｂとから成り、
さらにハンマ部３０ａはヘッド３０ｃ，柄３０ｄで構成
されている。ハンマ３０の軸部３０ｂは一対の回転軸受
部１９に支持されており、ハンマ部３０ａはこの軸部３
０ｂに対して着脱することができる。柄３０ｄの先端部
分に形成された雄ネジ部３０ｉは軸部３０ｂの貫通穴３
０ｆに嵌挿され、ナット３０ｊによりハンマ部３０ａと
軸部３０ｂとが締結される。このとき、軸部３０ｂに形
成された矩形の座ぐり３０ｇに柄３０ｄに形成された矩
形の座３０ｈを係合させることにより、ヘッド３０ｃの
面３１０，３１１が軸部３０ｂに対して垂直に保たれ
る。

【００１７】このように、ハンマ３０を軸部３０ｂと軸
部３０ｂに対して着脱可能なハンマ部３０ａとで構成
し、ハンマ部３０ａを異なる重さのものに交換できるよ
うにした。ところで、ＪＩＳ Ｋ−７１１１には衝撃エ
ネルギーとハンマ３０の衝撃速度との関係が規定されて
おり、ハンマ３０の重さが異なる場合には柄３０ｄの長
さも異なる。そこで、前述したようにハンマ支持枠１６
を鉛直方向に移動可能とすることによりハンマの長さの
違いに対応できるようにした。

【００１８】例えば、図２のように柄３０ｄの長い大ハ
ンマ３０を用いて試験を行う場合には、ハンマ支持枠１
６を上端位置に移動して試験を行い、一方、図４のよう
に柄の短い小ハンマ３０’を用いて試験を行う場合に
は、ハンマ支持枠１６を下端位置に移動して試験を行
う。このように、ハンマの大小に応じてハンマ支持枠１
６の位置を上端または下端位置に位置決めすることによ
って、振り下ろしたハンマ３０，３０’が最下端位置と
なったときの位置、すなわち、アンビル１４に支持され
た試験片Ｄとハンマ３０，３０’との衝突位置を正しい
位置に調整することができる。

【００１９】（２）恒温槽２および搬送装置３の詳細説
明 図６は恒温槽２、搬送装置３および支持台５の断面を示
す図である。なお、図６は図１に示す恒温槽２、搬送装
置３を背面側から見た図であって、図の左右が図１と逆
になっている。５０は恒温槽２内に設けられ、複数の試
験片Ｄ（厚み４〜６mm程度）を収納することができるス
トッカーである。ストッカー５０内の試験片Ｄは、恒温
槽２により所定温度（−７０℃〜＋１１０℃程度の範囲
で設定できる）に調整される。ストッカー５０の底部に
は搬送装置３の搬送部５１が設けられており、その搬送
部５１は恒温槽２の壁を貫通して外部に伸延している。
搬送部５１の恒温槽２の外側にある部分および搬送部５
１が貫通する恒温槽２の孔２ａの隙間には断熱材２ｂが
施される。

【００２０】搬送部５１の図示右端部は試験機１のアン
ビル１４の部分まで伸びており、搬送部５１内には矩形
の案内通路５２が形成されている。搬送部５１に形成さ
れた案内通路５２内にはラック５３が配設され、このラ
ック５３はパルスモータ５４により左右方向に駆動され
る。ストッカー５０内の最下部の試験片Ｄは、搬送部５
１に形成された案内通路５２内を左右方向に移動するラ
ック５３に押されて試験機本体１のアンビル１４上にセ
ットされる。図７の（ａ）は図６のパルスモータ５４部
分のＦ−Ｆ’断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ’
断面図である。図７に示すように、パルスモータ５４の
軸にはラック５３と噛合するピニオン５５が設けられて
いる。なお、本実施の形態ではラック５３の左右方向駆
動手段としてパルスモータ５４を用いたが、これに限ら
ず、サーボモータを用いたり、リバーシブルモータとラ
ック位置を検出する位置センサを組み合わせて用いたり
しても良い。

【００２１】図６に戻って、５７は試験片Ｄの厚みを測
定するための測寸装置であり、試験片が無いときに測定
寸法装置５７のロッド５８をストッパー５９に当接させ
た場合のロッド５８の繰り出し量と、図６のように案内
通路５２内の試験片Ｄをロッド５８とストッパー５９で
挟み付けたときの繰り出し量とから試験片Ｄの厚みを計
測する。このようにして試験片Ｄの厚みを計測した後
に、二点鎖線で示すように試験片Ｄを搬送装置５１の外
に押し出してアンビル１４にセットする。この際、試験
片Ｄの先端がアンビル１４間で傾いて落下することがな
いように、つまり、試験片Ｄがスムーズにアンビル１４
にセットされるように支持台５により試験片Ｄをアンビ
ル１４間で支持する。支持台５は油圧シリンダ６０によ
り上下駆動することができ、試験片Ｄをアンビル１４に
セットするとき以外は支持台５を二点差線で示す位置に
下げておく。６１は油圧シリンダ６０のピストンロッド
である。

【００２２】図８は支持台５を詳細に説明する図であ
り、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＨ矢視図であ
る。アンビル１４にセットされた試験片ＤにはＶ字形
（またはＵ字形）のノッチ６３が形成されており、ノッ
チ６３の反対面に図の右方向から衝撃が加えられる。支
持台５には反射式の光電スイッチ６２が設けられてお
り、試験片Ｄをアンビル１４にセットする際にノッチ６
３を光電スイッチ６２で検出して、ノッチ６３の位置と
ハンマ３０の衝突位置とが一致するように試験片Ｄの位
置決めを行う。すなわち、光電スイッチ６２がノッチ６
３を検出したときにパルスモータ５４を停止する。

【００２３】上述した試験片Ｄのストッカー５０からア
ンビル１４への搬送動作（さらに、衝撃試験も含めても
良い）は、図１に示した制御装置４によって自動的に行
われる。また、多数の試験片Ｄについて衝撃試験を行う
場合には、ストッカー５０に複数の試験片Ｄを収納し
て、順に衝撃試験を行う。

【００２４】上述したシャルピー衝撃試験機では従来と
比較して次のような利点がある。 恒温槽２で温度調整された試験片Ｄは搬送装置３によ
って試験機本体１のアンビル１４に直線的に最短移動距
離で搬送されてセットされるため、試験片Ｄを恒温槽２
から取り出してアンビル１４にセットするまでの時間を
従来より短縮することができる。その結果、搬送中の試
験片Ｄの温度変化を従来より低減することができる。さ
らに、上述した搬送装置３では、搬送装置３の一部が恒
温槽２内に設置されるとともに搬送部５１の周囲に断熱
材２ｂを設けているため、試験片Ｄが案内通路５２を通
過する間の温度変化を小さく抑えることができる。 また、搬送装置３を用いる本実施の形態の試験機は、
汎用の工業用ロボットを用いる場合に比べて、コスト低
減および省スペースを図ることができる。 搬送部５１に測寸装置５７を設けて搬送の途中で試験
片Ｄの計測を自動的に行うようにしたので、測定に要す
る時間を短縮することができる。 試験片Ｄを搬送部５１からアンビル１４にセットする
際に、支持台５により試験片を支持するようにしたの
で、試験片Ｄのセットをスムーズに行うことができる。
また、支持台５に設けられた光電スイッチ６２でノッチ
６３を検出して試験片Ｄの位置決めを行うようにしたの
で、正確な位置決めを素早く行うことができき試験精度
の向上も図れる。 多数の試験片Ｄを試験する場合には、ストッカー５０
にそれらの試験片Ｄを収納し、搬送装置３，測寸装置５
７，支持台５および試験機本体１の動作を制御装置４で
制御し、測寸・搬送，衝撃試験の一連の動作を自動的に
繰り返し行うことによって、試験時間の大幅な短縮を図
ることができる。

【００２５】上述した実施の形態では、ハンマ支持枠１
６に昇降機能を設けてハンマ３０が交換可能なように試
験機本体１を構成したが、単式ハンマの場合にはこのよ
うな昇降機構を省略しても良い。

【００２６】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、恒温槽２は温度調節装置を、
光電スイッチ６２は検出装置をそれぞれ構成する。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、恒温槽で温度調整された試験片は搬送装置によ
り試験機本体のアンビルに直線的に最短移動距離で搬送
されるため、恒温槽から試験片を取り出してアンビルに
セットするまでの時間を従来より短縮することができ
る。その結果、搬送中の試験片の温度変化を従来より低
減することができる。請求項２の発明によれば、上述し
た請求項１の効果に加えて、試験片をアンビル上に精度
良くセットすることが可能となり、試験精度の向上を図
ることができる。請求項３の発明によれば、アンビル上
へ棒状の試験片を搬送する際に支持台により支持するよ
うにしたので、上述した請求項１および２の発明の効果
に加えて、試験片のアンビル上への搬送をスムーズに行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるシャルピー衝撃試験機の一実施の
形態を示す図。

【図２】試験機本体１の詳細を示す図であり、（ａ）は
試験機本体１の側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’断面
図。

【図３】図３は図２のＡ矢視図。

【図４】小ハンマ３０’を用いた場合のハンマ支持枠１
６の位置を示す図。

【図５】ハンマ３０の詳細を示す図。

【図６】恒温槽２、搬送装置３の詳細を示す図。

【図７】（ａ）は図６のＦ−Ｆ’断面図、（ｂ）は
（ａ）のＧ−Ｇ’断面図。

【図８】支持台５を詳細に示す図で、（ａ）は側面図、
（ｂ）は（ａ）のＨ矢視図。

【図９】従来のシャルピー衝撃試験機を説明する図。

【符号の説明】

１ 試験機本体 ２ 恒温槽 ３ 搬送装置 ４ 制御装置 ５ 支持台 １４ アンビル ３０ ハンマ ５０ ストッカー ５１ 搬送部 ５２ 案内通路 ５３ ラック ５４ ステップモータ ５５ ピニオン ５７ 測寸装置 ６２ 光電スイッチ ６３ ノッチ Ｄ 試験片

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対のアンビルに両持ち支持された試験
   片に振り子式ハンマで衝撃破壊力を与え、試験片破壊時
   に試験片に吸収される衝撃エネルギーを評価するシャル
   ピー衝撃試験機において、 前記試験片を複数収納できるストッカーが収納され、前
   記試験片を所定温度に調整する温度調整装置と、 前記温度調整装置により所定温度に調整された試験片の
   一つを前記ストッカーから前記アンビルに直線的に搬送
   する搬送装置とを備えることを特徴とするシャルピー衝
   撃試験機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシャルピー衝撃試験機
   において、 前記試験片に形成されたノッチを検出する検出装置と、 前記検出装置の検出結果に基づいて、前記試験片が前記
   アンビルの所定位置に位置決めされるように前記搬送装
   置による前記試験片の搬送を制御する制御装置とを設け
   たことを特徴とするシャルピー衝撃試験機。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のシャルピー衝
   撃試験機において、 前記試験片を前記アンビルに搬送する際に、前記一対の
   アンビルの間において前記試験片を支持する支持台を設
   けたことを特徴とするシャルピー衝撃試験機。