JP2005156300A - 材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な構成で、試験片の軸心と負荷軸とを合致させることができる材料試験機を提供すること。
【解決手段】 試験片ＴＰは、上チャック６と下チャック７に把持され、上チャック６は、ロードセル８を介して軸心ずれ補償部１０の上ロッド１４に連結され、下チャック７は、下チャック固定部２１を介して架台１に固定されている。クロスヘッド５が負荷軸ＡＸ１の方向に移動して試験片ＴＰに負荷を与えると、軸受１１に吊持された上ロッド１４がＸＹ方向に動いて中心軸ＡＸ２を負荷軸ＡＸ１に一致させ、試験片の軸心ＡＸ３が負荷軸ＡＸ１に合致する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、引張り強さなどの材料強度を測定する材料試験機に関する。

従来、架台に立設された一対のねじ棹にクロスヘッドの両端を螺合させるとともに、架台とクロスヘッドにそれぞれチャックを同軸で取り付けた材料試験機が知られている。この材料試験機では、これら上下一対のチャックに試験片の両端をそれぞれ把持させておき、ねじ棹を回転することによりクロスヘッドを架台に対して例えば上昇させ、試験片に引張荷重を負荷する。このような引張試験においては、試験精度を向上させるために、試験片の軸心が負荷方向と平行になるように試験片をチャックに把持させる必要がある。つまり、試験片の軸心と負荷軸を一致させる必要がある。これを解決する手段として、試験片の軸心と負荷軸との偏心を検出し、その偏心量を零にするように上下一対のチャックのいずれか一方を負荷軸と垂直方向に移動させるＸＹステージを備える材料試験機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−０６２３２４号公報（第２頁、図１，５）

上記特許文献１の装置では、試験片の軸心と負荷軸との偏心を検出する検出器が必要であり、その偏心量に基づいてＸＹステージの移動を制御する電気回路や駆動装置も必要であり、装置構成が複雑になる。

（１）本発明の請求項１の材料試験機は、試験片に荷重を加える負荷手段と、試験片の両端を把持する上下チャックと、上下チャック側のいずれか一方に連結され、試験片に加えられる荷重により、負荷手段による負荷方向と直交する面上で上下チャックのいずれか一方を移動可能とする軸心ずれ補償手段とを備えることを特徴とする。

（２）本発明の請求項２の材料試験機は、試験片に荷重を加えるために負荷方向に移動可能な移動体と、移動体に連結されるとともに試験片の一端を把持する上チャックと、試験機本体に固定されるとともに試験片の他端を把持する下チャックと、移動体に設けられるとともに前記上チャックに連結され、試験片に加えられる荷重により、移動体による負荷方向と直交する面上で上チャックを移動可能とする軸心ずれ補償手段とを備えることを特徴とする。
上記の材料試験機の軸心ずれ補償手段は、試験片に加えられる荷重と、負荷方向と試験片の軸心方向とのズレ量とによって発生する負荷方向と直交する面に平行な分力により、上チャックを移動するように構成することができる。また、軸心ずれ補償手段は、無負荷状態で、上チャックの負荷方向と直交する面上の位置を規制する位置規制手段を有することが好ましい。

本発明によれば、軸心ずれ検出器やＸＹステージを用いることなく、単純な構成で、試験片の軸心と負荷軸とを合致させることができる材料試験機を実現できる。

以下、本発明による材料試験機について、図１〜４を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態による材料試験機の概略を示す全体構成図である。図２は、本発明の実施の形態による材料試験機の軸心ずれ補償部の構成を示す部分構成図である。図３は、軸心ずれの状態を模式的に示す図である。図４は、本発明の実施の形態の変形例を示す部分構成図である。図１〜４では、同じ構成部品には同一符号を付す。

図１に示されるように、試験機本体１００は、架台１、支柱２、ヨーク３、ねじ棹４、クロスヘッド５、上チャック６、下チャック７、ロードセル８、中間ロッド９および軸心ずれ補償部１０を備えている。架台１の上面に立設された一対の支柱２の上部には、ヨーク３が横架されている。一対のねじ棹４は、架台１とヨーク３の間に回転可能に設けられている。一対のねじ棹４には、クロスヘッド５が螺合している。ねじ棹４を回転させると、回転方向によってクロスヘッド５が昇降する。

クロスヘッド５には、軸心ずれ補償部１０が取り付けられている。軸心ずれ補償部１０の構成部品の一つである上ロッド１４の下側には、ロードセル８を介して上チャック６が連結されている。架台１に固設された下チャック固定部２１には、下チャック７が連結されている。試験片ＴＰは、上チャック６と下チャック７により把持される。引張試験の際は、クロスヘッド５を上昇させるにつれて、試験片ＴＰに荷重が徐々に加わる。

図２を参照しながら、材料試験機の軸心ずれ補償部１０を詳細に説明する。図２（ａ）は、本実施の形態による材料試験機の主要部の構成を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の上面図である。負荷方向は、クロスヘッド５の昇降する方向であり、負荷軸ＡＸ１は、負荷方向に平行であって、固定された下チャック７の把持中心を通る線である。中心軸ＡＸ２は、移動可能な上チャック６の把持中心を通る線である。軸心ＡＸ３は、試験片ＴＰの負荷されるべき方向の中心軸である。また、矢印で表示するＸＹ方向は、負荷方向と直交する方向である。

軸受１１は、クロスヘッド５の上側に載置され、軸受１１により上ロッド１４が吊持されている。軸受１１内には、複数のスラストボール１２と４つの位置決めバネ１３が配設されている。軸受１１、スラストボール１２、位置決めバネ１３および上ロッド１４から軸心ずれ補償部１０が構成される。

上ロッド１４は、径の大きい頭部１４ａと径の小さい軸部１４ｂから成るボルト形状を呈している。上ロッド１４は、頭部１４ａが複数のスラストボール１２に接して軸受１１に吊持されているので、ＸＹ方向の運動に対する抵抗力（例えば、摩擦力）は非常に小さい。頭部１４ａの外周面と軸受１１の内周面とは、間隙Ｇを有して対向しており、頭部１４ａの外周面は、軸周りに等間隔で配置された位置決めバネ１３により、頭部１４ａの外周面の全周囲にわたって間隙Ｇを等しく保つように付勢されている。但し、この付勢力は、無負荷状態或いは試験片ＴＰが装着されていないときに、頭部１４ａの中心軸ＡＸ２を軸受１１の中心位置上に維持できる程度の力である。従って、小さい水平方向（ＸＹ方向）の力が加わるだけで、上ロッド１４は、間隙Ｇの範囲内で負荷方向と直交する面内で移動可能である。なお、間隙Ｇは、軸受１１と上ロッド１４との間隔を規制するものであるから、例えば軸部１４ｂの外周面とこれを取り囲むスラストボール１２との間隔を間隙Ｇとしてもよい。

以下、本実施の形態の材料試験機１００の動作を説明する。先ず、図２に示されるように、試験片ＴＰを上チャック６と下チャック７により把持する。このとき、中心軸ＡＸ２が負荷軸ＡＸ１に一致していれば、試験片ＴＰの軸心ＡＸ３も負荷軸ＡＸ１上にあるので、何ら問題なく引張試験を行い、正確な測定値を得ることができる。しかし、通常、材料試験機には部品加工や組立上のいわゆる機械誤差があるので、中心軸ＡＸ２が負荷軸ＡＸ１に一致しない場合がある。この不一致状態のまま引張試験を行うと、正確な測定値を得ることができない。

図３は、中心軸ＡＸ２が負荷軸ＡＸ１に一致していない状態を示す正面図である。図示の便宜上、試験片ＴＰは、上チャック６に把持された部分ＴＰ１と下チャック７に把持された部分ＴＰ２とに分けて示す。下チャック７は、下チャック固定部２１に固定されているので動かない。上チャック６は、図２に示されるように、軸心ずれ補償部１０によりＸＹ方向に移動可能である。

図３に示されるように、中心軸ＡＸ２が負荷軸ＡＸ１に対してΔＧだけずれているとする。試験片ＴＰを上下チャック６，７に把持させると、試験片ＴＰの軸心ＡＸ３は、負荷軸ＡＸ１に対して傾斜する。この状態で、試験片ＴＰに引張荷重を与えると、引張力とズレ量ΔＧの大きさに応じて、分力Ｆが発生する。分力Ｆは、ＸＹ方向に沿った、図中では左方向に働く力である。分力Ｆは、引張試験の初期段階から発生するので、分力Ｆにより、上ロッド１４が軸受１１に対して左方向に動く。中心軸ＡＸ２が負荷軸ＡＸ１に一致する（ΔＧ＝０）と分力Ｆが零になるので、上ロッド１４は停止する。試験片ＴＰの軸心ＡＸ３は、負荷軸ＡＸ１に一致する。この状態で引張試験を行えば、正確な測定値を得ることができる。

引張試験終了後に、試験片ＴＰを上下チャック６，７から取り外す。上ロッド１４のＸＹ方向に働く力は、４つの位置決めバネ１３の付勢力だけになるので、上ロッド１４の頭部１４ａの外周面は、頭部１４ａの外周面の全周囲にわたって間隙Ｇを等しく保つ状態に復帰する。従って、上下チャック６，７間の芯出し作業の必要はなく、次の試験片を上下チャック６，７に正確に取り付けることができる。

次に、図４により本実施の形態の変形例を説明する。図４（ａ）は、変形例による材料試験機の主要部の構成を示す正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の上面図である。
図４の材料試験機が図２の材料試験機と大きく異なる点は、軸心ずれ補償部の構成であり、他の構成要素は、図２と同様なので説明の重複を避ける。

図４において、軸心ずれ補償部３０は、クロスヘッド５の上側に載置されており、スラストボール保持部３１と、複数のスラストボール３２と、クロスヘッド５内に挿入される軸部３３とから構成される。スラストボール保持部３１と軸部３３は、一体で構成されている。軸部３３の外周面とクロスヘッド５の内周面とは、間隙Ｇを有して対向している。複数のスラストボール３２は、スラストボール保持部３１の空洞全域に多数配設されている。

軸部３３の下面には、ロードセル８が接続されている。クロスヘッド５の上面５Ａは、複数のスラストボール３２を介して、スラストボール保持部３１、軸部３３、ロードセル８、中間ロッド９および上チャック６を支持している。小さい水平方向（ＸＹ方向）の力が加わると、スラストボール保持部３１と軸部３３は、間隙Ｇの範囲内で負荷方向と直交する面内で移動可能である。

試験片ＴＰを上下チャック６，７に把持させ、軸心ずれ補償部３０の中心軸ＡＸ２´が負荷軸ＡＸ１に対してずれている場合に、試験片ＴＰに引張荷重を与えると、ＸＹ方向に分力が働く。この分力により、スラストボール保持部３１がクロスヘッド５の上面５Ａに沿って移動し、分力が零になると停止する。この状態で引張試験を行えば、正確な測定値を得ることができる。軸心ずれ補償部３０は、スラストボール保持部３１と軸部３３が一体となっているので、本実施の形態の軸心ずれ補償部１０に比べて一層シンプルな構造を実現できる。

上述したように、本発明の材料試験機は、軸心ずれ補償部１０，３０を備えるので、単純な構成で、試験片の軸心と負荷軸とを合致させることができ、正確な測定値を得ることができる。

上記の実施の形態および変形例では、軸心ずれ補償部１０，３０のＸＹ方向の移動は全周囲にわたるものであるが、軸心ずれが一定の方向に限られるならば、ＸＹ面上の１軸方向のみでもよい。また、本実施の形態の軸心ずれ補償部１０に内蔵される位置決めバネ１３は、３個以上でほぼ等間隔に配設されていればよい。

さらに、軸心ずれ補償部１０，３０は、クロスヘッドの下面に取り付けることもできる。また、上記の実施の形態とは逆に、上チャック６を固定し、下チャック７を負荷方向と直交する面内で移動可能とし、軸心ずれ補償部１０，３０を下チャック７側に設けることもできる。本発明は、上記の実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る材料試験機の概略を示す全体構成図である。 本発明の実施の形態に係る材料試験機の軸心ずれ補償部の構成を示す部分構成図である。 軸心ずれの状態を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の変形例を示す部分構成図である。

符号の説明

１：架台
２：支柱
３：ヨーク
４：ねじ棹
５：クロスヘッド
６：上チャック
７：下チャック
８：ロードセル
１０，３０：軸心ずれ補償部
１１：軸受
１２：スラストボール
１３：位置決めバネ
１４：上ロッド
１００：試験機本体１００
ＡＸ１：負荷軸
ＡＸ２：中心軸
ＡＸ３：軸心
ＴＰ：試験片

Claims (4)

1. 試験片に荷重を加える負荷手段と、
   前記試験片の両端を把持する上下チャックと、
   前記上下チャック側のいずれか一方に連結され、前記試験片に加えられる荷重により、前記負荷手段による負荷方向と直交する面上で前記上下チャックのいずれか一方を移動可能とする軸心ずれ補償手段とを備えることを特徴とする材料試験機。
2. 試験片に荷重を加えるために負荷方向に移動可能な移動体と、
   前記移動体に連結されるとともに前記試験片の一端を把持する上チャックと、
   試験機本体に固定されるとともに前記試験片の他端を把持する下チャックと、
   前記移動体に設けられるとともに前記上チャックに連結され、前記試験片に加えられる荷重により、前記移動体による負荷方向と直交する面上で前記上チャックを移動可能とする軸心ずれ補償手段とを備えることを特徴とする材料試験機。
3. 請求項２に記載の材料試験機において、
   前記軸心ずれ補償手段は、前記試験片に加えられる荷重と、前記負荷方向と前記試験片の軸心方向とのズレ量とによって発生する負荷方向と直交する面に平行な分力により、前記上チャックを移動することを特徴とする材料試験機。
4. 請求項２または３に記載の材料試験機において、
   前記軸心ずれ補償手段は、無負荷状態で、前記上チャックの前記負荷方向と直交する面上の位置を規制する位置規制手段を有することを特徴とする材料試験機。
   

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