JP2008281390A - 曲げ試験治具の製造方法、曲げ試験治具および曲げ試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】４点曲げ試験で使用する円柱状部材からなる曲げ支点の変形を十分小さくする。
【解決手段】４点曲げ試験において負荷治具の支点となる円柱部材１３、１４は略直方体ブロック１０の対向する面Ｅと面Ｆに残された円形の穴でブロックに固定されブロックと一体化している。円柱部材１３、１４の端以外の中間部分では、ブロックに形成された円柱部材１３、１４と同形状の円筒形部分（貫通穴の残された一部）によって背後から支えられるとともに、その下側（面Ａの側）と外側（円柱部材１３にとっては面Ｂの側、円柱部材１４にとっては面Ｄの側）が外部に露出している。この露出部分が４点曲げ試験を実行する際に試験片に当接する部分となる。支点となる円柱部材の背後が負荷方向（上下の方向）および分力の発生する横方向（内側方向）の両方とも座面によって支持されていることになるので、支点の変形が十分小さく、正しい４点曲げ試験を行うことができる。
【選択図】 図５

Description

試験片に引張や圧縮などの負荷を与えて試験片の歪量などを測定し、その結果得られるデータから材料の特性を計測する試験を行う材料試験機が知られている。本発明は、材料試験機の一種であって、試験片に曲げ負荷を与えてそのたわみ量から材料の曲げ特性を求めたり、破壊強度あるいは繰返し負荷による疲労特性を求める試験を行う曲げ試験装置、および、曲げ試験に使用する曲げ試験治具に関する。

材料試験機は板状や棒状に形成された試験片の両端を掴み具によってつかみ、その掴み具をアクチュエータによって一つの方向に駆動することにより試験片に引張や圧縮などの試験力を与え、試験力が加えられたときの試験片の歪量（変形量）などを計測することによって材料の特性を計測する試験を行う。この材料試験機の負荷機構等を利用して、曲げ試験治具を使用することにより材料の曲げ試験を行うことができる。曲げ試験を行う材料試験機を、ここでは曲げ試験装置と呼ぶ。

曲げ試験には３点曲げ試験と４点曲げ試験がある。３点曲げ試験は、水平方向においた試験片を左右２つの支点で下方から支えるとともに、試験片の中央の上方におかれた支点を下方に駆動して上方から試験片に負荷を与え、そのときの試験力と材料のたわみ量から曲げ特性を計測する。４点曲げ試験は試験片上方の支点を水平方向に離して配置した２点にしたものであり、その上側の２つの支点間の距離は下側の２つの支点間の距離より狭くしてある。下側の２点で支えられた試験片に対して上方から２点の支点で負荷を与え、そのときの試験力と材料のたわみ量から曲げ特性を計測する。試験力は負荷機構の設置されたロードセル等によって計測され、たわみ量は試験片に取り付けた変位計または負荷機構の移動距離から計測される。

図６に４点曲げ試験の治具および試験の方法を表す模式図を示す。図６は治具の部分を見た斜視図である。２つの足５２は試験装置の機台に水平に固定されており、その左右に所定距離だけ離れるように２つの下側支点５３が設けられている。この下側支点５３は水平方向に伸びる円柱の棒であって、足５２に支えられている。一方、負荷治具５４は曲げ試験装置の負荷機構に連結されており、その先端には２つの上側支点５５が左右に所定距離だけ離れて設けられている。この上側支点５５も水平方向に伸びる円柱の棒である。

曲げ試験を行う場合は、まず負荷治具５４を上方に退避させた状態で２つの下側支点５３の上に試験片５６を載せ、次に上方から試験装置の負荷機構を駆動して負荷治具５４を下方に移動させていく。２つの上側支点５５が試験片に接した後にもさらに負荷を加えていくと、試験片５６は中央部が下がり両端が上方にはね上がるように曲がることになる。このときの試験力Ｆと試験片５６のたわみ量から試験片の材料としての曲げ特性が計測される。

従来技術の一例として、特許文献１には曲げ試験用治具の一例が記載されている。
特開平６−２０７８９５

曲げ試験では、負荷を与える支点の試験片に接触する部分の曲率半径は常に一定の半径であることが望ましい。このような要求に対して、図５に示すように円柱形の部材を利用して円柱の両端を保持することで試験片の幅より大きな幅を持つ支点を形成できる。しかし試験に必要なこの幅（支点となる円柱の長さ）に対して円柱の直径を小さくしたい場合は、円柱の強度が低くなるので十分な試験力を与えることができず、また、剛性が低いので試験の途中で支点が内側にたわむように変形してしまい試験片に均一な負荷を与えることができない。

上述の問題に対して円柱形状の支点に座面を設け裏側から支点を補強することが考えられる。しかし負荷方向（上下方向）の力のみを受ける座面の場合、試験片が曲がることによって支点への接触方向が変化した際に発生する横方向の分力を受けることができず支点が変形することは避けられない。また、特許文献１に記載されたように溝の中に円柱部材を埋め込むように座面を設けた場合には、支点の外側にはみ出ている座面の一部が曲げの進行に伴って試験片に接触する恐れがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、負荷方向の力および横方向の分力によって変形せず（厳密にいえば“変形が十分に小さい”との意味である。この明細書においては、変形が十分に小さい場合を “変形しない”と表現する場合がある）、また、容易に製造できる曲げ試験治具を提供することを目的とする。さらには、そのような曲げ試験治具を使用して適正な曲げ試験ができる材料試験機を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、次の工程からなる曲げ試験治具の製造方法を採用する。
（１）略直方体のブロックに、このブロックの周方向に並んだ４つの面（並んだ順番にＡ面、Ｂ面、Ｃ面、Ｄ面とする）と略平行であって、２つの貫通穴の中心軸は互いに平行であり、かつ、２つの貫通穴の中心軸を含む平面は前記４つの面のうちの一つの面（Ａ面とする）と平行である、という性質を有する２つの貫通穴を穿設する。
（２）前記４つの面以外の２つの面（Ｅ面、Ｆ面とする）を所定の厚さで残しつつ、前記Ａ面側から前記２つの貫通穴に達するようにＡ面を平面状に削る。
（３）Ｅ面およびＦ面を前記所定の厚さで残しつつ、Ｂ面側から、Ｂ面に近い方の前記貫通穴に達するようにＢ面を平面状に削る。
（４）Ｅ面およびＦ面を前記所定の厚さで残しつつ、Ｄ面側から、Ｄ面に近い方の前記貫通穴に達するようにＤ面を平面状に削る。
（５）前記貫通穴と嵌合する直径であってＥ面とＦ面間の距離以上の長さを有する円柱部材をＥ面およびＦ面に残された２つの貫通穴にそれぞれ差し込む。
ただし、上記（２）、（３）、（４）の順番は互いに入れ替えてもよい。

上記の２つの円柱部材が最終的に４点曲げ試験における２つの上部支点となる。ブロックに円柱部材と嵌合する貫通孔を最初に開けておくから、最終的にブロックに残った貫通穴面の一部は円柱部材の外形と正確に一致しており、円柱部材にとって上方向および内側横方向の座面となる。また円柱部材の端部が嵌まり込む部分がＥ面およびＦ面に残っていて、これがフランジ形状の支持部となっているから、ブロックに対して円柱部材をしっかりと組み合わせることができる。フランジ形状部の穴と座面は同時加工されているため、同一軸上にあり、円柱部材は座面と均等に接触する。したがって試験片との接触面も均等に保たれる。

また本発明の曲げ試験治具は、上記製造方法により製造することができるものであって、略直方体のブロックと、このブロックに嵌め込まれた互いに平行な２本の円柱部材からなり、前記ブロックのうち互いに対向する２面の面部分で前記２本の円柱部材のそれぞれの端部を保持し、前記円柱部材の中間部は前記ブロックに形成された前記円柱部材の形状と同一な円筒形状の面によって上側面及び内側面が支持されるとともに、前記２本の円筒部材の中間部の下側面と外側面が外部に露出していることを特徴とする。

円柱部材が曲げ試験時の上部支点となるものであるが、ブロックに形成された円筒形状の面により円柱部材を背後から支えているので、この円筒形状部分が座面となり円柱部材にかかる力を受けることとなる。この座面は円筒形なので負荷方向および横方向の分力に対しても支えとなることができ、支点の剛性が高いので円柱部材の変形を防ぐことができる。

また、本発明の曲げ試験装置は、試験片に対して試験力を与える負荷機構と、前記試験片に負荷された試験力を計測する試験力計測機構と、試験片の歪みを計測する歪み計測機構と、試験片を保持する試験治具を備える曲げ試験装置において、請求項２に記載された第１の曲げ試験治具と、この曲げ試験治具の２つの前記円柱部材間の距離よりも大きな間隔を有する２つの平行に配置された負荷ピンを有する第２の曲げ試験治具を備え、この２つの曲げ試験治具の間に前記試験片を配置して４点曲げ試験を行うことを特徴とする。

背後にしっかりした座面を備えた円柱状の支点を有する曲げ試験治具を使用して４点曲げ試験を行えるので、支点である円柱部材の変形が十分小さく、正しい４点曲げ試験の結果を得ることができる。

本発明によれば、しっかりした座面を背後に備えた円柱状の上部支点を有する曲げ試験治具を製造することができる。この円柱状支点の外側には余分な部材が出ていないので押込み深さが大きい試験でも曲げ試験を阻害することがない。そして、この試験治具を使用することにより大きな力がかかっても変形しない曲げ試験治具を使用して４点曲げ試験を行えるので、正しく試験結果を得ることができる。

また、本発明の曲げ試験治具は穴あけ加工や平面の切削加工のみで実施できるため、曲げ試験治具の製造が簡単である。円筒状の外面を持つ２つの支点を削り出し加工などによって製造しようとすると、その加工は大変困難なものであり大幅なコスト上昇を伴うが、本発明の方法によれば現実的な費用で理想的な曲げ試験治具を製造することができる。

本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の曲げ試験装置の構成を示す図である。試験装置本体１はベース２の上にネジ棹３が左右に立設され（図ではネジ棹はカバーの中に隠れている）、その上部がヨーク４によって固定されている。ネジ棹３はベース２およびヨーク４に対して回転可能に固定されており、このネジ棹３にナットを介してクロスヘッド５が取り付けられている。ネジ棹３をベース２に内蔵したモータ（図示していない）によって回転すると、クロスヘッド５は上下方向に駆動される。

クロスヘッド５の中央部には試験力を計測するためのロードセル６が固定されている。このロードセル６を介して上部の曲げ試験治具（負荷治具７）が固定され、ベース２の上面には負荷治具７と対向するように下部の曲げ試験治具（受け治具８）が配置されている。ここで、負荷治具７は円柱部材からなる２つの支点を備え、受け治具８も円柱部材からなる２つの支点を備えている。負荷治具７の支点間の距離は受け治具８の支点間の距離より小さい。この２つの曲げ試験治具を利用して４点曲げ試験が行われる。なお、受け治具８の支点間距離は、支点それぞれの左右方向のスライド機構等により、試験される材料の性質に応じて変更できるようにしてある。また、負荷治具７の支点間距離は、複数の負荷治具７を用意して取り替えることで変更することができる。

曲げ試験される供試体Ｓは受け治具８の２つの支点間に渡されるように載置される。ネジ棹３の回転に伴ってクロスヘッド５が下降することで上から押圧する試験力が試験片Ｓに与えられ、試験片Ｓに曲げ力が加えられる。試験片Ｓに与えられる力はロードセル６で計測され、また、試験片Ｓの曲がり量は別途試験片Ｓに装着されるたわみ計の出力またはそれに相当する負荷機構（クロスヘッド）の移動距離などによって計測され、試験片Ｓの材料としての特性が測定され演算される。

曲げ試験装置としては図１に示した試験装置本体１の他に機械系を駆動するための制御装置や、操作のための入力装置、試験結果を表示するための出力装置などが備わっている。それらは図１では図示を省略している。また、試験装置としての負荷機構はネジ棹式に限られるものではなく、その他の負荷機構、すなわち、電磁式、油圧式、空圧式などでもよい。

本発明の曲げ試験装置は上述の負荷治具７として以下に説明する曲げ試験治具を使用したことが特徴である。そのような曲げ試験治具を使用することで治具自身の変形が十分小さく正確な曲げ試験を実施することができる。

本発明の特徴部分である曲げ試験治具（負荷治具７）は次の（１）から（５）の手順で製造される。ただし、下記（２）と（３）と（４）の順番は、どれを先に行っても効果に違いはないので、互いに入れ替えて実施してもよい。

（１）略直方体のブロック１０を用意する。これは一般的には鉄やステンレス系の材料を利用すればよいが、使用する試験力の大きさによっては他の非鉄金属や樹脂系の材料を使用することもできる。図２は用意したブロック１０の概略図である。説明の都合上、直方体の６つの面に図のような名称をつける。図２で、下側の面をＡ、左側の面をＢ、上側の面をＣ、右側の面をＤ、手前側の面をＥ、奥側の面をＦとする。すなわち、面Ａから面Ｄが周方向に並んでおり、他の２面（面Ｅと面Ｆ）が互いに対向している。

次に、図３（面Ｅの方向から見た図）に示すように、面Ｅから面Ｆに向かって貫通する穴１１と穴１２を穿設する。この穴１１と穴１２の直径は同一であって、後述する円柱部材１３、１４が嵌まり込む大きさである。穴１１と穴１２の中心軸は互いに平行であり、それぞれの軸は面Ａから面Ｄに対しても平行である。また穴１１と穴１２の両方の中心軸が含まれる平面は面Ａと平行である。

（２）図４（ａ）と（ｂ）に示すように、面Ａの部分を面Ａと平行となるように削っていき、穴１１と穴１２の端にかかるまで削る。図４（ａ）は面Ｅの方向から見た正面図であり、図４（ｂ）はその右側面図（面Ｄの方向から見た図）である。面Ａを削った結果できた面が面Ａ’である。このとき、面Ｅと面Ｆの部分は厚さＷの分だけ削らずに残しておく。この部分はフランジ形状となっており、後述する円柱部材１３、１４の両端が嵌まり込む部分である。

（３）図４（ｃ）に示すように、面Ｂの部分を面Ｂと平行となるように削っていき、穴１１の端にかかるまで削る。図４（ｃ）は面Ｅの方向から見た正面図であり、面Ｂを削った結果できた面が面Ｂ’である。このとき、面Ｅと面Ｆの部分は厚さＷの分だけ削らずに残しておく。この厚さＷは面Ａ’を形成したときに残した厚さと同じである。

（４）図４（ｄ）に示すように、面Ｄの部分を面Ｄと平行となるように削っていき、穴１２の端にかかるまで削る。図４（ｄ）は面Ｅの方向から見た正面図であり、面Ｄを削った結果できた面が面Ｄ’である。このとき、面Ｅと面Ｆの部分は厚さＷの分だけ削らずに残しておく。この厚さＷは面Ａ’を形成したときに残した厚さと同じである。

（５）図５に示すように、穴１１と穴１２と嵌合する大きさの円柱部材を２つ用意し、穴１１には円柱部材１３を差し込み、穴１２には円柱部材１４を差し込む。図５（ａ）は面Ｅの方向から見た正面図であり、図５（ｂ）はその右側面図（面Ｄの方向から見た図）である。円柱部材１３、１４の軸方向の長さは面Ｅと面Ｆとの間の距離と同じとすることが適当であるが、それより長くても支障はない。そして、円柱部材１３、１４の両端の部分は面Ｅと面Ｆに残されたフランジ形状部の円形の穴に嵌まり込むので、その部分でブロック１０に固定される。図５に示すものが負荷治具７の最終的な形状である。

上記の円柱部材１３、１４としては、ブロック１０と同じように、一般的には鉄やステンレス系の材料を利用すればよいが、使用する試験力の大きさによっては他の非鉄金属や樹脂系の材料を使用することもできる。

上述の手順で製造された負荷治具７は次のような構造となっている。４点曲げ試験において上部支点となる円柱部材１３、１４は略直方体ブロック１０の対向する面Ｅと面Ｆに残された円形の穴でブロック１０に固定されブロック１０と一体化している。円柱部材１３、１４の端以外の中間部分では、ブロック１０に形成された円柱部材１３、１４と同形状の円筒形部分（貫通穴１１と１２の内面の残された一部の面）によって背後から上側面及び内側面が支えられるとともに、その下側（面Ａの側）と外側（円柱部材１３にとっては面Ｂの側、円柱部材１４にとっては面Ｄの側）が外部に露出している。この露出部分が４点曲げ試験を実行する際に試験片に当接する部分となる。

このような負荷治具７は、上部支点となる円柱部材の背後が負荷方向（上下の方向）および分力の発生する横方向（内側方向）の両方とも座面によって支持されていることになるので、支点が大きく変形することがなく、押込み深さが深くなっても正しい４点曲げ試験を行うことができる。

なお、受け治具８についても上述の負荷治具７の製造方法と同様な方法を採用して製造すれば、負荷によって変形しにくい下部支点を得ることができる。また、上述の説明では負荷治具７をロードセル６と連結する構造などについては説明しなかったが、ブロック１０の面Ｃに結合用ネジ穴を設けるなどしてロードセル等に連結することは容易である。

本発明の曲げ試験装置の概略構成図である。 負荷治具の材料となるブロックを説明する図である。 負荷治具の製造方法を説明する途中の図である。 負荷治具の製造方法を説明する途中の図である。 負荷治具の最終形状を説明する図である。 ４点曲げ試験を説明する図である。

符号の説明

１…試験装置本体、２…ベース、３…ネジ棹、４…ヨーク、５…クロスヘッド、６…ロードセル、７…負荷治具、８…受け治具、１０…ブロック、１１…穴、１２…穴、１３…円柱部材、１４…円柱部材、Ｓ…試験片

Claims (3)

1. 次の工程からなる曲げ試験治具の製造方法。
   （１）略直方体のブロックに、このブロックの周方向に並んだ４つの面（並んだ順番にＡ面、Ｂ面、Ｃ面、Ｄ面とする）と略平行であって、２つの貫通穴の中心軸は互いに平行であり、かつ、２つの貫通穴の中心軸を含む平面は前記４つの面のうちの一つの面（Ａ面とする）と平行である、という性質を有する２つの貫通穴を穿設する。
   （２）前記４つの面以外の２つの面（Ｅ面、Ｆ面とする）を所定の厚さで残しつつ、前記Ａ面側から前記２つの貫通穴に達するようにＡ面を平面状に削る。
   （３）Ｅ面およびＦ面を前記所定の厚さで残しつつ、Ｂ面側から、Ｂ面に近い方の前記貫通穴に達するようにＢ面を平面状に削る。
   （４）Ｅ面およびＦ面を前記所定の厚さで残しつつ、Ｄ面側から、Ｄ面に近い方の前記貫通穴に達するようにＤ面を平面状に削る。
   （５）前記貫通穴と嵌合する直径であってＥ面とＦ面間の距離以上の長さを有する円柱部材をＥ面およびＦ面に残された２つの貫通穴にそれぞれ差し込む。
   ただし、上記（２）、（３）、（４）の順番は互いに入れ替えてもよい。
2. 略直方体のブロックと、このブロックに嵌め込まれた互いに平行な２本の円柱部材からなり、前記ブロックのうち互いに対向する２面の面部分で前記２本の円柱部材のそれぞれの端部を保持し、前記円柱部材の中間部は前記ブロックに形成された前記円柱部材の形状と同一な円筒形状の面によって上側面及び内側面が支持されるとともに、前記２本の円筒部材の中間部の下側面と外側面が外部に露出していることを特徴とする曲げ試験治具。
3. 試験片に対して試験力を与える負荷機構と、前記試験片に負荷された試験力を計測する試験力計測機構と、試験片の歪みを計測する歪み計測機構と、試験片を保持する試験治具を備える曲げ試験装置において、
   請求項２に記載された第１の曲げ試験治具と、この曲げ試験治具の２つの前記円柱部材間の距離よりも大きな間隔を有する２つの平行に配置された負荷ピンを有する第２の曲げ試験治具を備え、この２つの曲げ試験治具の間に前記試験片を配置して４点曲げ試験を行うことを特徴とする曲げ試験装置。

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