JP3187918B2 - セラミックス用超音波疲労試験治具 - Google Patents
セラミックス用超音波疲労試験治具Info
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Description
疲労試験治具に関し、特にセラミックス試験片と超音波
振動ホーンの固定手段に関するものである。
装置として、試験片に超音波振動ホーンを当接し、この
超音波振動ホーンから試験片に振動を伝達することで、
疲労強度を測定する疲労試験治具が知られている。この
ような疲労試験治具は、金属試験片であれば、例えば図
9に示すように、金属試験片1の端部に突出される凸部
1aを超音波振動ホーン2の雌ネジ2aにネジ止め固定
する。また、セラミックス試験片であれば、図10
(A)、(B)に示すように、接着剤7によりセラミッ
クス試験片3、5を超音波振動ホーン4、6に接合した
ものが知られている。
うな従来の超音波疲労試験治具における試験片の固定手
段によると、セラミックスが本来脆弱な材料であること
から、セラミックス試験片と金属製の超音波振動ホーン
との接合はなかなか困難であった。 例えばネジ止めによると、セラミックス試験片にネ
ジ切り部を形成することはセラミックスの特性上困難で
あり破損しやすくまたネジが緩みやすいだけでなく、こ
のような疲労試験用試験片の使途には適さないという欠
点がある。
音波振動ホーンを固定するものでは、疲労試験時接着剤
自体が疲労し、試験片が破断する前に接合部分で剥離し
てしまい、高サイクル疲労試験を行うことは困難であ
り、また試験片と超音波振動ホーンのセットに接着剤の
乾燥時間等が長くかかることから作業時間を要し、さら
にはセラミックス試験片と超音波振動ホーンとの芯がズ
レやすいため位置決めが難しく、またさらには超音波振
動ホーンの振動が接着剤層で吸収され緩和されて高応力
試験を行うことが出来ないという問題がある。
めになされたもので、セラミックス試験片と超音波振動
ホーンに芯ズレに伴う曲げ応力が発生しないように固定
し、振動子からセラミックス試験片に適切に超音波振動
を伝達するようにしたセラミックス用超音波疲労試験治
具を提供することを目的とする。
の本発明第1発明のセラミックス用超音波疲労試験治具
は、超音波振動ホーンの共振周波数と一致する共振周波
数に設定され、外周面に雄ネジ部を有する円柱状の振動
伝達部と、振動伝達部の端面にセラミックス試験片の端
面を面接触するように前記セラミックス試験片の端部外
周面を支持する環状部を有するとともに、前記雄ネジ部
に結合される雌ネジ部を有する締め込み具と、前記雄ネ
ジ部に結合される雌ネジ部を有するリングとを備え、前
記治具本体が端部外周部寸法を減じた段部を有し、前記
リングのセラミックス試験片側と反対側で前記治具本体
の外径と前記リングの外径とがほぼ同等に設定されてい
ることを特徴とする。
労試験治具は、治具本体の端部に形成される凹部であっ
て、前記超音波振動ホーンの共振周波数と一致する共振
周波数に設定され、内周面に雌ネジ部を有する治具本体
凹部と、この治具本体凹部の底面にセラミックス試験片
の端面が面接触するように前記セラミックス試験片の端
部外周面を支持する内周壁を有するとともに、前記雌ネ
ジ部に結合される雄ネジ部を有する締め込み具とを備え
たことを特徴とする。本発明第3発明のセラミックス用
超音波疲労試験治具は、前記内周壁に、前記凹部の深部
側で拡がるテーパ面を形成していることを特徴とする。
よると、セラミックス試験片と振動伝達部とを面接触さ
せて締め込み具およびリングによりネジ止め固定するた
め、その接触面に垂直な軸方向に押付け力が働くように
両者が固定されるため、セラミックス試験片に芯ズレに
伴う曲げ応力を発生させることなく振動伝達部にセラミ
ックス試験片を固定し、かつ振動伝達部からセラミック
ス試験片に適切に超音波振動を伝達することができる。
また、共振の乱れや治具の発熱が少なく、治具の熱膨張
による振動の乱れが低減されるので、安定した超音波疲
労試験を行なうことができる。
明する。本発明の第1実施例を図1〜図3に示す。図2
に示すように、ランジバン型の超音波振動子10は、高
周波電圧源11によって高周波振動が付与される。超音
波振動子10には超音波振動ホーンが接続され、超音波
振動子10で発生した振動を拡大して伝達する。本発明
の治具は、治具本体とリング16と締め込み具18から
なる。治具本体12の端面12c近傍の外周には雄ネジ
部12dが形成される。
波振動子10側ほど大きくなるように形成されている。
また円錐部12bの軸方向長さは、超音波振動子10の
共振周波数と治具本体12の共振周波数が一致する長さ
となっている。治具本体12の材質は、例えばチタンま
たはチタン合金が望ましい。これは、チタンが堅牢性に
優れかつ軽量でことから振動伝達部負担を少なく振幅を
大きくすることが可能であり、線膨張率が小さいことか
ら疲労試験中の発熱による寸法変化が少ないこと等によ
る。本発明の振動伝達部の材質はこれに限られるもので
はない。そして治具本体12の端面12cにセラミック
ス製の試験片15のテーパ部15aの端面が当接され
る。図3に示すように、この場合のセラミックス試験片
15は、断面円形の逆円錐台状のテーパ部15a、円柱
部15b、円錐部15c、細柱部15d、円錐部15e
および円柱部15fからなる。試験片15の端部は、テ
ーパでなく、ボタンヘッド型でもよい。また、試験片
は、以上に示した形状に限定されるものではない。
1に示すように、リング16と円筒状締め込み部18と
からなる。リング16は、その雌ネジ部16aが治具本
体12の外周の雄ネジ部12dにネジ結合され、締め込
み具18は、その内壁に形成されるテーパ状斜面18b
がテーパ部15aに面接触により当接し、雌ネジ部18
aが治具本体12の外周の雄ネジ部12dにネジ結合さ
れる。締め込み具18をネジ止めすることにより、軸圧
縮力を作用させてテーパ部15aが治具本体12の端面
12cに均一に面接触されて固定される。また締め込み
具18を上部からリング16で締め込むことにより、疲
労試験中の締め込み具18のゆるみやガタツキを防止す
ることができるという効果がある。これにより、金属製
の治具本体12とセラミックス製の試験片15とが局部
応力を増大させることなく接合され、しかも治具本体1
2からセラミックス試験片15に適切に振動が伝達され
る構成となっている。この場合、図2に示すように応力
曲線Aと振幅曲線Bが表わされる。
段と従来の比較例による試験片固定手段とを比較する振
動負荷試験を行った。その結果を次に示す。試験片は窒
化珪素試験片を用いた。第1実施例による試験治具を用
いた場合、振動繰り返し数2×107 回で試験片が破断
した。これに対し、比較例による接着剤(アラルダイ
ト)で試験片を固定した場合は、振動繰り返し数5×1
05 回で接着部で剥離した。比較例では、試験片は破断
せず、従って疲労強度の測定が不能であった。
実施例による治具本体を示す。図4に示す第2実施例の
治具本体20は、先端部にホーン取付部20cが形成さ
れる。図5に示す第3実施例の治具本体21は大径円柱
部21aと小径円柱部21bとからなる。大径円柱部2
1aの端部にホーン取付部21dが形成される。図6に
示す第4実施例の治具本体22は、横断面が円形でその
径が先端にいくに従い緩やかに細くなる柱状部22aか
らなる。柱状部22aの端部にホーン取付部22cが形
成される。
21、22は、いずれも前記第1実施例の治具本体12
に代えて用いることができる。さらに、本発明の第5実
施例および第6実施例を図7および図8に示す。図7に
示す第5実施例は、治具本体32の外径とリング16の
外径とをほぼ同等にし、段部32eでの外径に段差を生
じないようにした例である。すなわち、治具本体32の
端部に段部32eを介して外径が小径の円柱状の先端部
32aを形成する。この先端部32aの外周に雄ネジ部
32dが形成される。その他の部分は、図1に示す構成
と実質的に同様であるので、図1と実質的に同一の構成
の部分については同一の符号を付し、説明を省略する。
とリング16と治具本体32との間に外径が均一な段差
のない形状としたので、共振の乱れや治具の発熱が少な
くなり、治具の熱膨張による振動の乱れが低減されるの
で、安定した超音波疲労試験を行なえる効果がある。図
8に示す第6実施例は、治具本体42の端部底面に凹部
42aを形成し、この凹部42aに締め込み具48を内
装し、締め込み具48と治具本体42との間の段部を解
消した例である。
aの底面42cにセラミックス試験片15のテーパ部1
5aの端面が当接する。このテーパ部15aに環状の締
め込み具48のテーパ内周面48bが当接し、締め込み
具48の雄ネジ部48aが凹部42aの雌ネジ部42d
にネジ結合固定されている。これにより、締め込み具4
8と治具本体42との間の段部が解消される。従って、
従来締め込み具とホーンとの段部で生じていた不安定な
治具本体分がなくなり、ホーンの振動を安定してセラミ
ックス試験片15に伝達できる。このため、締め込み具
48等の熱膨張により共振周波数がずれてしまうという
問題は解消されるので、安定した振動伝達による超音波
疲労試験を行なえるという効果がある。
生した縦振動を超音波振動ホーンで増幅し、治具本体1
2で伝達し、その先端部に当接される試験片15を共振
させる。すると、図2に示すように、試験片15に振動
の大きい部分と振動の極めて小さい部分と生じる。振動
の節は応力が最大で、縦振動の繰り返しより最大応力部
分で疲労破壊する。このときの応力と振動の回数により
疲労強度が判る。この試験装置によると、高周波数の振
動を試験片に付与することができるから、短時間でセラ
ミックス等の評価試験を行うことができる。
クス用超音波疲労試験治具によると、セラミックス試験
片と振動子が接合部で芯ズレに伴う曲げ応力を発生させ
ないでセラミックス試験片を振動子に適切に接合される
ため、超音波疲労試験によって高サイクル疲労強度の迅
速な評価を行えるという効果がある。
と治具本体の接合部分を示す概略断面図である。
試験治具を示す側面図である。(B)はその治具の軸方
向の応力曲線および振幅曲線を示す特性図である。
を示す側面図である。
図である。
図である。
図である。
す概略断面図である。
す概略断面図である。
概略断面図である。
部分を示す概略断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 超音波振動ホーンの共振周波数と一致す
る共振周波数に設定され、外周面に雄ネジ部を有する円
柱状の治具本体と、 治具本体の端面にセラミックス試験片のテーパ部端面を
面接触するように前記セラミックス試験片の端部外周面
を支持する環状部を有するとともに、前記雄ネジ部に結
合される雌ネジ部を有する締め込み具と、 前記雄ネジ部に結合される雌ネジ部を有するリングとを
備え、前記治具本体の振動伝達部に外周部寸法を減ずる段部を
有し、 前記リングのセラミックス試験片側と反対側で前記治具
本体の外径と前記リングの外径とがほぼ同等に設定され
ている ことを特徴とするセラミックス用超音波疲労試験
治具。 - 【請求項2】 超音波振動ホーンの端部に形成される凹
部であって、前記超音波振動ホーンの共振周波数と一致
する共振周波数に設定され、内周面に雌ネジ部を有する
治具本体凹部と、 この治具本体凹部の底面にセラミックス試験片の端面が
面接触するように前記セラミックス試験片の端部外周面
を支持する内周壁を有するとともに、前記雌ネジ部に結
合される雄ネジ部を有する締め込み具とを備えたことを
特徴とするセラミックス用超音波疲労試験治具。 - 【請求項3】 前記内周壁に、前記凹部の深部側で拡が
るテーパ面を形成していることを特徴とする請求項2記
載のセラミックス用超音波疲労試験治具。
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1992
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