JP5970298B2 - 二軸引張試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば薄板材料の二軸引張試験に利用される引張試験装置に関し、単軸引張試験機や回転駆動装置等の汎用の設備を利用して、簡易な手段により二軸引張試験を行うことができる二軸引張試験装置に関するものである。

従来、二軸引張試験装置として、例えば特許文献１及び非特許文献１に示される技術が知られている。この文献に示される二軸引張試験装置では、十字形の薄板試験片を把持するための互いに直交する二軸方向に移動可能なつかみ治具が、二軸の四方向に沿って配置された油圧シリンダの引張試験軸にそれぞれ固定されている。そして、この二軸引張試験装置によれば、これら４台の油圧シリンダの駆動によってつかみ治具に把持された薄板試験片を四方向に引っ張り、これによって試験片に対し二軸引張試験を行うことが可能な構成とされている。

ところで、上記のような二軸引張試験装置では、直交する二軸に沿った四方向に試験片をそれぞれ引っ張るための油圧シリンダを４台用いることが必要であり、これら４台の油圧シリンダを四方向に同期させて駆動することや、それら油圧シリンダ同士の軸合わせが困難であるという問題があった。
また、非特許文献１に記載された技術では、互いに直交する軸上に配置される油圧シリンダのうち、同一軸上に配置される２台の油圧シリンダは、同一の油圧源から圧油が供給され、しかも、パンタグラフ等の等変位機構によって、同一軸上に配置される２台の油圧シリンダの変位が強制的に等しくなるように設定されている。しかしながら、この場合にあっても、互いに直交する軸上に配置される油圧シリンダ同士の変位を同期させる調整が必要であった。

そこで、前述のような問題を解決する手段として、例えば、特許文献２には、互いに平行に配置されて相対回転可能に配置された一組の回転板と、この回転板の回転軸線を中心に周方向に９０度おきに設けられた４つのリンク組を備え、１台の油圧シリンダ等の駆動手段で、互いに直交する第一軸及び第二軸に沿った四方向への引張試験が可能な二軸引張試験装置が開示されている。

特許文献２に記載された二軸引張試験装置によれば、引っ張り動作を四方向について互いに同期させて行うことができるとともに、従来の４台の油圧シリンダを用いた機構のような互いに直交する軸同士間の軸合わせ（油圧シリンダ同士の変位を同期させる調整）が不要となる。

特開平０６−１０９６０９号公報 特開２０１０−２１０４４２号公報

塑性と加工（日本塑性加工学会誌）第４０巻第４５７号（１９９９−２）１４５〜１４９ページ「十字形試験片を用いた２軸引張試験による冷間圧延鋼板の等塑性仕事面の測定と定式」

ところで、特許文献２に開示された二軸引張試験装置においては、１台の油圧シリンダ等の駆動手段によって第一軸方向に移動するリンク組同士が互いに離間するように引っ張ることにより、第二軸方向に移動するリンク組同士が互いに離間するように移動し、二軸の引張り試験が実施される構成とされている。

ここで、油圧シリンダ等によって第一軸方向に引っ張られるリンク組には、引張応力が作用することになる。一方、第二軸方向に移動するリンク組においては、回転板によってリンク組が互いに離間する方向に押圧されて移動することから、圧縮応力が作用することになる。
よって、第一軸方向に移動するリンク組は伸びる方向に変形し、第二軸方向に移動するリンク組は縮む方向に変形することになる。このため、第一軸方向に移動するリンク組と第二軸方向に移動するリンク組との長さが異なることになり、第一軸方向と第二軸方向とで引張試験時のリンク部材のひずみに差が生じ、二軸引張試験を精度良く実施することができないおそれがあった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、単軸引張試験機や回転駆動装置等の汎用の設備を利用して直交する第一軸及び第二軸に沿った四方向への引張試験が可能となり、かつその引っ張り動作を四方向について互いに同期させて行うことができるとともに、第一軸方向と第二軸方向とで引張試験時のリンク部材の縮み量の差は無視できるほど小さく、二軸引張試験を精度良く実施することが可能な二軸引張試験装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明の二軸引張試験装置は、互いに直交する二軸の四方向に沿って試験片を引っ張ることにより該試験片の引張り試験を行う二軸引張試験装置であって、回転板と、この回転板を前記二軸の直交する点を中心軸として当該中心軸回りに回転させる回転駆動伝達部材と、ガイド部材によって直交する前記二軸の四方向のそれぞれに向かって移動可能な４つのスライダーと、一端が前記回転板に前記二軸に対して前記回転方向後方側で回転可能に連結されるとともに他端が各スライダーに連結された４つのリンク部材と、を備え、前記回転板が中心軸回りに回転することにより、前記スライダーが前記リンク部材によって前記四方向のそれぞれに向かって進退可能に移動する構成とされており、前記スライダーには、それぞれ前記試験片を保持するための試験片保持手段が直接的あるいは間接的に取り付けられており、試験片保持手段は前記スライダーと同じ距離だけ変位することを特徴としている。

このような構成とされた本発明の二軸引張試験装置においては、回転板を中心軸回りに回転させる回転駆動伝達部材を備えており、この回転駆動伝達部材によって回転板を回転させることにより、試験片を保持するための試験片保持手段が直接的あるいは間接的に取り付けられた４つのスライダーが互いに直交する二軸の四方向に沿って移動する構成とされていることから、回転駆動伝達部材を介して回転板を回転させる駆動手段のみを用いて、二軸引張試験を実施することが可能となる。

また、回転板を回転させることにより、４つのリンク部材が対応する４つのスライダーを押圧して移動させる構成とされているので、これら４つのリンク部材には、すべて圧縮応力が作用することになる。よって、第一軸方向と第二軸方向の変位量が同じ場合、第一軸方向と第二軸方向とでリンク部材の長さが異なることがなく、第一軸方向と第二軸方向とで引張試験時のリンク部材の縮み量に差が生じず、二軸引張試験を精度良く実施することが可能となる。また、第一軸方向と第二軸方向の変位量が異なり、例えば第一軸方向と第二軸方向の変位比が２対１の場合でも、圧縮応力による各方向のリンク部材の縮み量の差は無視できるほど小さいので、試験中の各リンク長さの比率は前記比率を保つことになり、この場合においても、二軸引張試験を精度良く実施することが可能となる。

ここで、前記回転駆動伝達部材は、一端が前記回転板に連結されるとともに他端が直線駆動手段に連結された駆動リンク部材であってもよい。
この場合、単軸引張試験機や油圧シリンダ等の直線駆動手段を用いることによって、回転板を中心軸回りに回転させることができ、二軸引張試験を簡単に実施することが可能となる。

また、前記試験片保持手段は、前記試験片の端部を掴む把持部と、前記スライダーに連結される支持部とを有し、これら把持部と支持部との間に付勢手段が設けられていてもよい。
この場合、把持部と支持部との間に設けた付勢手段の弾性係数（例えばばね定数）を適宜設定することによって、変位を荷重に変換し荷重制御による二軸に沿った四方向への試験片の引張試験が可能になる。

本発明によれば、単軸引張試験機や回転駆動装置等の汎用の設備を利用して直交する第一軸及び第二軸に沿った四方向への引張試験が可能となり、かつその引っ張り動作を四方向について互いに同期させて行うことができるとともに、第一軸方向と第二軸方向とで引張試験時のリンク部材の縮み量の差は無視できるほど小さく、二軸引張試験を精度良く実施することが可能な二軸引張試験装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態である二軸引張試験装置を示す正面説明図である。 本発明の第１の実施形態である二軸引張試験装置の全体を示す正面図であって、（ａ）は回転板、第１〜第４スライダーで構成される部分の正面図、（ｂ）は試験片保持手段部分の正面図である。 本発明の第１の実施形態である二軸引張試験装置の回転板、第１〜第４スライダーで構成される部分の詳細を示す正面図であって、（ａ）は第１及び第３スライダー並びに第２及び第４スライダーが互いに近接する方向に位置する状態を示す正面図、（ｂ）は第１及び第３スライダー並びに第２及び第４スライダーが互いに離間する方向へ移動した状態を示す正面図である。 本発明の第１の実施形態である二軸引張試験装置の動作を示す図である。 本発明の第２の実施形態である二軸引張試験装置の回転板、第１〜第４スライダーで構成される部分の正面図を示す正面説明図である。 本発明の第２の実施形態である二軸引張試験装置の動作を示す図である。 本発明の第３の実施形態である二軸引張試験装置の試験片保持手段部分の正面図である。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を図１から図４を参照して説明する。
図１は、互いに直交する第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２の四方向（矢印Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示す方向）に沿って十字形の試験片１を引っ張ることにより引張試験を行う二軸引張試験装置１０を示す図である。なお、十字形の試験片１の四方向には、引っ張り時に該試験片１において、互いに直交する方向の荷重に対して、試験片１中央部以外が変形の抵抗とならないようにスリットが形成されている。

ここで、図２（ａ）に示すように、本実施形態である二軸引張試験装置１０は、回転板１１と、この回転板１１を中心軸Ｏ回りに回転駆動させるための駆動リンク部材１５と、第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２の四方向に沿ってそれぞれ進退可能に移動する第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４と、一端が回転板１１に回転可能に連結されるとともに他端が第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４にそれぞれ連結された第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４と、を備えている。なお、本実施形態においては、第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４は、第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４の他端を軸支する支持ピンとされており、この支持ピンが第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２の四方向に沿って移動するように構成されている。

ここで、図１に示すように、第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４には、それぞれ上述の試験片１を保持するための第１〜第４試験片保持手段４１、４２、４３、４４が取り付けられている。
図２（ｂ）に示すように、上述した試験片１を保持する第１〜第４試験片保持手段４１、４２、４３、４４は、十字形状の試験片１の端部を掴む把持部４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａと、第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４に連結される支持部４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂ、４４Ｂと、を備えている。
また、第一軸Ｓ１に沿うように配置された把持部４１Ａと支持部４１Ｂの間および、把持部４３Ａと支持部４３Ｂの間のいずれか一方または両方、第二軸Ｓ２に沿うように配置された把持部４２Ａと支持部４２Ｂの間および、把持部４４Ａと支持部４４Ｂの間のいずれか一方または両方にそれぞれ荷重測定用のロードセルが設けられているが、図では省略されている。

ここで、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、本実施形態においては、第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４は、第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２に延在するガイド部材（図示無し）によって案内されるように構成されており、第１スライダー２１が矢印Ａ方向に、第２スライダー２２が矢印Ｃ方向に、第３スライダー２３が矢印Ｂ方向に、第４スライダー２４が矢印Ｄ方向に、それぞれ移動するように配置されている。

図２（ａ）に示すように、回転板１１は、軸部１２によって軸支されており、中心軸Ｏ回りに回転可能な構成とされている。本実施形態においては、回転板１１は、概略十字状をなしており、第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４が配設される第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２の四方向の領域が径方向内方に向けて凹むように切り欠かれている。
第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４は、その一端が回転板１１の径方向内方側部分に連結され、他方が第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４にそれぞれ連結されている。なお、図２（ａ）に示すように、本実施形態では、これら第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４の一端は、対応する第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４が移動する第一軸Ｓ１又は第二軸Ｓ２に対して回転方向Ｒ後方側部分に位置する領域に連結されている。

駆動リンク部材１５の一端は、回転板１１の径方向外方側部分、すなわち、切り欠かれた領域以外の部分に連結されている。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、駆動リンク部材１５の一端は、第一軸Ｓ１に対して回転方向Ｒ方向後方側部分に位置する領域に連結されている。
そして、図１に示すように、回転板１１は、駆動リンク部材１５の他端が油圧シリンダ５のロッド６の先端に連結され、この油圧シリンダ５のロッド６を出没させることによって、中心軸Ｏ回りに回転するように構成されている。

次に、上記構成の二軸引張試験装置１０の作用について説明する。
この二軸引張試験装置１０は、前述のように、油圧シリンダ５に連結されて使用されるものである。詳述すると、図１に示すように、回転板１１の軸部１２が固定されるとともに、油圧シリンダ５のロッド６の先端に駆動リンク部材１５の他端が連結される。なお、本実施形態では、油圧シリンダ５のロッド６の出没方向が第一軸Ｓ１と一致するように配置されている。

そして、図１及び図２（ｂ）に示すように、十字形状をなす試験片１の第一軸Ｓ１上の一端を第１試験片保持手段４１にて保持し、試験片１の第一軸Ｓ１上の他端を第３試験片保持手段４３で保持し、試験片１の第二軸Ｓ２上の一端を第２試験片保持手段４２で保持し、試験片の第二軸Ｓ２上の他端を第４試験片保持手段４４で保持する。このとき、試験片１の中心部分は、第一軸Ｓ１と第二軸Ｓ２との交点部分に位置することになる。

この状態で、図１に示すように、油圧シリンダ５によって駆動リンク部材１５を第一軸Ｓ１に沿ったＡ方向側に向けて引っ張る。すると、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、駆動リンク部材１５によって回転板１１が回転方向Ｒに向けて回転する。
この回転板１１の回転移動に伴って、第１リンク部材３１は、第１スライダー２１を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第２リンク部材３２は、第２スライダー２２を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第３リンク部材３３は、第３スライダー２３を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第４リンク部材３４は、第４スライダー２４を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧することになる。
ここで、図３（ｂ）に示すように、第１スライダー２１及び第３スライダー２３は、第一軸Ｓ１上を移動するようにガイドされているので、それぞれ矢印Ａ方向、矢印Ｂ方向へと移動する。また、第２スライダー２２及び第４スライダー２４は、第二軸Ｓ２上を移動するようにガイドされているので、それぞれ矢印Ｃ方向、矢印Ｄ方向へと移動する。ガイドの方法については、支持ピンとスライダーの間にレールのようなガイド部材を配置した板を設ける方法等がある。

これにより、図１及び図４に示すように、第１スライダー２１に取り付けられた第１試験片保持手段４１及び第３スライダー２３に取り付けられた第３試験片保持手段４３によって、試験片１が第一軸Ｓ１に沿って引っ張られることになる。
また、図１及び図４に示すように、第２スライダー２２に取り付けられた第２試験片保持手段４２及び第４スライダー２４に取り付けられた第４試験片保持手段４４によって、試験片１が第二軸Ｓ２に沿って引っ張られることになる。
このようにして、互いに直交する第一軸Ｓ１及び第二軸Ｓ２の四方向への二軸引張試験が実施される。

以上のような構成とされた本実施形態である二軸引張試験装置１０によれば、油圧シリンダ５によって駆動リンク部材１５を移動させて、回転板１１を回転方向Ｒに向けて回転させることにより、第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４が第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４を互いに直交する二軸の四方向に沿って移動させる構成とされており、これら第１〜第４スライダー２１、２２、２３、２４に試験片１を保持するための第１〜第４試験片保持手段４１、４２、４３、４４が取り付けられているので、一台の油圧シリンダ５によって、二軸引張試験を実施することが可能となる。

また、回転板１１の回転移動に伴って、第１リンク部材３１は、第１スライダー２１を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第２リンク部材３２は、第２スライダー２２を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第３リンク部材３３は、第３スライダー２３を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧し、第４リンク部材３４は、第４スライダー２４を回転板１１の中心軸Ｏから離間する方向に押圧する構成とされているので、これら第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４には、すべて圧縮応力が作用することになる。よって、第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４の長さが異なるように変形せず、第一軸Ｓ１と第二軸Ｓ２とで引張試験時の変位量に差が生じず、二軸引張試験を精度良く実施することが可能となる。

また、本実施形態では、回転板１１と第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４及び駆動リンク部材１５がそれぞれ異なる位置で連結されていることから、回転板１１や第１〜第４リンク部材３１、３２、３３、３４の面外変形が抑制され、二軸引張試験をさらに精度良く実施することができる。
さらに、本実施形態においては、回転板１１に径方向内方に切り欠かれた領域が形成されているので、回転板１１の軽量化を図ることができる。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態である二軸引張試験装置について、図５及び図６を用いて説明する。なお、この第２の実施形態において、前記第１の実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、第２の実施形態である二軸引張試験装置１１０においては、第二軸Ｓ２に沿って移動する第２スライダー１２２及び第４スライダー１２４に連結される第２リンク部材１３２及び第４リンク部材１３４の長さが、第一軸Ｓ１に沿って移動する第１スライダー１２１及び第３スライダー１２３に連結される第１リンク部材１３１及び第３リンク部材１３３の長さよりも、長くなるように構成されており、本実施形態では、２倍の長さとなるように構成されている。
また、回転板１１において、第２リンク部材１３２及び第４リンク部材１３４の一端が連結された位置の中心軸Ｏからの径方向長さｒ２、ｒ４は、第１リンク部材１３１及び第３リンク部材１３３の一端が連結された位置の中心軸Ｏからの径方向長さｒ１、ｒ３の２倍とされている。

このような構成とすることにより、本発明の第２の実施形態である二軸引張試験装置１１０においては、図６に示すように、第二軸Ｓ２方向の変位量を第一軸Ｓ１方向の変位量よりも大きくした二軸引張試験を実施することが可能となる。具体的には、第二軸Ｓ２方向の変位量が第一軸Ｓ１方向の変位量の２倍とされている。このように、第１〜第４リンク部材１３１、１３２、１３３、１３４の長さ及び連結位置を調整することで、簡単に、第一軸Ｓ１方向の変位量と第二軸Ｓ２方向の変位量を異ならせた二軸引張試験を実施することができる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態である二軸引張試験装置について、図７を用いて説明する。なお、この第３の実施形態において、前記第１の実施形態で説明した構成要素と同一の構成要素については同一符号を付してその説明を省略する。

図７に示すように、第３の実施形態である二軸引張試験装置２１０においては、第１〜第４試験片保持手段２４１、２４２、２４３、２４４が、把持部２４１Ａ、２４２Ａ、２４３Ａ、２４４Ａ、と支持部２４１Ｂ、２４２Ｂ、２４３Ｂ、２４４Ｂと、を備えた構成とされ、これら把持部２４１Ａ、２４２Ａ、２４３Ａ、２４４Ａと支持部２４１Ｂ、２４２Ｂ、２４３Ｂ、２４４Ｂとの間に、該把持部２４１Ａ、２４２Ａ、２４３Ａ、２４４Ａを第一軸Ｓ１又は第二軸Ｓ２に沿う外方に付勢する引張ばね２４１Ｃ、２４２Ｃ、２４３Ｃ、２４４Ｃが設けられている。

このような構成とすることにより、本発明の第３の実施形態である二軸引張試験装置２１０においては、把持部２４１Ａ、２４２Ａ、２４３Ａ、２４４Ａと支持部２４１Ｂ、２４２Ｂ、２４３Ｂ、２４４Ｂとの間に設けられた引張ばね２４１Ｃ、２４２Ｃ、２４３Ｃ、２４４Ｃのばね定数を適宜変更することによって、第一軸Ｓ１又は第二軸Ｓ２への応力比を変えた試験が可能となる

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、油圧シリンダによって回転板を回転させる構成として説明したが、これに限定されることはなく、単軸引張試験機によって、駆動リンク部材を直線移動させるものであってもよい。
あるいは、回転板に回転駆動装置からの駆動力を伝達する回転駆動伝達部材を設けて、サーボモータ等の回転駆動装置によって回転板を回転させてもよい。

また、本実施形態では、第１〜第４リンク部材の他端を軸支する支持ピンを、第１〜第４スライダーとして構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、他の構成のスライダーを使用してもよい。
さらに、回転板、リンク部材の形状は、本実施形態に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

１ 試験片
１０,１１０、２１０ 二軸引張試験装置
１１ 回転板
１５ 駆動リンク部材（回転駆動伝達部材）
２１、１２１ 第１スライダー
２２、１２２ 第２スライダー
２３、１２３ 第３スライダー
２４、１２４ 第４スライダー
３１、１３１ 第１リンク部材
３２、１３２ 第２リンク部材
３３、１３３ 第３リンク部材
３４、１３４ 第４リンク部材
４１、２４１ 第１試験片保持手段
４２、２４２ 第２試験片保持手段
４３、２４３ 第３試験片保持手段
４４、２４４ 第４試験片保持手段
４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａ、２４１Ａ、２４２Ａ、２４３Ａ、２４４Ａ 把持部
４１Ｂ、４２Ｂ、４３Ｂ、４４Ｂ、２４１Ｂ、２４２Ｂ、２４３Ｂ、２４４Ｂ 支持部
２４１Ｃ、２４２Ｃ、２４３Ｃ、２４４Ｃ 引張ばね（付勢手段）

Claims (3)

1. 互いに直交する二軸の四方向に沿って試験片を引っ張ることにより該試験片の引張り試験を行う二軸引張試験装置であって、
   回転板と、この回転板を前記二軸の直交する点を中心軸として当該中心軸回りに回転させる回転駆動伝達部材と、ガイド部材によって直交する前記二軸の四方向のそれぞれに向かって移動可能な４つのスライダーと、一端が前記回転板に前記二軸に対して前記回転方向後方側で回転可能に連結されるとともに他端が各スライダーに連結された４つのリンク部材と、を備え、
   前記回転板が中心軸回りに回転することにより、前記スライダーが前記リンク部材によって前記四方向のそれぞれに向かって進退可能に移動する構成とされており、
   前記スライダーには、それぞれ前記試験片を保持するための試験片保持手段が直接的あるいは間接的に取り付けられており、試験片保持手段は前記スライダーと同じ距離だけ変位することを特徴とする二軸引張試験装置。
2. 前記回転駆動伝達部材は、一端が前記回転板に連結されるとともに他端が直線駆動手段に連結された駆動リンク部材であることを特徴とする請求項１に記載の二軸引張試験装置。
3. 前記試験片保持手段は、前記試験片の端部を掴む把持部と、前記スライダーに連結される支持部とを有し、これら把持部と支持部との間に付勢手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の二軸引張試験装置。

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