振動、沖擊試驗夾具設(shè)計、制造及動態(tài)檢測

1、振動、沖擊試驗夾具設(shè)計、制造及動態(tài)檢測1引言振動和沖擊試驗夾具設(shè)計，有時被稱為不正規(guī)技術(shù)。當(dāng)人們看到一個有經(jīng)驗的夾具設(shè)計師不經(jīng)任何計算而設(shè)計出夾具，就加強(qiáng)了這種想法。如果某人要按分振動教材書去設(shè)計，他就會立即感到，諸如剛度矩陣也都用不上。于是這種想法就更進(jìn)一步加深了。一些夾具設(shè)計者，只計算一些簡支梁的振型，卻很少去計算整個夾具的響應(yīng)，只有及少數(shù)設(shè)計師能夠恰如其份地運用邏輯程序去闡述并成功地設(shè)計夾具。許多評論者認(rèn)為，對一個夾具不可能作出滿意的分析。所以一個成功的設(shè)計，部分靠運氣，部分憑經(jīng)驗。對夾具各個部分作出合理的逐步分析后，就能夠完成夾具的設(shè)計。夾具振動的誤差，不會超過10%或20%，這樣的誤

2、差通常是允許的。精度提得越高，需要花費的時間和努力就越大。在機(jī)械工程方面有一定學(xué)位的人，并不一定設(shè)計出好夾具；而許多沒有學(xué)位的人反到設(shè)計出優(yōu)秀的夾具。對于夾具設(shè)計者，有了機(jī)械制造與電子學(xué)的基礎(chǔ)，加上工程經(jīng)驗，特別是加工的經(jīng)驗。其次單位內(nèi)外的制造的能力,就能制造出一個好的夾具。2夾具的功用試驗樣品的安裝有二種方法，一種是直接安裝在振動臺臺面上（即動圈上），另一種是通過過渡裝置安裝在振動臺的臺面（即動圈）上，這種過渡裝置在振動和沖擊試驗中將其稱為夾具?？梢妸A具的功用，就是將振動臺（或沖擊機(jī)）的振動和沖擊能量通過機(jī)械連接不失真、不放大、一比一的傳遞傳給試件，從而保證試驗樣品經(jīng)受到所規(guī)定的試驗應(yīng)力，當(dāng)

3、然這是理想狀態(tài)。圖1給出的電機(jī)械方塊圖，表示振動試驗系統(tǒng)各部分的關(guān)系：實線表示電能傳遞路線，虛線表示機(jī)械能傳遞路線。3夾具基本要求上面已說了振動、沖擊試驗夾具的功用就是將振動臺（或沖擊機(jī)）產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給試件。夾具在總體設(shè)計方面所遇到的困難是必須設(shè)計出重量最小、剛性最大、在試驗頻率范圍內(nèi)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)共振的夾具。夾具設(shè)計往往取決于工程經(jīng)驗，夾具設(shè)計一般比較費時、費力，不僅要考慮夾具本身的特性，而且要盡量減少夾具與試件的相互影響。夾具設(shè)計應(yīng)包括分析和預(yù)計試件的最低階振型。夾具設(shè)計的理論計算主要包括剛度、質(zhì)量和固有頻率三個基本參數(shù)。剛度包括剛體平移、剛體旋轉(zhuǎn)及剛體彎曲；阻尼并不明顯地改變固有頻率，

4、僅改變振動幅值。影響固有頻率的二個要素為質(zhì)量和剛性。對于復(fù)雜夾具的固有頻率，Dunkerley方程提供了一種方法，即通過結(jié)合復(fù)合結(jié)構(gòu)元件中的非偶合型固有頻率來估計系統(tǒng)的固有頻率。夾具設(shè)計時必須進(jìn)行的幾個最基本設(shè)計如下。（1）夾具的固有頻率應(yīng)滿足試驗的頻率范圍許多產(chǎn)品的可靠性與環(huán)境試驗要求的試驗頻率范圍一般為102000Hz，所有試驗必須使用電磁振動臺。電磁振動臺是目前最先進(jìn)最常用的振動臺，其最低頻率一般為510Hz，最高頻率可達(dá)30004000Hz以上。為了滿足102000Hz試驗頻率范圍，在此頻率范圍，夾具的頻響特性要平坦，夾具設(shè)計和計算（或測定）時，其一階頻率應(yīng)高于最高試驗頻率。這對于小型

5、、簡單夾具是易做到的，但對大型復(fù)雜夾具則很困難甚至是不可能的。即使這樣，設(shè)計計算（或測定）夾具的一階固有頻率也應(yīng)高于試件的一階固有頻率，以避免發(fā)身夾具與試件的共振偶合。嘉峪檢測網(wǎng)提醒在確定試件的固有頻率時，可以把試件劃分為梁、板等元件，計算各個元件的固有頻率，然后用Dunkerley方程計算試件的固有頻率。（2）對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算，主要考慮振動臺的承載重量W和試驗加速度a。當(dāng)正弦振動試驗的最大加速度為a時，振動臺的正弦推力F應(yīng)大于W.a；當(dāng)隨機(jī)振動試驗的總均方根加速度值已知為arms時，振動臺的隨機(jī)推力F應(yīng)大于（W1+W2+W3）.arms。式

6、中：W1：試驗樣品重量，W2：夾具重量，W3：振動臺動圈重量。設(shè)計用來支撐試件的夾具，試件的尺寸和形狀是必不可少的，因為它們決定夾具的尺寸和形狀。你還必須試件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，試件和夾具的合成重心盡可能精確地落在振動臺的中心線上。溫度對夾具的性能也是有影響的，當(dāng)一夾具要用于溫度振動試驗時，就要注意這一點，高溫可使金屬產(chǎn)生塑性屈服，低溫可使材料冷脆。一個好的夾具至少應(yīng)滿足下列要求：（1）在整個試驗頻率范圍內(nèi)，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應(yīng)高于最高試驗頻率，還應(yīng)避免發(fā)生夾具與產(chǎn)品的共振耦合。（2）夾具與產(chǎn)品連接面上的各連接點的響應(yīng)要盡量一致，以確保試驗時激勵輸入

7、的均勻性。（3）夾具的剛度質(zhì)量比要足夠大。（4）夾具的阻尼要大，夾具共振時（第一階固有頻率），其品質(zhì)（放大）因數(shù)Q不應(yīng)大于4。（5）夾具的質(zhì)量最好是試件的24倍。通常在估算振動臺需要的推力的時，用此比值就行。（6）夾具橫向運動（指垂直于激振方向）要盡量小。接點的運動都一致是困難的，在某些頻率下，出現(xiàn)相位和振幅的差別，其差別有時最高到50：1，這從臺面上幾個加速度計的輸出中就能看到。一個好的設(shè)計能夠部分地使差別減至最小，而且能夠在實驗規(guī)范要求的頻率范圍內(nèi)，使得各加速度計之間的差別達(dá)到容許限度，很大程度上決定于夾具和振動臺的尺寸。無論你的設(shè)計和制造出的夾具多么好，如果合力超出振動臺規(guī)定的傾覆力矩，

8、運動將不再是線性的，而且各加速度計輸出差別很大。4夾具的基本形式夾具的種類繁多，差別很大，從專門用途以及設(shè)計上的差別可分為：（1）平板型夾具平板型夾具的作用是把試件與振動臺面連接起來，若沒有這樣的板，要使試件與振動臺面直接連接進(jìn)行振動試驗或沖擊試驗，就很少有這種可能性。此外這種板減少了對振動臺面上襯套的磨損以及襯套從臺面上脫出的危險。平板型夾具絕大部分是價值不大的消耗品，如簡單的平板。但有些需精心制作。如需長期的、大量的做試驗用，這些板就應(yīng)當(dāng)精心設(shè)計。實際的例子就是，把大量零件放到一塊大型轉(zhuǎn)接板上在大振動臺上做試驗，這要比只是單個或有限個零件放在小振動臺上做試驗經(jīng)濟(jì)得多。一般地講，過度板的尺寸

9、是任意的，直到和振動臺面的直徑一般大（有時允許稍微超出一些）。厚度可以從2.5cm到15cm任選。埋螺釘頭的孔一般是用平底打孔鉆鉆成。并用鋼制平墊圈（機(jī)加工并淬火）以保護(hù)肩部。（2）立方型夾具立方體夾具主要用于小型零構(gòu)件的振動沖擊試驗?？梢灾苯庸潭ㄕ駝优_上。也可以由過度板來固定。當(dāng)裝在頂面上的試件接受垂直方向的振動沖擊時，其它四個平面（在四周上）都能接受到平行方向的振動沖擊。四周上的任一快板均能轉(zhuǎn)900（在基平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)）用于經(jīng)受平行于基平面的二個方向的振動或四個方向沖擊（沖擊有正向沖擊和反向沖擊之分，故比振動多了二個方向）。立方體上有螺釘襯套，用螺釘連接板（或者與試件直接相連）。夾具上還必需有

10、連接氣、液、或電器的安裝孔。（3）過度架型夾具過度架型夾具主要用于整機(jī)產(chǎn)品的試驗，這種夾具要根據(jù)試驗樣品的形狀來設(shè)計。所以不同形狀的樣品，其夾具的形狀也不相同。過度架型夾具的形狀、剛度和強(qiáng)度要盡量接近樣品在實際使用中的情況。（4）L形夾具L形夾具的各部分可用螺接，亦可用粘結(jié)或焊接結(jié)合起來，或者用整塊料機(jī)械加工而成。（5）T形夾具T形夾具除了垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具相類似。試驗件可以同時固定在垂直平板的兩面，只要夾具比試件重，就很容易做到使試件/夾具的組合重心通過振動臺的軸線。除上述5種形式外，還有各種形式的夾具等。5夾具的材料和制作方法5.1制作的夾具材料在制作夾具的過程中，

11、通常是首先選擇制作方法，然后是選擇材料。就材料而言，材料的強(qiáng)度和疲勞特性在夾具設(shè)計中很少需要考慮。因為夾具高頻特性所要求的剛性使得夾具非常結(jié)實。很少因強(qiáng)度不足而損壞的。由于重量常常是夾具最關(guān)鍵的參數(shù)，所以鋁和鎂是最常用的材料。對同一尺寸大小的金屬而言，鋁（密度0.1磅/英寸3）比鎂（0.065磅/英寸3）重1/3，而鋼（0.3磅/英寸3）比鎂重四倍。嘉峪檢測網(wǎng)提醒某些鋁鎂合金的阻尼特性比鋼好，加工也便宜?？刂乒逃蓄l率的因素是E/，其中E是楊氏模數(shù)（磅/英寸3），是密度（磅/英寸3）。對于大多數(shù)金屬來說E/比值約為108。因此，為一些特殊設(shè)計精選材料并不會明顯改變其頻率特性。夾具設(shè)計者要考慮材料

12、的價格。一次購買大量的材料雖然貯存起來可能困難，但能節(jié)省資金。只要付給少量的附加費用，供應(yīng)者常常能夠粗略地把板材切割成最適用的尺寸。設(shè)計人員經(jīng)常要幫助他們的采購人員去尋找最好的供應(yīng)者。鎂在機(jī)械加工時，經(jīng)常要提醒有關(guān)著火的危險性。主要危險是精刨或鎂屑集中處,如有一個小顆粒被點著就會導(dǎo)致全部爆發(fā)。加強(qiáng)廠房管理就可以避免這種危險。5.2用整塊原材料機(jī)械加工制造夾具用一塊整塊材料經(jīng)機(jī)械加工來制作夾具是經(jīng)常用的方法，這是最快最省的方法。對于小試件來講，尤為正確。鎂材，機(jī)械加工最快最容易。全部金屬切削工作都能以最高的機(jī)械加工速度進(jìn)行。磨、鏜、鉆和插等都能以任何其他金屬加工難以達(dá)到的速度完成。鎂的切削速度比

13、鋁約快20%，是鋼的三倍。當(dāng)夾具是用螺釘將各部分連成一體時，會出現(xiàn)配合和預(yù)應(yīng)力問題。整體機(jī)械加工就避免了上述問題。當(dāng)然，試件裝到某一夾具上也需要用一些連接件。5.3.焊接夾具在振動試驗的早期，大約20世紀(jì)40年代-50年代，曾廣泛使用螺接家具。但其最明顯的缺點是不能防止夾具各部分的相對運動，造成波形有毛刺畸形，這樣鑄造夾具就普遍被采用了。由于鑄造夾具成本高，生產(chǎn)周期長，因此導(dǎo)致目前又普遍使用焊接夾具。許多試驗計劃又不允許將機(jī)動時間用于鑄造夾具，正如我們見要看到的另外幾種方法，正在受到歡迎。因為它們更節(jié)省費用和時間。在機(jī)加工中發(fā)現(xiàn)一個有趣的對比：現(xiàn)在80%是焊接的，20%鑄造的。焊接夾具很早就使

14、用過，但并不十分成功。焊件時常破壞，許多焊件在振動載荷下斷裂。但焊接夾具比鑄造夾具省時間（是鑄造時間的1/7），費用節(jié)省，是鑄造的1/3，隨當(dāng)今焊接技術(shù)的不斷提高，焊接夾具已用得愈來愈多。5.4螺接夾具螺接夾具加工簡單，但要想要獲得很好的性能，無論在設(shè)計方面還是在制作方面都需要作相當(dāng)大的努力。因此，通常是首先考慮用一塊整材經(jīng)機(jī)械加工和焊接夾具。不管怎么說，振動試驗新手總想至少來一次螺接夾具的嘗試。螺接是連接各部件的常用合理方法。但它不是指夾具各部分。在某些情況下（尤其是在試件的四周安裝夾具）螺接是唯一的解決的辦法。關(guān)于夾具和激振器螺接的好多事項，也適用于夾具中幾個部件螺接在一起的情況以及把試件

15、螺接到夾具上的情況。在螺接夾具中有二個主要要求：（1）配合面要加工到很高的配合精度。（2）螺栓的預(yù)緊力比計算的最大分離力至少要大10%。如果沒有足夠的預(yù)緊力，部件會脫開相互撞擊。因為這個問題很重要，如果忽視了，在正弦和隨機(jī)試驗中會帶來一些麻煩。當(dāng)部件互相脫開又碰撞在一起時就會引起撞擊。（這就是在振動時間歷程圖上見到的“毛刺”）。這種撞擊常常會造成超過試驗規(guī)定的應(yīng)力和頻率范圍。從而導(dǎo)致試件不應(yīng)有的（而且不許可的）損壞，同時也造成試驗控制很困難，例如試驗中斷。為了使裝配好的零件總是結(jié)合在一起，必須大量使用高強(qiáng)度螺釘，并擰緊之。螺栓間距一定要小，否則螺栓間的跨度會發(fā)生共振。用大型夾具并要求試驗到20

16、00Hz,則螺栓間距不得超過75mm。用螺栓壓住簿的聚脂簿條或表面敷有涂層的布條有助于防止局部運動。由于鋁材和鎂材柔軟,螺栓應(yīng)用粗制而不是精制螺紋。如果夾具要多次拆卸,螺紋應(yīng)加鋼制螺紋襯套。螺栓頭應(yīng)緊壓在淬過火的鋼制平墊圈上,以保護(hù)螺栓頭下面的肩部。要注意防止依靠螺栓受剪傳遞振動力的危險性，除了小部件或在低加速度情況下，一般不要單獨依靠螺栓傳遞這種力，如可能的話，用某些方法增加各部件之間的摩擦力。5.5鑄造夾具在要求有曲面的地方（特別是弧度不是常數(shù)）應(yīng)考慮用鑄造夾具。任何奇形怪狀的試件它都能適應(yīng)，能滿足多方面設(shè)計要求，如要求一定的厚度的截面，變剖面，很多角撐板復(fù)雜截面等。鑄造夾具的設(shè)計指標(biāo)是頻

17、率/重量之比最大。用鑄造的最大理由就是鑄造合金的阻尼相當(dāng)高。但是，這種合金的加工性能或焊接性能都不好。例如，某些鑄鐵比鋼的阻尼高。對于夾具來說，已知最好的合金是KIA鎂（含0.7%鋯），建議使用AZ91T4（含1%的鋅）、AZ92T4（含2%的鋅）。AZ91T4C可以鑄造后焊接。阻尼能降低輸出輸入比，減少共振的幅度，在較高的試驗頻段上傳遞特性隨之迅速下降。對阻尼已做過許多研究。雖然不能全部了解，但已證明：具有高阻尼的合金都具有下列共同的因素：（1）合金含量低，（純鎂比合金要好，但其他性能不好）；（2）相當(dāng)粗糙的粒度（砂鑄比壓鑄號）；（3）屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)停ㄈ菀兹〕銮都?；?）在鑄造狀態(tài)性能最好

18、（一經(jīng)加工，阻尼要損失）。5.6粘接夾具粘接很小的夾具比焊接夾具要快而且便宜得多（對于大型夾具最好用焊接，但有一個溫度限制問題）況且，這個工藝過程通常在實驗室本身的能力范圍內(nèi)就能完成，只要粗略的草圖作指導(dǎo)，實驗室技術(shù)人員就能完成整個任務(wù)。用金屬膠代替緊固件必須加高溫，用某些環(huán)氧樹脂就能完成緊固工作。在環(huán)氧樹脂固化過程中，有時用螺栓而不用夾具或卡具來固定試驗夾具各部分的相對位置。5.7疊層夾具疊層膠接技術(shù)可用于制造大型的，重量有輕的夾具。大家都知道膠合板夾具已經(jīng)很成功地用到試驗上了，所覆蓋的頻率范圍最高可到55Hz。尺寸大約450mm450mm450mm的夾具，可連一個40Kg的電子設(shè)備到振動臺

19、上。正因如此，當(dāng)接近較高的的試驗頻率，如2000Hz時，夾具有嚴(yán)重的共振，而這種夾具可以設(shè)計得相當(dāng)輕而且阻尼大，所以對共振也就不是什么大的難題。5.8環(huán)氧樹脂成形夾具用環(huán)氧樹脂（可能還有其他更好的材料）能很方便地制造出拚湊式曲面板。相比之下，這種方法既節(jié)約有省工時。亦有用環(huán)氧樹脂按試件原樣成功地塑造成夾具，當(dāng)然試件要用脫模劑，以免環(huán)氧樹脂同試件粘連。在環(huán)氧樹脂固化之后脫模，就形成了與試件完全相配的夾具。為固定試件，嵌入鋼制螺紋螺套，為便于將夾具螺接到振動臺上，鉆孔稍大些。較普遍的方法是，用環(huán)氧樹脂粘到一塊轉(zhuǎn)接板上。5.9.灌臘（封裝）夾具對于很小的零件，有一個有用的技術(shù)，就是把它裝入某種材料中

20、，而這種材料在完成振動、沖擊或離心試驗以后能夠容易的去掉，石臘就是這樣一種材料。在試驗以后，只要把夾具放入烘箱內(nèi)加溫（5070）直到石臘能夠倒出來為止。這樣的夾具還可節(jié)省試驗費用。6與臺面的螺接試件與夾具之間、夾具各部分之間及夾具和振動臺之間大多采用螺栓連接。夾具一振動臺螺連時，螺栓承載的最大載荷為：F=(m1+m2+m3)a其中：a：是正弦或隨機(jī)振動的峰值，單位為g。F：螺栓承載的最大載荷對每一螺釘，要將F除以螺釘數(shù)，得到每個螺釘所承受的最大載荷，再除以螺釘面積，就得到拉伸應(yīng)力。m1：夾具重量m2：樣品重量+動圈重量m3：動圈重量為了避免臺面與夾具分離以及螺釘疲勞破壞，每個螺釘至少要能承受這么大的應(yīng)力值。試驗人員使用用力矩扳手?jǐn)Q緊螺栓，扭矩至少擰到表額定扭矩值的3/4，因為一旦超過了“屈服”力，隨著螺栓的伸長，螺栓的擰緊程度增加甚微。如果比“屈服力”大得多，螺栓就要剪斷或拉斷。7夾具的動態(tài)檢測為了保證振動和沖擊試驗的正確性，夾具在使用前還應(yīng)進(jìn)行動態(tài)檢測，