對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)制造方法的探討

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)和國(guó)防事業(yè)的不斷發(fā)展，振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)從上世紀(jì)出現(xiàn)開始到現(xiàn)在得到了巨大的發(fā)展，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)與夾具的設(shè)計(jì)技術(shù)密切相關(guān)，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，需要設(shè)計(jì)出合格的試驗(yàn)夾具。本文闡述了夾具在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)中的重要性，總結(jié)了夾具的功能和性能指標(biāo)，對(duì)夾具的基本類型、材料使用、制造加工、安裝和動(dòng)態(tài)測(cè)試方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：夾具的功能；制作工藝；測(cè)試方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.016

0 概述

振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)中很重要的一個(gè)環(huán)境參數(shù)，無論是航天航空、武器裝備、軌道交通還是各種民用產(chǎn)品，在其儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中都會(huì)經(jīng)受到振動(dòng)、沖擊的環(huán)境影響，也是可靠性試驗(yàn)、環(huán)境應(yīng)力篩選及多因素綜合環(huán)境試驗(yàn)最基礎(chǔ)的項(xiàng)目。要在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際環(huán)境對(duì)受試產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，就必須借助于試驗(yàn)夾具，通過夾具將試樣與振動(dòng)、沖擊臺(tái)面連接起來，通過夾具將規(guī)定的環(huán)境譜不失真地傳遞給試樣，所以夾具的設(shè)計(jì)、制作及安裝水平直接關(guān)系到試驗(yàn)?zāi)芊耥樌麑?shí)施，產(chǎn)品能否經(jīng)受到規(guī)定的試驗(yàn)量級(jí)考核，若因?yàn)閵A具的設(shè)計(jì)、加工及安裝不合理，就會(huì)造成受試產(chǎn)品“過試驗(yàn)”或“欠試驗(yàn)”，直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)判，由此可知，試驗(yàn)夾具對(duì)試件的振動(dòng)沖擊起著決定性的作用。

1 夾具的功能

振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)夾具是將試驗(yàn)臺(tái)面與試樣連接起來，將規(guī)定的激振力傳遞給受試產(chǎn)品，主要有兩項(xiàng)功能：

1.1 連接功能

由于振動(dòng)臺(tái)面的螺栓孔有固定的尺寸和位置，不可能滿足各種產(chǎn)品在平臺(tái)上的安裝要求，所以就需要通過夾具，將被試產(chǎn)品固定在振動(dòng)臺(tái)面上；

1.2 傳遞功能

夾具是介于振動(dòng)臺(tái)面與被試產(chǎn)品之間的傳遞介質(zhì)，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)量值通過夾具傳遞給被試產(chǎn)品，用于模擬被試品在實(shí)際使用中所經(jīng)受到的振動(dòng)環(huán)境。

2 夾具的性能指標(biāo)

夾具的設(shè)計(jì)目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法，很多時(shí)候還依賴于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但一個(gè)理想的夾具需具備重量相對(duì)較小、剛度大、在規(guī)定試驗(yàn)頻率范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振等基本要求：

（1）夾具自身的第一階固有頻率應(yīng)大于規(guī)定的最高試驗(yàn)頻率，才能有效避免受試產(chǎn)品與夾具發(fā)生共振耦合，造成試樣不正當(dāng)損壞；

（2）受試產(chǎn)品與試驗(yàn)夾具連接面上各點(diǎn)的響應(yīng)要盡量一致，以達(dá)到振動(dòng)激勵(lì)量值1：1傳遞給試件；

（3）為提高夾具的第一階固有頻率，需選擇剛度/質(zhì)量比足夠大的材料制作；

（4）夾具的阻尼要足夠大，當(dāng)夾具發(fā)生共振，第一階固有頻率的品質(zhì)因數(shù)Q須小于4；

（5）夾具的質(zhì)量最好大于試件的兩倍以上，以減小受試產(chǎn)品與振動(dòng)夾具之間的相互映射作用；

（6）盡量減小夾具在垂直于振動(dòng)/沖擊方向上的橫向運(yùn)動(dòng)；

（7）振動(dòng)、沖擊波形失真要小，波形失真度在夾具的第一階固有頻率之前應(yīng)小于25%，在之后，應(yīng)小于60%。

3 夾具的種類

3.1 板狀?yuàn)A具

板狀?yuàn)A具（俗稱轉(zhuǎn)接板）是所有夾具中最簡(jiǎn)單的，其形狀有圓形或方形等適合具體產(chǎn)品的均可，對(duì)于小而多的試樣或者單個(gè)大型試樣都得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)板狀?yuàn)A具的厚度要求至少有20mm以上，才能保證其剛度，最好選用鋁鎂合金或鋁板材料加工制作。

3.2 立方體夾具

對(duì)于小型零構(gòu)件的振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，立方體夾具是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，受試產(chǎn)品在夾具的五個(gè)面上均可安裝，小型立方體夾具可用整塊鋁材或鎂鋁合金機(jī)械加工而成，對(duì)于大型立方體夾具常常用高阻尼合金鑄造形成。

3.3 半球形夾具

半球形夾具的固有頻率/重量比很高，同時(shí)又能在一個(gè)振動(dòng)、沖擊臺(tái)面上進(jìn)行相對(duì)于臺(tái)面三個(gè)方向的試驗(yàn)，是一款非常優(yōu)秀的夾具，這種夾具由于表面是球面結(jié)構(gòu)，機(jī)械加工比較復(fù)雜，因此通常都是鑄造而成。

3.4 錐形夾具

錐型夾具因?yàn)槠渥陨斫Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，剛度重量比很高，一般都是經(jīng)過鑄造加工而成，其自振頻率一般可以達(dá)到2000Hz以上，有些錐形夾具是為特殊試件定做，有些也可以做成多用途的。

3.5 L形夾具

L形夾具因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)中用得非常廣泛，其各結(jié)構(gòu)件之間可通過螺栓連接、焊接或膠粘等方式組合起來，也可以用整塊材料通過機(jī)械加工而成。

3.6 T形夾具

T型夾具和L型夾具相類似，不同的是T型夾具的垂直平板是安裝在底板的中心位置處，在垂直板的兩側(cè)均可以安裝試驗(yàn)件。

除了上面列舉的幾種常用夾具外，還有盒式夾具、圓筒式夾具等類型。

4 夾具的設(shè)計(jì)與制造

4.1 材料的選擇

在進(jìn)行夾具制作時(shí)，首先需要選擇材料，由于振動(dòng)夾具自身的高頻特性所要求的剛度使得夾具非常牢固，夾具很少因?yàn)閺?qiáng)度不足而損壞。

所以在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)（式中f是響應(yīng)頻率，k是剛度，m是質(zhì)量）可知，最需要被考慮的是夾具自身的重量，鋁的密度約為鋼的1/3，鎂的密度約為鋼的1/4～1/5，鎂鋁合金密度大約為鋼的1/4，同時(shí)鋁鎂合金的阻尼特性比較好，加工也相當(dāng)經(jīng)濟(jì)，所以理論上鋁鎂合金是最常用的材料，考慮到在機(jī)械加工過程中鎂有著火的危險(xiǎn)， 所以通常更多的會(huì)選擇鋁合金制造夾具。

4.2 夾具的制作工藝

振動(dòng)沖擊試驗(yàn)夾具制作的主要方法有整體機(jī)械加工、鑄造成型、焊接結(jié)構(gòu)、螺接結(jié)構(gòu)和粘接結(jié)構(gòu)夾具，除上述幾種常用的夾具制造方法之外，目前根據(jù)一些產(chǎn)品的形狀、特殊用途或特殊要求，還有疊層夾具、環(huán)氧樹脂成形夾具、灌蠟封裝夾具及用泡沫塑料作阻尼的夾具等。

4.2.1 整體機(jī)械加工夾具

對(duì)于試樣較小時(shí)，用整塊材料通過機(jī)械加工來制造夾具是又快又省的方法。 通過車、銑、磨、鏜、鉆等加工工藝對(duì)一整塊金屬材料（如鎂鋁合金或鋁合金）加工成需要的夾具，這種方法可以制作型面比較復(fù)雜的夾具，夾具殘余應(yīng)力小，此種夾具制作方法對(duì)于小型試樣值得推薦。

4.2.2 鑄造成型夾具

在通常情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮使用鑄造夾具，鑄造法具有能適用各種復(fù)雜表面， 一次成形的特點(diǎn)，尤其是對(duì)一些有弧形過渡面、支撐筋、復(fù)雜截面和有肋條的內(nèi)腔等夾具，須用鑄造成型才能實(shí)現(xiàn)，鑄造成型的夾具，阻尼系數(shù)高，對(duì)抑制夾具諧振時(shí)的峰值加速度有好處，傳遞性好。

4.2.3 焊接夾具

焊接夾具具有制造周期短，成本低廉、更改結(jié)構(gòu)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常普遍，但其材料阻尼系數(shù)小，夾具自身的諧振加速度峰值很高，所以焊接完成后還需進(jìn)行時(shí)效熱處理。

4.2.4 螺接夾具

螺接夾具是一種比較簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)的制作夾具的方法，但螺接夾具難以獲得比較好的振動(dòng)特性，很多時(shí)候是在沒有別的方法可選的時(shí)候才用螺接，在螺接夾具中主要考慮兩個(gè)因素：

（1）螺接夾具的構(gòu)件必須是機(jī)加工件，保證構(gòu)件之間的接觸面能緊密地結(jié)合在一起，獲得較高的配合精度；

（2）二是螺栓的預(yù)緊力比計(jì)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(huì)脫開而相互撞擊。這種撞擊常常超過規(guī)定的試驗(yàn)載荷和頻率范圍，造成試樣不必要的損壞。

4.2.5 粘接夾具

粘接夾具是一種快速而又經(jīng)濟(jì)的夾具制作方法，粘接夾具的強(qiáng)度主要由粘接劑的強(qiáng)度與粘接工藝決定，多用于制造承載較小的夾具。

5 夾具的安裝與使用

夾具的安裝狀態(tài)直接影響著夾具與振動(dòng)臺(tái)、夾具與產(chǎn)品連接面的機(jī)械阻抗，也就決定著振動(dòng)激勵(lì)從振動(dòng)臺(tái)傳遞到產(chǎn)品的正向傳輸和反向的映射，從而嚴(yán)重影響著振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果。

夾具與振動(dòng)臺(tái)面的連接優(yōu)先選擇螺接方式，為了增加連接螺栓與螺孔之間螺紋的接觸面積，防止螺紋面的過度磨損而導(dǎo)致連接的松動(dòng)，螺栓擰緊振動(dòng)臺(tái)面的深度至少為螺栓直徑的兩倍，另外為了防止振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，連接螺栓的松動(dòng)，應(yīng)該在螺栓下方加彈簧墊圈和平墊圈，螺栓的預(yù)緊力通常要比振動(dòng)試驗(yàn)中最大激振力大10%～15%，否則會(huì)出現(xiàn)“拍擊”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品的非正常損壞。

6 夾具的測(cè)試

夾具的設(shè)計(jì)受設(shè)計(jì)方法、材料和制造工藝等影響，通常很難達(dá)到理想的效果，除一些標(biāo)準(zhǔn)型或簡(jiǎn)單的夾具可以不測(cè)試，直接用于產(chǎn)品的實(shí)際試驗(yàn)外，制作完成的夾具，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的夾具在投入使用前都需要進(jìn)行測(cè)試。夾具測(cè)試可分為空載、帶模擬負(fù)載和安裝試件三個(gè)步驟進(jìn)行。

空載測(cè)試主要是為了測(cè)試夾具自身的動(dòng)態(tài)特性，特別是夾具的一階諧振頻率值，空載測(cè)試能夠揭露夾具的缺點(diǎn)，提出改進(jìn)的方法。

夾具帶模擬負(fù)載的測(cè)試是將試驗(yàn)件折算為慣性負(fù)載，按照試驗(yàn)件質(zhì)量在夾具平臺(tái)上的實(shí)際分布狀況將模擬負(fù)載固定在夾具安裝試件的平臺(tái)上，由于帶模擬負(fù)載的夾具測(cè)試沒有考慮被試品的彈性效應(yīng)和阻尼特性，故帶模擬負(fù)載的夾具測(cè)試與安裝試件后的夾具測(cè)試只有一定的可比性。

安裝試件后的夾具測(cè)試實(shí)際上是一種低兩級(jí)的預(yù)試驗(yàn)，可選用給定總均方根值量值的25%作為最高測(cè)試量級(jí)，通常認(rèn)為低于這個(gè)量級(jí)的振動(dòng)激勵(lì)不會(huì)對(duì)被試品帶來附加的損傷。

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作者簡(jiǎn)介：柏遇合（1987-），男，重慶人，本科，助理工程師，研究方向：實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。