JP2016020879A

JP2016020879A - 材料試験機

Info

Publication number: JP2016020879A
Application number: JP2014145597A
Authority: JP
Inventors: 麻衣子鳥居; Maiko Torii
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-02-04

Abstract

【課題】接触式の変位計により試験片のたわみを計測する際に、試験中のプローブの先端部の試験片への接触力を一定にし、正確に曲げ試験力を検出することができる材料試験機を提供する。【解決手段】プローブ支持機構は、一端がプローブ４１の支軸部４８に接続されたワイヤ５６が巻回された状態で回転軸５３に配設された第１滑車５１と、第１滑車５１と同一の回転軸５３に配設され、第１滑車５１よりも直径が小さい第２滑車５２と、第２滑車５２に巻回されたワイヤ５７の一端に接続された錘５５を有する。回転軸５３は、支持台２４に立設された支柱５４に回転可能に配設されている。錘５５にかかる重力が第１滑車５１と第２滑車５２を介してプローブ４１が試験片１０に当接する力となるが、その力はプローブ４１の上下位置にかかわらず一定となり、測定される試験力から容易に差し引くことができる。【選択図】図４

Description

この発明は、一対の支点により支持された試験片に対して試験力を付与することにより曲げ試験を実行する材料試験機に関する。

このような曲げ試験を行う材料試験機においては、一対の支点により支持された状態の試験片に対して、ポンチを押し込むことにより、試験片に負荷を与えている。一般的には、試験片を支持する支点は、テーブルに対して固定されており、ポンチは負荷機構の駆動によりテーブルに対して昇降するクロスヘッドに配設されている。そして、試験片をテーブル上に支点を介して配置した状態でクロスヘッドを昇降させることにより、試験片に負荷を与える構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

このような材料試験機において、試験片に与えられる試験力は、クロスヘッドとポンチの間に介装されたロードセルにより検出している。また、試験片にポンチが押し込まれたときに試験片に生じるたわみの計測には、例えば、試験片の中央に探針（プローブ）の先端を接触させて変位を検出する接触式の変位計が用いられている。図５は、従来の接触式の変位計１４０によるたわみ計測を説明する模式図である。

従来から、接触式の変位計１４０では、試験片１０のポンチ２１の接触面とは逆側の面の対向する位置に先端を当接させるプローブ１４１を備え、ポンチ２１の押圧力を受けた試験片１０の変形に伴うプローブ１４１の変位を検出することにより、試験片１０のたわみが計測可能な構成となっている。

特開２０１２−２５１９０１号公報

図５に示すように、プローブ１４１には、プローブ１４１の先端を試験片１０に対して弾性的に付勢するバネ（スプリング）１４９が配設されている。このバネ１４９は、ポンチ２１による押圧力が試験片１０に加えられ圧縮されることにより、反発するエネルギーを蓄えることになる。すなわち、押圧力に対する反力が、試験中において増大する方に変化していくことになる。曲げ試験力を正確に求めるには、ロードセル１４の検出値からバネ１４９による反力を差し引く必要があるが、この反力は試験中に試験片１０の変位に伴って変化する。このため、試験片１０の中央部のたわみに応じて、ロードセル１４の検出値に含まれるバネ１４９による反力を算出し、ロードセル１４の検出値から差し引きする必要がある。

この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、接触式の変位計により試験片のたわみを計測する際に、試験中のプローブの先端部の試験片への接触力を一定にし、正確に曲げ試験力を検出することができる材料試験機を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、一対の支点により支持された試験片に対して試験力を付与することにより曲げ試験を実行する材料試験機において、負荷機構により昇降するクロスヘッドに配設されたポンチと、前記クロスヘッドに配設され、前記試験片に与えられた試験力を検出するための荷重検出器と、負荷軸方向に伸縮するとともに、前記ポンチと前記試験片を挟んで対向配置され、前記ポンチが当接する面とは反対側の面に先端部が接触するプローブを有し、前記試験片のたわみを測定する変位計と、前記変位計における前記プローブの先端部を、錘を利用した所定の力で試験片に当接させるプローブ支持機構と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記プローブ支持機構は、前記プローブの支軸部に接続されたワイヤが巻回される第１滑車と、前記第１滑車と同一軸に配設され、前記第１滑車と直径が異なる第２滑車と、前記第２滑車に巻回されたワイヤに接続された錘と、を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記錘は、着脱自在に配設される。

請求項１から請求項３に記載の発明によれば、プローブの先端部が錘を利用した所定の力で試験片に当接することから、従来のプローブにバネを備えた接触式の変位計によりたわみを計測する場合と異なり、荷重検出器の検出値において、試験中に変動するバネの反力による誤差を考慮する必要がなくなり、より正確な試験力を検出することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、プローブ支持機構は、回転軸を同一とする直径の異なる第１滑車と第２滑車を有することから、プローブの先端部が試験片に接触するときの力（接触力）を、第１滑車と第２滑車の半径の比であるテコ比により、調節することができる。

請求項３に記載の発明によれば、錘を着脱自在としたことで、プローブの先端部が試験片に接触するときの力（接触力）を、錘の重さを変更することにより容易に調節することができる。

この発明に係る材料試験機の概要図である。変位計４０の側断面概要図である。試験を開始するときのポンチ２１とプローブ４１の位置関係を説明する概要図である。プローブ支持機構を説明するための概要図である。従来の接触式の変位計１４０によるたわみ計測を説明する模式図である。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、テーブル１６と、床面に立設された一対の支柱１９と、各支柱１９の内部におけるテーブル１６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹１１と、これらのねじ棹１１に沿って移動可能なクロスヘッド１３と、このクロスヘッド１３を移動させて試験片１０に対して試験力を付与するための負荷機構３０とを備える。なお、図１においては、一対の支柱１９のうち紙面左側の支柱１９を取り払った状態を図示している。

クロスヘッド１３は、一対のねじ棹１１に対して、図示を省略したナットを介して連結されている。各ねじ棹１１の下端部は、負荷機構３０に連結されており、負荷機構３０における図示を省略した動力源としてのモータからの動力が、一対のねじ棹１１に伝達される構成となっている。一対のねじ棹１１が同期して回転することにより、クロスヘッド１３は、これら一対のねじ棹１１に沿って昇降する。

クロスヘッド１３には、試験片１０に与えられた試験力を検出するための荷重検出器であるロードセル１４と、試験片１０の表面に当接するポンチ２１が付設されている。一方、テーブル１６には、後述する変位計４０が配設された支持台２４が固定されている。支持台２４には、一対の支点２２が互いの距離（支点間距離）を変更可能に配設され、一対の支点２２は、試験片１０を裏面から支持する。曲げ試験を行う場合には、試験片１０を一対の支点２２により支持した状態で、クロスヘッド１３を下降させることにより、試験片１０に試験力（曲げ荷重）を負荷する。このときに、試験片１０に作用する試験力はロードセル１４によって検出され、制御部２３に入力される。また、試験片１０のたわみは、変位計４０により計測される。

制御部２３はＣＰＵ等を備えるコンピュータやシーケンサーによって構成される。図１に示すように、この制御部２３には、タッチパネルを備えた表示部２５と、ロードセル１４と、負荷機構３０が接続される。そして、制御部２３は、ロードセル１４からの試験力データや変位計４０からのデータを取り込んで、データ処理を実行する。このような制御部２３での演算等の処理により、試験片１０に対する試験力（曲げ荷重）と試験片１０におけるたわみが求められる。

図２は、変位計４０の変位検出部４５を説明する側断面概要図である。

変位計４０は、曲げ試験用の試験治具に取り付けて、試験片１０の中央部のたわみを接触式で測定するものである。図２に示すように、この変位計４０は筐体４２上面を貫通して負荷軸方向に伸縮可能に配設されたプローブ４１と、筐体４２内に設けられた変位検出部４５から構成される。プローブ４１は、先端部４７と、支軸部４８から構成される。変位検出部４５は、筐体４２に固設されたスケール４４と、プローブ４１の支軸部４８の下端に接続された検出ヘッド４３からなるリニアスケールにより、プローブ４１の変位を検出している。なお、変位検出部４５を構成するプローブ４１の変位検出手段としては、例えば、差動トランス式など他の方式を採用してもよい。

なお、図１に示す材料試験機では、変位計４０を支持台２４上に取り付けているが、支持台２４の高さを高くして、変位計４０の変位検出部４５を支持台２４内に配置するようにしてもよい。この場合には、支持台２４が、上述した変位計４０の筐体４２を兼ねることになる。

図３は、試験を開始するときのポンチ２１とプローブ４１の位置関係を説明する概要図である。

一対の支点２２に支持された試験片１０にポンチ２１を所定の試験力で押し付ける３点曲げ試験を開始するときには、クロスヘッド１３を下降させてポンチ２１を図３に仮想線で示す位置まで移動させて試験片１０に当接させる。一方で、プローブ４１を図３に仮想線で示す高さに移動させ、プローブ４１の先端部４７を試験片１０におけるポンチ２１の当接位置と対向する位置で当接させる。しかる後、クロスヘッド１３を下降させてポンチ２１を試験片１０に押し込む曲げ試験が実行される。

次に、この発明の特徴部分であるプローブ支持機構について説明する。図４は、プローブ支持機構を説明するための概要図である。なお、図４は、図１の変位計４０付近を側面から見た様子を示している。

プローブ支持機構は、一端がプローブ４１の支軸部４８に接続されたワイヤ５６が巻回された状態で回転軸５３に配設された第１滑車５１と、第１滑車５１と同一の回転軸５３に配設され、第１滑車５１よりも直径が小さい第２滑車５２と、第２滑車５２に巻回されたワイヤ５７の一端に接続された錘５５を有する。回転軸５３は、支持台２４に立設された支柱５４に回転可能に配設されており、第１滑車５１と第２滑車５２は回転軸５３に固定されているので、第１滑車５１と第２滑車５２は回転軸５３とともに支柱５４に対して一体的に回転可能である。

ワイヤ５６とプローブ４１の支軸部４８は、支軸部４８の所定の高さ位置に固設された連結部材５８を介して接続されている。ワイヤ５６のプローブ４１の支軸部４８に接続されていない他端は、第１滑車５１の外周面の所定の位置に固定されている。すなわち、プローブ４１がワイヤ５６により第１滑車５１に吊られている状態である。また、錘５５とワイヤ５７とは、Ｓ字フック５９を介して接続されており、錘５５は、ワイヤ５７に対して着脱自在となっている。ワイヤ５７の錘５５に接続されていない他端は、第２滑車５２の外周面の所定の位置に固定されている。すなわち、錘５５がワイヤ５７により第２滑車５２に吊られている状態である。

一対の支点２２に支持された試験片１０にポンチ２１を所定の試験力で押し付ける３点曲げ試験を開始するときには、クロスヘッド１３を下降させてポンチ２１を試験片１０に当接させるとともに、プローブ４１の先端部４７を試験片１０におけるポンチ２１の当接位置と対向する位置に当接させる。このとき、プローブ４１の先端部４７は、第１滑車５１および第２滑車５２を介して伝達される錘５５の重さを利用した所定の力で試験片１０に当接する。なお、プローブ４１の高さは、錘５５の着脱や固定により調整される。例えば、プローブ４１を試験片１０に当接しない位置に配置したいときは、錘５５をワイヤ５６から取り外し、Ｓ字フック５９を、支柱５４の所定の位置に引っ掛けるなどしてもよいし、錘５５の下に置台を設置するなどして錘５５がそれより下に下降しないようにしてもよい。

この実施形態では、直径の異なる第１滑車５１と第２滑車５２が同一軸で動く輪軸としている。そして、２つの滑車のうち直径が小さい第２滑車５２に錘５５を吊り下げたことで、第１滑車５１の半径と第２滑車５２の半径との比であるテコ比に応じて、支軸部４８を上方向に持ち上げる距離と力が調整される。例えば、第１滑車５１の半径：第２滑車５２の半径の比が２：１の場合、プローブ４１の先端部４７が試験片１０に接触するときの力（接触力）は錘５５の重さの１／２になるが、支軸部４８が上方向に持ち上げられた距離は、錘５５の移動量の２倍になる。すなわち、プローブ４１を上下動させる仕事が効率的に行える一方で、錘５５により試験片１０に作用する力を小さくすることができる構成となっている。

なお、プローブ４１を上方に持ち上げる力によりプローブ４１の先端部４７から試験片１０に作用する力の大きさは、ワイヤ５７に対して着脱可能となっている錘５５を、重さが異なる錘５５に変更することでも容易に調整される。また、錘５５が着脱自在であることは、第１滑車５１と第２滑車５２の直径が同一の場合にもプローブ５１を上方に持ち上げる力を容易に変更できるという点で効果がある。

プローブ４１の先端部４７を、第１滑車５１の半径と第２滑車５２の半径との比と錘５５の重さにより調整された所定の力で試験片１０に当接させると、この状態でロードセル１４が検出する試験力の値がゼロとなるようリセットし、試験を開始する。

試験が開始されると、試験片１０がポンチ２１により押圧される。そして、曲げ試験力が加えられた試験片１０の中央部が下方に向かってたわむにつれて、試験片１０の裏面に先端部４７が当接しているプローブ４１が下方に移動する。このときには、プローブ４１の動きと連動して回転軸５３が回転（図４においては反時計回りに回転）する。一方で、この間のプローブ４１を上方に持ち上げる力によりプローブ４１の先端部４７から試験片１０に作用する力は、一定している。プローブ４１の支軸部４８の下端に連結された検出ヘッド４３とスケール４４により検出された値が制御部２３に送信され、プローブ４１の変位がたわみ量として算出される。

この実施形態では、錘５５を利用してプローブ４１を上方に持ち上げる力によりプローブ４１の先端部４７から試験片１０に作用する力は、試験が開始された後も、一定の力で試験片１０に作用する。この力は、試験開始時のロードセル１４の検出値がゼロとなるようリセットすることにより、考慮する必要のない値として扱うことができる。図５に示す従来の変位計１４０では、バネ１４９の反力がポンチ２１で押されるほど大きくなるという、試験中における反力の変動が、ロードセル１４による試験力の検出値の正確さを損ねていたが、この発明の材料試験機では、上述したプローブ支持機構を備えたことにより、試験中において従来のような反力の変動の影響を受けない試験力の検出が可能となる。すなわち、より正確な試験力の検出値が得られる。

なお、この実施形態ではワイヤ５６とワイヤ５７の重さはプローブ４１や錘５５の重さと比較して無視できる程度の小さいものである。したがって第１滑車５１と第２滑車５２の回転に伴って変動するワイヤ自身による荷重変動は無視できる。

この発明に係る材料試験機では、従来の変位計１４０により正確な試験力の検出が可能であることから、より正確な曲げ強さを算出することが可能となる。さらに、この材料試験機による曲げ試験において求めた荷重−たわみ曲線を用いて計算される曲げ弾性率も、より正確な値として算出することが可能となる。このため、材料の曲げ特性の評価をより正確に行うことが可能となる。

また、図５に示す従来の接触式の変位計１４０を備える材料試験機では、試験片１０は、ポンチ２１により僅かに押されている状態で、一対の支点２２により支持されるとともに、ポンチ２１が当接する反対側からバネ１４９によりプローブ１４１に押された状態で、試験位置に配置されている。これは、プローブ１４１の先端位置と一対の支点２２の先端位置とを完全に水平に合わせることは難しいため、プローブ１４１の先端の方が一対の支点２２よりも僅かに試験片１０に近くなるようにプローブ１４１の先端位置を調整していることによる。このため従来は、ポンチ２１を試験片１０から離隔させた状態で、試験片１０を一対の支点２２で支持させるときに、試験片１０の支持が不安定になる（試験片１０がプローブ１４１により浮き上がる）という問題も生じていた。

この発明の材料試験機では、錘５５がワイヤ５７に対して着脱自在であることから、試験片１０を一対の支点２２により支持させるときに、錘５５をワイヤ５７から取り外す等しておくことでプローブ４１を試験片１０に接触しない位置に置くことができる。このように、ポンチ２１を試験片１０から離隔させた状態で、試験片１０を一対の支点２２で支持させるときに、プローブ４１を試験片１０の配置に障害とならない位置も配置できることから、試験片１０がプローブ４１の接触により浮き上がることがなく、試験片１０の位置がずれることを防止することができる。

なお、上述した実施形態では、直径が異なる第１滑車５１と第２滑車５２を有するプローブ支持機構を例に説明したが、１つの滑車を介して錘５５の重さを、プローブ４１を上方向に移動させる力とするプローブ支持機構を構成してもよい。すなわち、この発明のプローブ支持機構おける錘を利用した所定の力は、輪軸の他に定滑車やその他の要素により、錘５５の重力に従った下向きの力を上向きの所定の力にするものを含むものであり、実施形態に限定されない。

１０試験片
１１ねじ棹
１３クロスヘッド
１４ロードセル
１６テーブル
１９支柱
２１ポンチ
２２支点
２３制御部
２４支持台
２５表示部
３０負荷機構
４０変位計
４１プローブ
４２筐体
４３検出ヘッド
４４スケール
４５変位検出部
４７先端部
４８支軸部
５１第１滑車
５２第２滑車
５３回転軸
５４支柱
５５錘
５６ワイヤ
５７ワイヤ
５９Ｓ字フック

Claims

一対の支点により支持された試験片に対して試験力を付与することにより曲げ試験を実行する材料試験機において、
負荷機構により昇降するクロスヘッドに配設されたポンチと、
前記クロスヘッドに配設され、前記試験片に与えられた試験力を検出するための荷重検出器と、
負荷軸方向に伸縮するとともに、前記ポンチと前記試験片を挟んで対向配置され、前記ポンチが当接する面とは反対側の面に先端部が接触するプローブを有し、前記試験片のたわみを測定する変位計と、
前記変位計における前記プローブの先端部を、錘を利用した所定の力で試験片に当接させるプローブ支持機構と、
を備えたことを特徴とする材料試験機。
請求項１に記載の材料試験機において、
前記プローブ支持機構は、
前記プローブの支軸部に接続されたワイヤが巻回される第１滑車と、
前記第１滑車と同一軸に配設され、前記第１滑車と直径が異なる第２滑車と、
前記第２滑車に巻回されたワイヤに接続された錘と、
を有する材料試験機。
請求項１または２に記載の材料試験機において、
前記錘は、着脱自在に配設される材料試験機。