JP2016169943A - 軸心調整装置および材料試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】 材料試験機の軸心調整装置を従来よりも省スペース化し、かつ、軽量化する。
【解決手段】 第１ベース部３０と第２ベース部５０は、４本の固定用ボルト６１と４本の支持用ボルト７１により、調心機構４０を挟んだ状態で互いに連結されている。固定用ボルト６１の頭部と第２ベース部５０のベースフランジ５１との当接部、および、固定用ボルト６１のナット６５側と第１ベース部３０との当接部には、互いに対応する球面を有する凸部と凹部とが対をなす球面座金６３、６４が介挿されている。また、支持用ボルト７１の頭部と第２ベース部５０のベースフランジ５１との当接部、および、支持用ボルト７１のダブルナット７５側と第１ベース部３０との当接部には、固定用ボルト６１の場合と同様に球面座金７３、７４が介挿されている。
【選択図】 図２

Description

この発明は、材料試験機の負荷枠内に配置される試験治具の軸心を調整するための軸心調整装置およびこれを備えた材料試験機に関する。

材料試験機には、引張試験や疲労試験などの試験の目的に応じた試験治具が取り付けられる。そして、このような材料試験機は、例えば、試験治具としての一対のつかみ具を介して材料試験機の負荷枠内に保持された試験片に対して試験負荷を与えながら、ロードセルと変位検出器によりそのときの試験力と変位とを測定する構成となっている。材料試験では、試験治具の軸心が負荷軸と整合していないと、正確な試験を実行することができない。このため、このような材料試験機には、試験治具の軸心を調整するための軸心調整装置が配設されている。軸心調整装置の一例は特許文献１に記載されている。

図４は、従来の軸心調整装置１２０の概要図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ断面矢視図である。なお、図５においては連結部１５９の図示を省略している。

軸心調整装置１２０は、材料試験機の負荷枠を構成するクロスヘッドや基台に連結する第１ベース部１３０と、この第１ベース部１３０と当接する第１接続部１７０と、つかみ具などの試験治具に連結部１５９を介して連結する第２ベース部１５０と、この第２ベース部１５０と当接する第２接続部１８０と、第１ベース部１３０と第２ベース部１５０のそれぞれの軸心が互いに一致するように調整する調心機構１４０と、を備える。この調心機構１４０は、球状凸部を有する支持部１４１と、支持部１４１の球状凸部に球面当接する角度調整用カラー部材１４２と、支持部１４１の球状凸部とは逆側となる平坦面に当接する位置調整用カラー部材１４３と、角度調整用カラー部材１４２に当接する傾斜調整ネジ１４４および位置調整用カラー部材１４３に当接する水平位置調整ネジ１４５とを有する。なお、この図の例では、第２ベース部１５０はロードセルであり、試験力を計測するセンサとしても機能している。

調心機構１４０は、角度調整用カラー部材１４２、支持部１４１、位置調整用カラー部材１４３を貫通して第１ベース部１３０と第２ベース部１５０とを連結する連結軸１９０により、第１ベース部１３０と第２ベース部１５０との間の位置に配置される。そして、傾斜調整ネジ１４４および水平位置調整ネジ１４５を操作して角度調整用カラー部材１４２および位置調整用カラー部材１４３を移動させ、連結軸１９０の軸心の角度と軸心の位置とを調整することにより、試験治具の軸心を調整している。

従来の軸心調整装置１２０では、連結軸１９０が第１ベース部１３０および第２ベース部１５０に対してねじ止めされ、さらに、ガタ取りナット１６０が調心機構１４０と第２接続部１８０との間に配設されている。また、連結軸１９０の傾きに対応できるように、第１接続部１７０および第２接続部１８０には、球座面１７１、１８１に当接する球面ナット１７２、１８２が設けられている。

特開２０００−１７１３６６号公報

従来の軸心調整装置１２０では、連結軸１９０を動かすことにより軸心の調整を行っているため、調整幅の確保の観点から、連結軸１９０の長さを短くすることは容易ではない。また、軸心調整時に連結軸１９０に作用する曲げに相当する力により、調心機構１４０にガタが生じることを防止するために、調心機構１４０の下側から連結軸１９０に同形状の２つのナット１６１、１６２を１組として締結し、それらを互いに離隔する方向に移動させてガタを取るガタ取りナット１６０を配設するとともに、連結軸１９０の両端には、球座面１７１と球面ナット１７２による球座部１７３、および、球座面１８１と球面ナット１８２による球座部１８３を設けて、連結軸１９０が傾いたときに生じる力を吸収させている。このため、従来では、軸心調整装置１２０の縦方向の寸法が長くなる。そうすると、材料試験機における負荷枠内の試験空間が狭くなり、負荷軸方向（縦方向）の試験範囲が制限されるという問題が生じる。

また、負荷軸１９０は軸心調整装置１２０を構成する各部材を中心で支える役割をしていることから、それ自体が重量の重い部材である。さらに、軸心調整が連結軸１９０の移動に依るものであることから、連結軸１９０が傾いたときに生じる力を受けさせるための球座部１７３、１８３、およびガタ取りナット１６０を配設する必要がある。このため、軸心調整装置１２０の重量が重くなっていた。したがって、軸心調整装置１２０は、疲労試験などのアクチュエータを駆動して試験片に繰り返し試験力を負荷する試験を行う材料試験機のアクチュエータの可動部（例えば、流体シリンダのシリンダロッド）に取り付けることが困難であった。

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、従来よりも省スペース化され、かつ、軽量化された軸心調整装置およびこれを備えた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、材料試験機の負荷枠内に配置される試験治具の軸心を調整するための軸心調整装置であって、前記負荷枠または前記負荷枠に固定された負荷手段に連結される第１ベース部と、前記試験治具が連結される第２ベース部と、前記第１ベース部と前記第２ベース部との間に配置され、前記試験治具の軸心の角度と軸心の位置とを調整する調心機構と、前記調心機構の外周に配置され、締付力が作用する前記第１ベース部との当接部および前記第２ベース部との当接部に球面座金を介挿するとともに、前記第１ベース部との当接部側または前記第２ベース部との当接部側に弾性部材を介挿して、前記第１ベース部と前記第２ベース部とを連結する複数の支持用ボルトと、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸心調整装置において、前記調心機構の外周に配置され、締付力が作用する前記第１ベース部との当接部および前記第２ベース部との当接部に球面座金を介挿して前記第１ベース部と前記第２ベース部とを連結する複数の固定用ボルトをさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の軸心調整装置において、前記第２ベース部は、前記調心機構に当接する当接部材と、前記当接部材と球面係合するベースフランジとを有する。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の軸心調整装置において、前記弾性部材は皿バネである。

請求項５に記載の発明は、試験治具として試験片を把持するためのつかみ具が負荷枠内に配設され、前記試験片に負荷を与えるために前記負荷枠に前記つかみ具を移動させるための流体シリンダが配設された材料試験機であって、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の軸心調整装置を、前記流体シリンダと前記つかみ具との間に配置したことを特徴とする。

請求項１から請求項４に記載の発明によれば、調心機構の外周に配置され、締付力が作用する第１ベース部との当接部および第２ベース部との当接部に球面座金を介挿するとともに、第１ベース部との当接部側または前記第２ベース部との当接部側に弾性部材を介挿して、第１ベース部と第２ベース部とを連結する複数の支持用ボルトと、を備えることにより、従来の軸心調整装置よりも、省スペース化し、かつ、軽量化することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、支持用ボルトとは別に固定用ボルトを備えたことにより、試験治具の交換とそれに伴う軸心調整作業に柔軟に対応することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、第２ベース部は、調心機構に当接する当接部材と、当接部材と球面係合するベースフランジとを有することから、軸心調整による部材間の傾きによって生じる力をより吸収させることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、皿バネにより、より簡易な構成でありながら、支持用ボルトに一定の引張力を与え、軸心調整後の試験治具の軸心が変化しないように、軸心調整装置全体への締付力を適切なものとすることができるとともに。支持用ボルトに調心機構を調心可能な状態で保持することができる。

請求項５に記載の発明によれば、従来の軸心調整装置よりも軽量化したことで、材料試験機の流体シリンダのシリンダロッドなどの可動部材に接続することが可能となる。また、軸心調整装置の全高を小さなものとすることで、材料試験機における負荷枠内の試験空間が広くなり、従来よりも負荷軸方向（縦方向）の試験範囲が広い材料試験を行うことも可能となる。

この発明に係る軸心調整装置２０を適用した材料試験機の概要図である。 この発明に係る軸心調整装置２０の縦断面図である。 図２の軸心調整装置２０におけるＡ−Ａ断面矢視図である。 従来の軸心調整装置１２０の概要図である。 図４の従来の軸心調整装置２０におけるＡ−Ａ断面矢視図である。

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、この発明に係る軸心調整装置２０を適用した材料試験機の概要図である。

この材料試験機は、基台１６と、この基台１６に立設された一対の支柱１４に支持されたクロスヘッド１５とを備える。これらの基台１６、支柱１４およびクロスヘッド１５は、試験片１０に試験力を付与するための負荷枠を構成する。

クロスヘッド１５は、油圧または空圧を利用したクランプ１７により支柱１４の任意の高さ位置に固定される。クロスヘッド１５には、上つかみ具１１が、この発明に係る軸心調整装置２０およびロードセル１３を介して付設されている。また、基台１６には下つかみ具１２が付設されている。試験片１０は、その両端をこれらの上つかみ具１１および下つかみ具１２により把持される。

なお、図１に示す材料試験機では、試験治具として上つかみ具１１および下つかみ具１２が、負荷枠内に配設されている例を示しているが、引張試験、疲労試験などの試験の目的に応じて、上つかみ具１１や下つかみ具１２以外の試験治具（例えば、圧盤）が負荷枠内に配設される。

さらに、クロスヘッド１５には、油圧シリンダやエアシリンダ等の流体シリンダ１８が配設されている。この流体シリンダ１８におけるシリンダロッド１９は、クロスヘッド１５から下方に突出している。流体シリンダ１８のシリンダロッド１９を移動させることにより、試験片１０に対して試験力が付与される。このときの試験力の大きさは、ロードセル１３により測定される。

図２は、この発明に係る材料試験機の軸心調整装置２０の縦断面図である。また、図３は、図２におけるＡ−Ａ断面矢視図である。

この軸心調整装置２０は、上つかみ具１１の軸心の位置と角度とを調整することにより、上つかみ具１１と下つかみ具１２との軸心を整合させるためのものである。軸心調整装置２０は、負荷枠を構成するクロスヘッド１５を貫通して負荷枠内に突出しているシリンダロッド１９に連結する第１ベース部３０と、ロードセル１３を介して上つかみ具１１が連結される第２ベース部５０と、第１ベース部３０と第２ベース部５０のそれぞれの軸心が互いに一致するように調整する調心機構４０とを備える。調心機構４０は第２ベース部５０を調心することによって、第２ベース部５０に連結された上つかみ具１１を調心することになる。

調心機構４０は、第１ベース部３０と第２ベース部５０との間に配置される。そして、調心機構４０は、球状凸部を有する支持部４１と、支持部４１の球状凸部に対応する球状凹部により支持部４１に球面当接する角度調整用カラー部材４２と、支持部４１の球状凸部とは逆側となる平坦面に当接する位置調整用カラー部材４３と、角度調整用カラー部材４２の側面に当接する４本の傾斜調整ネジ４４および位置調整用カラー部材４３の側面に当接する４本の水平位置調整ネジ４５とを有する。なお、位置調整用カラー部材４３の支持部４１との当接面とは逆側となる面には、後述する第２ベース部５０の当接部材５２の当接凸部と嵌め合う凹部が形成されている。

第２ベース部５０は、調心機構４０に当接する当接部材５２とベースフランジ５１と、を備える。当接部材５２は、ベースフランジ５１に形成された凹部内に配設されるものである。そして、この当接部材５２は、一方の面に、ベースフランジ５１の凹部との当接面と対応する形状を有する球面状の当接面を有し、他方の面に、調心機構４０の位置調整用カラー部材４３における凹部と嵌め合う当接凸部を有する。また、この当接部材５２には、ベースフランジ５１から突出する接続部５８が設けられている。そして、接続部５８にはロードセル１３が接続される。

調心機構４０の位置調整用カラー部材４３における凹部と当接部材５２の当接凸部が嵌め合わされていることにより、位置調整用カラー部材４３の移動が、上つかみ具１１を連結するロードセル１３の位置に反映される。なお、この実施形態では接続部５８にロードセル１３を接続しているが、上つかみ具１１や他の試験治具を接続部５８に直接接続してもよい。

第１ベース部３０と第２ベース部５０は、４本の固定用ボルト６１と４本の支持用ボルト７１により、調心機構４０を挟んだ状態で互いに連結されている。４本の固定用ボルト６１と４本の支持用ボルト７１は、調心機構４０の外周に、固定用ボルト６１間の間隔が等間隔となるように、かつ、支持用ボルト７１間の間隔が等間隔となるように、同一円周状に等間隔に配置される。

第１ベース部３０と第２ベース部５０を貫通する固定用ボルト６１の、締付力が作用する第１ベース部３０との当接部および第２ベース部５０との当接部には、球面座金６３、６４が介挿されている。図２に示すように、固定用ボルト６１にナット６５を締結することにより締付力が作用する、固定用ボルト６１の頭部と第２ベース部５０のベースフランジ５１との当接部、および、固定用ボルト６１のナット６５側と第１ベース部３０との当接部に、互いに対応する球面を有する凸部と凹部とが対をなす球面座金６３、６４が介挿された状態で固定用ボルト６１が配置される。

また、第１ベース部３０と第２ベース部５０を貫通する支持用ボルト７１の、締付力が作用する第１ベース部３０との当接部および第２ベース部５０との当接部に球面座金７３、７４が介挿され、第１ベース部３０との当接部または第２ベース部５０との当接部には弾性部材としての皿バネ７６が介挿されている。図２に示すように、支持用ボルト７１にダブルナット７５を締結することにより締付力が作用する、支持用ボルト７１の頭部と第２ベース部５０のベースフランジ５１との当接部、および、支持用ボルト７１のダブルナット７５側と第１ベース部３０との当接部に、固定用ボルト６１の場合と同様に球面座金７３、７４が介挿され、支持用ボルト７１のダブルナット７５側と第１ベース部３０との当接部には、さらに弾性部材としての皿バネ７６が介挿された状態で支持用ボルト７１が配置される。

以上のような構成を有する材料試験機の軸心調整装置２０を、組み立てるときには、第１ベース部３０と第２ベース部５０との間に調心機構４０を挟み、第１ベース部３０と第２ベース部５０のベースフランジ５１とを貫通する孔部に支持用ボルト７１を挿入して、支持用ボルト７１のネジ部にダブルナット７５を締結する。これにより、第１ベース部３０と第２ベース部５０とを連結する。次に、固定用ボルト６１を第１ベース部３０と第２ベース部５０のベースフランジ５１とを貫通する孔部に挿入し、固定用ボルト６１のネジ部にナット６５を緩く螺合させておく。

こうして組み立てられた軸心調整装置２０を、図１に示す材料試験機に配設するときには、第１ベース部３０を流体シリンダ１８のシリンダロッド１９に連結部材を介して連結する。

この状態で軸心調整装置２０を利用して、軸心調整を行うときには、接続部５８にロードセル１３を介して上つかみ具１１を取り付ける。また、基台１６には下つかみ具１２を取り付ける。上つかみ具１１と下つかみ具１２との軸心を整合させるには、例えば特開昭６４−３１０３３号公報に記載されたように、複数の歪みゲージを取り付けた試験片１０の両端部を上つかみ具１１と下つかみ具１２とにより把持した状態で上つかみ具１１の軸心の位置と角度とを調整し、そのときの歪みゲージの検出値に基づいて軸心の整合性を確認する作業が実行される。

この調整時においては、４本の傾斜調整ネジ４４を回転させて所定方向に移動させることにより、角度調整用カラー部材４２を支持部４１の球面凸部に沿って移動させるとともに、４本の水平位置調整ネジ４５を回転させて所定方向に移動させることにより、位置調整用カラー部材４３を支持部４１の平坦面に沿って移動させる。すなわち、第１ベース部３０と調心機構４０が相対的に移動することになり、上つかみ具１１の軸心の角度が変更される。また、４本の水平位置調整ネジ４５を所定方向に移動させることにより、第２ベース部５０と調心機構４０とが相対的に移動することになり、上つかみ具１１の軸心の水平方向の位置が変更される。

なお、軸心を調整するときには、固定用ボルト６１のナット６５は緩められた状態であるため、調心機構４０は、支持用ボルト７１とダブルナット７５による締結力により第１ベース部３０と第２ベース部５０との間に保持された状態である。支持用ボルト７１には、皿バネ７６が介挿されていることから、調心機構４０には、第１ベース部３０と第２ベース部５０からの押圧力が加えられつつ、支持部４１に対して角度調整用カラー部材４２および位置調整用カラー部材４３が移動可能な状態となっている。

このような状態で傾斜調整ネジ４４および水平位置調整ネジ４５が操作されることにより、位置調整用カラー部材４３および角度調整用カラー部材４２が移動し、上つかみ具１１の軸心調整が行われる。なお、皿バネ７６により一定の引張力が支持用ボルト７１に与えられることにより、軸心調整後の上つかみ具１１の軸心が変化しないように、軸心調整装置２０全体への締付力を適切なものとしている。

上つかみ具１１の軸心の角度と位置が調整できれば、固定用ボルト６１のネジ部にナット６５が締結される。なお、位置調整用カラー部材４３および角度調整用カラー部材４２を移動させたことにより固定用ボルト６１および支持用ボルト７１が傾いたときの曲げに相当する力は、各球面座金６３、６４、７３、７４により吸収される。また、第２ベース部５０の当接部材５２とベースフランジ５１とは球面係合していることから、位置調整用カラー部材４３および角度調整用カラー部材４２を移動させたことによる固定用ボルト６１および支持用ボルト７１の傾きによって生じる力を吸収させることができる。なお、第２ベース部５０が当接部材５２とベースフランジ５１の２つの部材からなり、それらが球面結合していることはこの発明にとって必須の構成ではない。第２ベース部５０が１つの部材として一体的に形成されていた場合には、固定用ボルト６１および支持用ボルト７１の傾きよって生じる力は各球面座金６３、６４、７３、７４により吸収することができる。当接部材５２とベースフランジ５１との間の球面結合はそれをより確実にするものである。

軸心調整作業が終わった後に、固定用ボルト６１にナット６５を締結することで角度調整用カラー部材４２および位置調整用カラー部材４３の移動後の相対的位置関係を固定用ボルト６１で固定し、上つかみ具１１に試験力が作用した場合にも軸心が変化しないようにしている。なお、試験治具を取り換えるときには、固定用ボルト６１のナット６５を緩めて、上述した一連の軸心調整作業を実行する。

なお、上述した実施形態では、支持用ボルト７１とは別に固定用ボルト６１を配設しているが、固定用ボルト６１を配設しない場合は、支持用ボルト７１を皿バネ７６が機能しなくなるまで完全に締め付けて軸心調整後の状態に固定してもよい。同じ試験のみを繰り返し行うため試験治具を交換して軸心調整を行う機会が極めて少ない材料試験機にこの発明の軸心調整装置を配置する場合には、このように、固定用ボルト６１を省略してもよい。

上述したように、従来の軸心調整装置１２０の第１ベース部１３０、軸心調整機構１４０、第２ベース部１５０を貫通する連結軸１９０（図４および図５参照）が不要となることから、軸心調整装置２０の全高を小さなものとすることが可能となる。したがって、材料試験機における負荷枠内の試験空間が広くなり、従来よりも負荷軸方向（縦方向）の試験範囲が広い材料試験を行うことができる。

また、従来の軸心調整装置１２０は、連結軸１９０、球座部１７３、１８３、およびガタ取りナット１６０などにより装置の重量が重くなっていたが、この軸心調整装置２０では、従来の連結軸１９０、球座部１７３、１８３、およびガタ取りナット１６０を不要としていることから、装置の軽量化（例えば従来比マイナス３０％程度の軽量化）を実現すること可能となる。このため、図１に示す材料試験機のように、往復移動する流体シリンダ１８のシリンダロッド１９に軸心調整装置２０を接続して、疲労試験を実行することが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、試験片１０への負荷手段として、クロスヘッド１５に配設された流体シリンダ１８を採用しているが、試験片１０への負荷手段として、ねじ棹に架設したクロスヘッドの昇降機構などを採用している材料試験機では、クロスヘッドに直接この発明の軸心調整装置２０を配設することができる。このような材料試験機に軸心調整装置２０を配設した場合にも、材料試験機における負荷枠内の試験空間が広くなり、従来よりも負荷軸方向（縦方向）の試験範囲が広い材料試験を行うことができる。

１０ 試験片
１１ 上つかみ具
１２ 下つかみ具
１３ ロードセル
１４ 支柱
１５ クロスヘッド
１６ 基台
１７ クランプ
１８ 流体シリンダ
１９ シリンダロッド
２０ 軸心調整装置
３０ 第１ベース部
４０ 調心機構
４１ 支持部
４２ 角度調整用カラー部材
４３ 位置調整用カラー部材
４４ 傾斜調整ネジ
４５ 水平位置調整ネジ
５０ 第２ベース部
５１ ベースフランジ
５２ 当接部材
５８ 接続部
６１ 固定用ボルト
６３ 球面座金
６４ 球面座金
６５ ナット
７１ 支持用ボルト
７３ 球面座金
７４ 球面座金
７５ ダブルナット
７６ 皿バネ
１２０ 軸心調整装置
１３０ 第１ベース部
１４０ 調心機構
１４１ 支持部
１４２ 角度調整用カラー部材
１４３ 位置調整用カラー部材
１５０ 第２ベース部
１５９ 連結部
１６０ ガタ取りナット
１９０ 連結軸

Claims (5)

1. 材料試験機の負荷枠内に配置される試験治具の軸心を調整するための軸心調整装置であって、
   前記負荷枠または前記負荷枠に固定された負荷手段に連結される第１ベース部と、
   前記試験治具が連結される第２ベース部と、
   前記第１ベース部と前記第２ベース部との間に配置され、前記試験治具の軸心の角度と軸心の位置とを調整する調心機構と、
   前記調心機構の外周に配置され、締付力が作用する前記第１ベース部との当接部および前記第２ベース部との当接部に球面座金を介挿するとともに、前記第１ベース部との当接部側または前記第２ベース部との当接部側に弾性部材を介挿して、前記第１ベース部と前記第２ベース部とを連結する複数の支持用ボルトと、
   を備えることを特徴とする軸心調整装置。
2. 請求項１に記載の軸心調整装置において、
   前記調心機構の外周に配置され、締付力が作用する前記第１ベース部との当接部および前記第２ベース部との当接部に球面座金を介挿して前記第１ベース部と前記第２ベース部とを連結する複数の固定用ボルトをさらに備える軸心調整装置。
3. 請求項１に記載の軸心調整装置において、
   前記第２ベース部は、前記調心機構に当接する当接部材と、前記当接部材と球面係合するベースフランジとを有する軸心調整装置。
4. 請求項１に記載の軸心調整装置において、
   前記弾性部材は皿バネである軸心調整装置。
5. 試験治具として試験片を把持するためのつかみ具が負荷枠内に配設され、前記試験片に負荷を与えるために前記負荷枠に前記つかみ具を移動させるための流体シリンダが配設された材料試験機であって、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の軸心調整装置を、前記流体シリンダと前記つかみ具との間に配置したことを特徴とする材料試験機。

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