JP2020003233A - 圧縮試験治具、材料試験機、および材料試験機における平行度調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】供試体の被圧縮面と圧盤の圧縮面との平行度を容易に調整する。【解決手段】材料試験機に用いられる圧縮試験治具４０であって、少なくとも球面部４４と圧盤部４２とを有する圧盤と、球面部を収容し、材料試験機の負荷軸に対して回転可能かつ揺動可能に圧盤を保持する保持部と、保持部に対して圧盤を固定する固定部とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、圧縮試験治具、材料試験機、および材料試験機における平行度調整方法に関する。

圧縮試験を行う材料試験機において、供試体に圧縮荷重をかける圧盤としていわゆる球座式圧盤を用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。球座式圧盤は、球座と球面接触して摺動することにより、圧盤の圧縮面と供試体の被圧縮面との平行度を調整することができる。

特開平６−３３１５１８号公報

上述したような球座式圧盤を用いることにより、供試体の被圧縮面と圧盤の圧縮面との平行度を調整することは可能であるが、供試体の材質によっては大きな荷重をかけると損傷しやすいものもあり、低荷重で圧盤を接触させて容易に平行度を調整することのできる装置が望まれている。

本発明の第１の態様による材料試験機に用いられる圧縮試験治具は、少なくとも球面部と圧盤部とを有する圧盤と、前記球面部を収容し、前記材料試験機の負荷軸に対して回転可能かつ揺動可能に前記圧盤を保持する保持部と、前記保持部に対して前記圧盤を固定する固定部とを備える。
本発明の第２の態様によると、材料試験機は、第１の態様による圧縮試験治具を有する。
本発明の第３の態様によると、第２の態様による材料試験機における平行度調整方法は、前記材料試験機の負荷軸に対して回転可能かつ揺動可能な状態で前記圧盤を所定の試験力で供試体の端面に接触させる接触ステップと、前記圧盤を回転および／または揺動し、前記供試体の端面と前記圧盤の前記圧盤部の圧縮面との平行度を調整する調整ステップと、前記調整ステップの後、前記所定の試験力が低下するか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップにおいて前記所定の試験力が低下したと判定されると、前記所定の試験力が低下しなくなるまで前記接触ステップと前記調整ステップとを繰り返す反復ステップと、を有する。

本発明によれば、供試体の被圧縮面と圧盤の圧縮面との平行度を容易に調整することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る材料試験機の概略図である。 図２は、図１の材料試験機に用いられるカゴ形治具を示す図である。 図３は、供試体と圧縮試験治具との関係を説明する図である。 図４（ａ）（ｂ）は、カゴ形治具の圧縮試験治具を示す平面図および断面図である。 図５は、一実施の形態に係る平行度調整方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る材料試験機の概略図である。図１に示すように本実施の形態の材料試験機１は、基台１１と、基台１１上に立設された左右一対のねじ棹１２と、これらのねじ棹１２の上部に配設されたヨーク１３と、クロスヘッド１５とを備える。クロスヘッド１５は左右一対のねじ棹１２と螺合するナット部を備え、ねじ棹１２に対して昇降する。基台１１とクロスヘッド１５の間にはカゴ形治具３０が配置されている。カゴ形治具３０はロードセル１６を介してクロスヘッド１５に取り付けられており、後述する圧縮試験用の圧縮試験治具を備える。

基台１１の下方には、圧縮および引張負荷用のモータ２０と、モータ２０の駆動により回転する同期プーリー２１と、一対のねじ棹１２の下端部にそれぞれ配設された同期プーリー２２と、同期ベルト２３とが配置されている。同期プーリー２１と同期プーリー２２はそれぞれ同期ベルト２３と係合している。モータ２３の駆動により同期プーリー２１と同期プーリー２２が回転し、これに同期して一対のねじ棹１２が回転する。一対のねじ棹１２が回転することにより、クロスヘッド１５はねじ棹１２の軸方向に昇降する。クロスヘッド１５の移動により、カゴ形治具３０内に配置された供試体に対して試験力が付与される。

図２に、材料試験機１に取り付けられるカゴ形治具３０を示す。図２に示すように、カゴ形治具３０はガイドブッシュ３１と、ガイドブッシュ３１に対して固定された上部支持板３２および下部支持板３３と、ガイドブッシュ３１に対して移動可能な上部可動板３４および下部可動板３５とを備えている。上部可動板３４および下部可動板３５は、それぞれリニアブッシュ３４ａ，３５ａを介してガイドブッシュ３１に取り付けられており、ガイドブッシュ３１に沿って上下方向に移動可能に構成されている。上部可動板３４には圧縮試験治具４０が取り付けられ、下部可動板３５には供試体ＴＰを保持する取付台３６が固定されている。

カゴ形治具３０の上部シャフト３７はロードセル１６を介してクロスヘッド１５に接続され、下部シャフト３８は基台１１に接続されている。クロスヘッド１５が上方へ移動すると、上部シャフト３７とともに上部支持板３２が上方に移動し、これに伴って上部可動板３４と下部可動板３５はガイドブッシュ３１に沿って互いに接近する方向に移動する。これにより、取付台３６に保持された供試体ＴＰが圧縮試験治具４０で圧縮される。

ここで、図３に示すような矩形状の平板からなる供試体ＴＰを用いて圧縮試験を行う場合を考える。供試体ＴＰの製作寸法誤差や、圧縮試験治具４０の組み立て誤差等の影響により、供試体ＴＰの被圧縮面と圧縮試験治具４０の圧縮面とが平行でない場合、供試体ＴＰに対して圧縮試験治具４０が片あたりしてしまい、供試体ＴＰの被圧縮面に対して直角方向に精度よく圧縮負荷を掛けることができなくなる。

近年、強度や耐久性が要求される自動車等の構造材料として、加工性、成形性に優れる熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック（熱可塑性ＣＦＲＰ）を用いることが検討されている。熱可塑性ＣＦＲＰは複合材料であって異方性を有し、付加される応力主軸方向等によって、引張、圧縮、曲げ、面内せん断、面外せん断、またはこれらの組み合わせ等、複雑な破壊挙動を示す。このような材料に対する材料試験を行う際には、供試体ＴＰの被圧縮面に対して直交する方向に精度よく試験力を掛けて正確な評価を行う必要がある。

本発明の一実施の形態においては、供試体ＴＰの被圧縮面と圧縮試験治具４０の圧縮面との平行度を調整するために、圧縮試験治具４０の角度（姿勢）を調整可能に構成する。
図４（ａ）（ｂ）に、カゴ形治具３０の圧縮試験治具４０を示す平面図および断面図を示す。圧縮試験治具４０は、複数の固定用ボルト３９によってカゴ形治具３０の上部可動板３４に固定される。図４（ｂ）に示すように、本実施の形態による圧縮試験治具４０は、材料試験機１の負荷軸（荷重軸）Ｌに対して揺動可能で、かつ負荷軸回りに回転可能に構成された角度調整圧盤４１を備えている。負荷軸Ｌに対する角度調整圧盤４１の角度（姿勢）を調整することで、供試体ＴＰの被圧縮面である端面に対する角度調整圧盤４１の圧縮面の平行度を調整する。

角度調整圧盤４１は、圧盤部４２と、ロッド部４３と、球面部４４とから構成されている。角度調整圧盤４１の球面部４４は球面ジョイント４５を介してケーシング４６内に収容されている。ケーシング４６は略円筒状の部材であり、図４（ｂ）において下端の内径が最も小さくなるように設計されている。これにより、角度調整圧盤４１がケーシング４６から抜け落ちないように構成されている。ケーシング４６は角度調整圧盤４１を保持する保持部として機能し、角度調整圧盤４１はケーシング４６によって材料試験機１の負荷軸Ｌに対して揺動可能かつ回転可能に保持されている。

ケーシング４６の上方には、第１くさび部材５１、第２くさび部材５２、およびねじ部材５３からなる固定部と、ベース部４８とが設けられている。第１くさび部材５１は角度調整圧盤４１側に傾斜面を有し、第２くさび部材５２は第１くさび部材５１の傾斜面に対向する側に傾斜面を有している。ねじ部材５３は、第２くさび部材５２に形成されたねじ穴に螺合し、ねじ部材５３を回転することにより、第１くさび部材５１に対して第２くさび部材５２が相対的に移動する。

固定部と、ベース部４８と、ケーシング４６とは、複数のボルト４９によって互いに連結されている。ねじ部材５３を回転し、第２くさび部材５２を図４（ｂ）において左側に移動すると、第１くさび部材５１の傾斜面によって第２くさび部材５２はベース部４８に押圧される。押圧されたベース部４８が、球座４７を介して球面部４４をケーシング４６に押し付けることにより、角度調整圧盤４１の回転および揺動が規制される。これにより、ケーシング４６に対する角度調整圧盤４１の位置が固定されて、材料試験機１の負荷軸Ｌに対する角度（位置）が固定される。

ねじ部材５３を回転し、第２くさび部材５２を図４（ｂ）において右側に移動すると、第２くさび部材５２によるベース部４７への押圧力が解除される。これにより、角度調整圧盤４１は負荷軸Ｌに対して回転および揺動が可能となる。

つぎに、本発明の一実施の形態による角度調整圧盤４１を用いた、材料試験機１の平行度調整方法について説明する。図５は、一実施の形態に係る平行度調整方法を説明するフローチャートである。図５に示す平行度調整方法は、材料試験機１に取り付けられた圧縮試験治具４０のねじ部材５３をゆるめ、角度調整圧盤４１が材料試験機１の負荷軸Ｌに対して揺動可能かつ回転可能に保持された状態で行う。供試体ＴＰは取付台３６に保持されている。

まず、ステップＳ１０で、材料試験機１のモータ２０を駆動し、クロスヘッド１５を移動して角度調整圧盤４１の圧盤部４２を供試体ＴＰの端面に接触させる。角度調整圧盤４１の圧盤部４２を供試体ＴＰの端面に接触させる際の試験力は、角度調整圧盤４１が供試体ＴＰの端面に接触したと判断でき、かつ供試体ＴＰを破損させない程度の微小な圧縮荷重として、予め適切な値を設定する。

ステップＳ２０では、材料試験機１の負荷軸Ｌに対して角度調整圧盤４１を揺動および／または回転させて角度を調整し、角度調整圧盤４１と供試体ＴＰの端面との間の不均一さを除去する。角度調整圧盤４１と供試体ＴＰの端面とが不均一であるとは、供試体ＴＰの端面に対して角度調整圧盤４１が片あたりしており、角度調整圧盤４１の圧盤部４２の圧縮面と供試体ＴＰの端面とが平行になっていない状態である。そこで、角度調整圧盤４１を揺動させたり回転させたりすることによって、角度調整圧盤４１の圧盤部４２の圧縮面と供試体ＴＰの端面との片あたりを解消し、両者が互いに平行になるように調整する。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０において角度調整圧盤４１の姿勢を調整することで、供試体ＴＰに付加されていた試験力が低下したか否かを判定する。試験力が低下した場合は、角度調整圧盤４１と供試体ＴＰの端面と片あたりが解消され、供試体ＴＰに付加されていた荷重が除荷されたと判断する。この場合、ステップＳ１０に戻り、ステップＳ１０とステップＳ２０の処理を繰り返す。ステップＳ１０では、前回と同様の試験力で再度、角度調整圧盤４１を供試体ＴＰの端面に接触させる。

一方、試験力が低下しない場合は、角度調整圧盤４１の姿勢を調整したことにより、角度調整圧盤４１の圧盤部４２の圧縮面と供試体ＴＰの端面との間で所望の平行度が達成されたと判断し、ステップＳ４０に進む。ステップＳ４０では、固定部のねじ部材５３を回転し、第２くさび部材５２をベース部４８に押圧することにより、ケーシング４６に対する角度調整圧盤４１の位置を固定する。これにより、平行度の調整作業が完了し、図５のフローチャートに示す処理が終了する。このように平行度が調整された状態で、材料試験機１による圧縮試験を行う。

上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）圧縮試験治具４０は、少なくとも球面部４４と圧盤部４２とを有する角度調整圧盤４１と、球面部４４を収容し、材料試験機１の負荷軸Ｌに対して回転可能かつ揺動可能に角度調整圧盤４１を保持するケーシング４６と、ケーシング４６に対して角度調整圧盤４１を固定する固定部とを備える。これにより、角度調整圧盤４１の位置を調整した状態で固定することができるので、供試体ＴＰの被圧縮面に対して精度よく圧縮負荷を掛けることができる。

（２）固定部は、傾斜面を有する第１くさび部材５１と、第１くさび部材５１の第１傾斜面に対向する傾斜面を有する第２くさび部材５２と、第１くさび部材５１に対して第２くさび部材５２を移動させるねじ部材５３とを備える。第１くさび部材５１とねじ部５３とを用いて第２くさび部材５２をケーシング４６側に押圧することにより、ケーシング２６に対して角度調整圧盤４１を固定する。このように、くさび機構を用いることにより、供試体ＴＰの被圧縮面と角度調整圧盤４１の圧盤部４２の圧縮面との平行度を容易に調整することが可能となる。

（３）材料試験機１において平行度を調整する際には、材料試験機１の負荷軸Ｌに対して回転可能かつ揺動可能な状態で角度調整圧盤４１を所定の試験力で供試体ＴＰの端面に接触させる接触ステップ（Ｓ１０）と、角度調整圧盤４１を回転および／または揺動し、供試体ＴＰの端面と角度調整圧盤４１の圧盤部４２の圧縮面との平行度を調整する調整ステップ（Ｓ２０）と、調整ステップの後、所定の試験力が低下するか否かを判定する判定ステップ（Ｓ３０）と、判定ステップにおいて所定の試験力が低下したと判定されると、所定の試験力が低下しなくなるまで接触ステップと調整ステップとを繰り返す反復ステップと、を実行する。これにより、供試体ＴＰの被圧縮面と角度調整圧盤４１との平行度を容易に調整することが可能となる。また、供試体ＴＰが損傷しやすい材質からなる場合であっても、微小の試験力を付加しながら平行度の調整を行うことができるので、材料試験を行う前に誤って供試体ＴＰを破損してしまうことがない。

上述した一実施の形態においては、角度調整圧盤４１が圧盤部４２と、ロッド部４３と、球面部４４とから構成されるとして説明したが、角度調整圧盤４１の構成はこれには限定されない。例えば、圧盤部４２と、ロッド部４３と、球面部４４とが一体化した構成としてもよい。角度調整圧盤４１は、少なくとも圧盤部４２と球面部４４とを有し、材料試験機１の負荷軸Ｌに対して回転可能かつ揺動可能に構成されていれば、どのような構成であってもよい。

なお、上述した一実施の形態においては、角度調整圧盤４１の位置を固定するための固定部として、第１くさび部材５１、第２くさび部材５２、およびねじ部材５３を用いたが、固定部はこれらには限定されない。例えば、第１くさび部材５１に対して第２くさび部材５２を移動させることができれば、ねじ部材５３以外の部材を用いてもよい。あるいは、くさび機構の代わりに、油圧シリンダや電磁石等を用いて角度調整圧盤４１の位置を固定するように構成してもよい。ただし、第１くさび部材５１、第２くさび部材５２、およびねじ部材５３からなるくさび機構を用いることにより、簡素な構成で容易に角度調整圧盤４１の位置を固定することができる。

また、上述した一実施の形態においては、カゴ形治具３０を利用する例を説明したが、これには限定されない。例えば、カゴ形治具３０を省略し、所定の継ぎ手等を用いて圧縮試験治具４０をロードセル１６に固定してもよい。この場合、供試体ＴＰを保持する取付台３６は基板１１に固定される。カゴ形治具３０を省略した場合も、図５のフローチャートに示す手順に従って平行度の調整を行う。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：材料試験機、４０：圧縮試験治具、４１：角度調整圧盤、４２：圧盤部、４４：球面部、４６：ケーシング、５１：第１くさび部材、５２：第２くさび部材、５３：ねじ部材

Claims (4)

1. 材料試験機に用いられる圧縮試験治具であって、
   少なくとも球面部と圧盤部とを有する圧盤と、
   前記球面部を収容し、前記材料試験機の負荷軸に対して回転可能かつ揺動可能に前記圧盤を保持する保持部と、
   前記保持部に対して前記圧盤を固定する固定部とを備える圧縮試験治具。
2. 請求項１に記載の圧縮試験治具において、
   前記固定部は、第１傾斜面を有する第１くさび部材と、前記第１傾斜面に対向する第２傾斜面を有する第２くさび部材と、前記第１くさび部材に対して前記第２くさび部材を移動させるねじ部材とを備え、
   前記固定部は、前記第１くさび部材と前記ねじ部材とを用いて前記第２くさび部材を前記保持部側に押圧することにより、前記保持部に対して前記圧盤を固定する圧縮試験治具。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧縮試験治具を有する材料試験機。
4. 請求項３に記載の材料試験機における平行度調整方法であって、
   前記材料試験機の負荷軸に対して回転可能かつ揺動可能な状態で前記圧盤を所定の試験力で供試体の端面に接触させる接触ステップと、
   前記圧盤を回転および／または揺動し、前記供試体の端面と前記圧盤の前記圧盤部の圧縮面との平行度を調整する調整ステップと、
   前記調整ステップの後、前記所定の試験力が低下するか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップにおいて前記所定の試験力が低下したと判定されると、前記所定の試験力が低下しなくなるまで前記接触ステップと前記調整ステップとを繰り返す反復ステップと、を有する平行度調整方法。

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