KR20040040054A - 고무시편용 이축 인장시험기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고무재료의 이축인장시험기에 관한 것으로, 특히 고무시편의 방사방향에 따른 이축 인장시험기 및 시편그립에 관한 것이다.

고무재료의 압축시험은 일반적인 금속시험과는 달리 재료의 높은 마찰계수와 변형특성 때문에 정확한 압축시험결과(압축변형률, 압축응력)를 얻을 수 없다. 그러나 고무판의 이축 인장시험(방사형 인장시험)을 통해 두께가 얇아지는 현상을 이용하면 압축시 발생되는 재료의 변형특성과 동일하게 고려할 수 있다. 이러한 변형특성은 재료의 마찰에 대한 영향이 없는 것으로 실제적인 압축변형률과 압축응력을 계산할 수 있다. 그러나 실제적인 압축실험결과와 이축 인장시험결과를 보정하기 위해 환산식을 사용한다.

본 발명에서 제시하는 이축 인장시험기의 역할은 원판형 고무시편을 방사 방향으로 인장 시키는 것이다. 이축 인장시험기는 도 2(a)와 같이 원주방향으로 작용하는 하중과 변형량을 동일하게 유지하는 것이 중요하다. 고무판은 그립에 의해 체결되며, 그립은 와이어(11b)와 연결되어 무빙플레이트(13)에 장착된다. 풀리(11a)의 역할은 무빙플레이트의 상하 운동방향을 원판형 고무시편에 방사방향으로 변환시키는 것이다. 무빙플레이트(13)의 원활한 상하운동과 운동중의 마찰저항을 최소화하기 위해 볼부시(12a)를 장착하였다. 볼부시(12a)는 지지대(12)를 통해 정확한 수직운동을 안내하는 역할을 한다. 원판형 고무시편에 16개의 그립이 체결되며, 시편과 그립이 체결된 부분에서 미끄럼이 발생되지 않아야 된다. 원판형 고무시편의인장 시험시 높은 포와송 비 때문에 그립부분의 두께가 얇아진다. 그러므로 그립과 고무시편의 체결부위에서 미끄럼이 발생될 수 있다. 그립(20)은 일측에 피봇축(21)을 중심으로 두개의 니퍼(20a)(20b)의 끝단이 서로 맞물리도록 하되, 그 접하는 면에 톱니형 이빨을 형성하고 두 니퍼간에 스프링(22)을 설치하여 서로 맞물리는 탄성력이 일정하게 작용하도록 함으로서 고무시편을 체결하여 인장 시키는 과정에 고무시편의 두께가 얇아지더라도 그립(20)은 스프링(22)의 탄성력에 의해 16개의 그립들의 동일한 체결력을 연속적으로 유지할 수 있어 고무시편의 압축하중과 변형률을 신뢰할 수 있는 측정치를 얻을 수 있다.

Description

고무시편용 이축 인장시험기 {The Equal Biaxial Extension Tester}

본 발명은 고무시편의 이축 인장시험기에 관한 것으로, 고무시편을 방사방향 으로 동일하게 인장시켜 고무시편의 물성을 정확히 측정할 수 있는 이축 인장시험기에 관한 것이다.

산업의 많은 분야에 고무소재를 이용한 부품의 사용이 증가되고 있다. 이러한 고무류 부품을 설계하고 제작하는 과정에서 정확한 물리적 특성을 분석해야 적합한 설계와 적정한 활용이 가능하다. 고무류 제품의 설계에 사용되는 정확한 물성값을 얻기 위해 인장, 압축, 전단, 비틀림, 마찰, 충격, 진동 등의 시험을 한다. 이러한 물성값의 정확성에 따라 제품의 성능을 좌우할 수 있다.

고무재료의 압축시험은 일반적인 금속시험과는 달리 재료의 높은 마찰계수와 변형특성 때문에 정확한 압축시험결과(압축변형률, 압축응력)를 얻을 수 없다. 그러나 고무판의 이축 인장시험(방사형 인장시험)을 통해 두께가 얇아지는 현상을 이용하면 압축시 발생되는 재료의 변형특성과 동일하게 고려할 수 있다. 이러한 변형특성은 재료의 마찰에 대한 영향이 없는 것으로, 실제적인 압축변형률과 압축응력을 계산할 수 있다. 그러나 실제적인 압축실험결과와 이축 인장시험결과를 보정하기 위해 환산식을 사용한다.

도 1a는 고무시편을 가로세로방향으로(직교형이라 함) 인장시키는 이축 인장시험의 개념을 나타낸 것이고, 도 1b는 고무시편을 방사방향으로 인장(방사형이라 함)시키는 이축 인장개념을 나타낸 것이다. 이축 인장시험과정에 고무시편을 방사방향으로 인장시킬 때 고무시편은 금속시편과 달리 신장률이 크기 때문에 인장시 두께가 얇아짐으로 얇아진 시편이 그립으로부터 이탈되어져 동일한 인장조건을 유지할 수 없는 문제점이 있어 왔다.

이와 같은 주된 이유는 인장시험기에 사용되는 기존의 그립은 도 3(b)에 도시된 바와 같이 그 니퍼(1)가 고무시편을 물고 있도록 스크류(2)로 조여 고무시편을 체결하였으나 고무시편이 점차 연신되어지는 길이에 비례하여 두께가 얇아지면서 그립(1)으로 부터 분리되거나 다른 그립들간의 체결력이 일정하지 않아 고무시편을 파지하고 있는 각각의 그립에 물려 있는 고무시편의 물리적 변화가 동일하게 발생되지 않기 때문에 그 차이로 인해 고무시편의 물성치를 정확히 측정할 수 없게 되는 문제가 발생되는 것이다.

아울러, 종래의 그립의 경우 무게중심이 높고, 중심이 일치하지 않으면 시편체결부위에서 비틀림이 발생된다. 시편의 비틀림에 의해 그립과 시편의 체결부위에서 부분적으로 스트레인(Strain)이 발생될 수 있으며, 정확한 시험결과를 얻을 수없는 것이다.

정확히 고무시편의 시험을 위해서는 시험기의 조건으로서 고무시편을 방사방향으로 동일한 조건으로 동시에 인장시켜야 하며, 인장시 두께가 변화하는 그립과 고무시편간의 체결력을 일정하게 유지되도록 하는데 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해소하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 이축 인장시험기에 있어 고무시편을 방사방향으로 인장시킬 때 고무시편이 얇아지면서 그립으로부터 미끄럼이 발생되지 않도록 그 체결력을 일정하게 유지되도록 한 이축 인장시험기을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고무시편을 방사형으로 인장시키기 위해 사용되는 무빙플레이트는 정확한 방사형의 신장을 유도하기 위해 수평하게 상하로 슬라이딩되도록 하고, 와이어의 연결부위는 자유롭게 길이를 조정할 수 있는 이축인장시험기를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 구현수단으로 첫 번째는 이축 인장시험기의 고무시편 체결용 그립에 있어, 상기 그립의 일측에 피봇축을 중심으로 두개의 니퍼 끝단이 서로 맞물리도록 하되, 그 접하는 면에 이빨을 형성하고 두 니퍼간에 스프링을 설치하여 서로 맞물리는 탄성력이 내재되도록 함으로서 고무시편을 잡아당길 때 시편의 두께가 얇아지더라도 그에 대응하여 고무시편을 잡고 있는 그립의 체결력을 일정하게 함으로서 고무시편을 인장을 균일하고 할 수 있도록 한 구성에 있다.

두 번째로 무빙플레이트는 상단 방향으로 다수개 바람직하게는 16개의 와이어가 장착되며, 하단 방향으로 로드셀과 실린더가 장착된다. 또한 시편에 인장하중을 가하며, 인장력을 측정하는 핵심부품이다. 무빙플레이트의 변형 및 부적합한 설계는 정확한 시험결과를 얻을 수 없다. 4개의 지지대(12)를 따라 작동하는 구조이므로 복잡한 형상을 갖는다.

무빙플레이트는 4개의 볼 부시(12a)와 결합되어 있으며, 4개의 볼부시는 정확한 평행도를 유지하고 있다. 그러므로 지지대(12)와 무빙플레이트는 수직을 유지하며 상하운동을 할 수 있다. 볼 부시의 운동 중 발생되는 마찰계수가 극히 적기 때문에 마찰에 대한 영향을 감소시킬 수 있다.

세번째로 고무시편과 무빙플레이트는 와이어로 연결된다. 와이어는 풀리(11a)를 통해 수평방향의 운동을 수직방향으로 변환되며, 16개의 와이어가 무빙플레이트의 상단에 설치되어 있다. 실린더(14)의 작동으로 무빙플레이트가 작동되며 16개의 와이어가 동일하게 작동하여 그림을 인장시킴으로서 고무시편을 16방향에서 동일한 조건으로 동시에 인장시킬 수 있다.

도 1은 이축 인장시험기의 형태를 나타낸 것으로, (a)는 직교형 이축 인장시험 형태를, (b)는 방사형 이축 인장시험 형태를 예시한 도면이다.

도 2는 이축 인장시험시 발생될 수 있는 고무시편의 변형형상을 나타낸 것으로, (a)는 정상적인 시험에서 나타나는 고무시편의 변형현상을 나타내며, (b), (c)는 비정상적인 상태의 시험에 의해 발생될 수 있는 고무시편의 변형을 나타낸다.

도 3은 종래에 사용되는 이축인장시험기의 그립의 형상을 나타낸 측면도이다.

도 4은 이축 인장시험기를 도시한 것으로, (a)는 이축인장시험기의 평면도, (b)는 정면에서 절취한 요부단면도이며, (c)는 와이어의 연결부분을 상세하게 표현한 요부단면도이다.

도 5(a),(b)는 본 발명에 따른 그립의 형상을 도시하는 측면도 및 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11:테이블11a:풀리

11b:와이어11c:와이어 길이조정 봉

11d:와이어 고정나사 12:지지대

12a: 볼부시 13:무빙 플레이트

13b: 와이어 길이조정 봉 고정나사 14:실린더

15:베이스판 16:로드셀

20:그립 20a,20b:니퍼

21:피봇축 22:스프링

24:샤프트

이하, 본 발명에 따른 이축 인장시험기용에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4(a)∼(c)을 참조하면, 도 4(a)은 이축 인장시험기 평면도이고, 도 4(b)는 이축 인장시험기의 요부 측단면이고, 도 4(c)는 와이어가 체결되는 부분의 부분요부상세도이다. 도면에서 참조번호 11은 테이블이고, 12는 테이블을 지지하는 지지대이며, 13은 무빙플레이트이고, 14는 실린더이고, 16은 로드셀이다.

상기 테이블(11)는 그 원주면에 자유자재로 회전하는 16개의 풀리(11a)가 대칭방향에 설치되어 있으며, 그 저면에 4개로 설치된 지지대(12)에 의해 베이스판(15)위에 고정 설치되어 있다. 상기 풀리(11a)는 일측단이 그립(20)과 연결되어 그립(20)을 인장시키는 와이어(11b)가 풀리(11a)의 원주면 둘레에 걸쳐져 있으며, 와이어(11b)의 타측단은 무빙플레이트(13)상에 결합되어져 있다.

와이어(11b)가 일정한 길이로 무빙플레이트(13)와 결합되도록 와이어의 끝단은 와이어 길이 조정 봉(11c)과 체결되어 있으며, 와이어 길이 조정 봉(11c)은 와이어 길이 조정 봉 고정나사(13b)에 의해 무빙플레이트에 견고히 체결고정된다. 와이어 길이 조정 봉(11c)을 무빙플레이트의 일정한 길이에 위치시킨 후 와이어 길이 조정 봉 고정나사(13b)에 의해 위치를 고정한다.

상기 무빙플레이트(13)는 지지대(12)상에 상하로 움직일 수 있도록 설치되어 있으며 피로시험기 및 인장시험기의 엑추레이터에 의해 상하로 작동된다. 상기한 실린더(14)의 상측과 무빙플레이트(13)사이에는 로드셀(16)이 장착되어 있다.

도 5(a)(b)를 참조하면, 도5(a)(b)는 본 발명에 따른 이축 인장시험기용 그립을 예시적으로 도시한 사시도로서, 도면에서 알 수 있는 바와 같이 그립(20)은 니퍼(20a)(20b)가 서로 맞물려져 있다.

상기 그립(20)의 니퍼(20a)(20b)는 피봇축(21)을 회동할 수 있도록 결합되어 있으며, 니퍼(20a)(20b)의 양단부는 서로 접하는 면에 이빨이 형성되어 있고, 두니퍼(20a)(20b)가 서로 근접되는 쪽으로 탄성력이 작용하도록 스프링(22)이 설치되어 있다.

스프링(22)는 일측의 니퍼(20a)의 중간부분을 관통하여 다른 니퍼(20b)의 내면에 피봇가능하게 결합된 샤프트(24)의 원주면에 설치되어지는데, 스프링(22)의 탄성력은 샤프트(24)의 자유단에 형성된 너트(23)의 조임력에 의해 조절될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 이축 인장시험기용 그립(20)에 대한 작동 및 작용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 16개의 그립(20)이 고무시편의 테두리부분과 체결된 뒤 실린더(14)를 작동시키면 실린더(14)가 하강하면서, 무빙플레이트(13) 상단에 결합된 와이어(11b)가 인장되어진다.

와이어(11b)가 인장되어지면 그립(20)이 테이블의 반경방향 외측으로 이동하면서 고무시편을 인장시키게 된다. 이때 무빙플레이트(13)상에 장착된 로드셀(16)이 인장하중을 16방향에서 동시에 측정한다. 그리고 도 3(b)에 도시된 바와 같이 레이저변형률 측정장치(30)에 의해 고무판의 변형률을 동시에 측정한다.

상기에 제시한 시험과정에서 하중과 변형률을 로드셀과 레이저 변형률 측정기의 신호를 통해서 얻을 수 있다. 로드셀의 하중값을 고무판의 원주 단면적으로 나눈값이 응력이 된다. 상기에서 얻어진 응력과 변형률을 2축 인장시험기에서 얻어진 값이므로 Biaxial Stress(σ_b) 와 Biaxial Strain(ε_b)이라 한다. BiaxialStress와 Biaxial Strain을 일반적인 압축시험에서 얻은 응력(σ_c)과 변형률(ε_c)로 환산하기 위해 식(1)과 식(2)를 사용할 수 있다.

σ_c=σ_b(1+ ε_b)³-------------------------------- (1)

ε_c=1/(ε_b+1)²- 1 -------------------------------- (2)

이때 고무시편이 인장되는 과정에 고무시편의 두께는 얇아지지만 그립에 내재된 스프링(22)에 의해 고무시편을 체결하는 체결력을 동일하게 유지할 수 있어 고무시편이 빠지거나 이탈되지 않도록 잡아당길 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 이축 인장시험기용 그립은 고무시편이 인장되는 과정에 인장력에 의해 시편의 두께가 얇아지더라도 그립은 스프링의 탄성력에 의해 보상되어짐으로 16개 그립들의 체결력을 동일하게 유지할 수 있어 고무시편의 압축하중과 변형률에 대해 신뢰할 수 있는 측정치를 얻을 수 있게 되는 것이다.

또한 시험기의 빈번한 사용에 의해 와이어의 신장량이 다를 경우 시편의 중심이 일치하지 않는다. 시편의 중심을 조정하기 위해 와이어 길이 조정 봉(11c)과 와이어 길이 조종 봉 고정나사(13b)를 조정하여 시편의 중심이 테이블(11)의 중심에 일치하도록 조정할 수 있다.

마지막으로 4개의 지지대(12)는 4개의 볼부시(12a)에 의해 무빙플레이트와 연결되어 왕복운동이 이루어지므로 무빙플레이트가 수평방향으로 정확한 상하 운동이 가능하도록 한다.

본 발명은 고무재료의 압축응력과 압축변형률을 정확하게 얻기 위한 시험장치이다. 일반적인 압축시험에서 정확한 값을 얻지 못하였으나 본 시험장비를 이용하여 정확한 값을 얻을 수 있다. 이는 고무류 기계부품의 설계단계에서 사용되는 기초물성으로 적용될 수 있으며 정확한 제품설계에 큰 역할을 한다.

Claims (5)

1. 고무시편의 물성을 측정하기 위한 이축인장시험기에 있어서,

   고무시편이 놓여지고, 테두리에 자유자재로 회전되도록 결합된 다수개의 풀리(11a)를 구비하는 테이블(11)과;

   상기 테이블(11)를 지지하는 다수의 지지대(12)를 포함하는 베이스(15)와;

   상기 지지대(12)에 승하강되도록 결합되는 무빙플레이트(13)와;

   상기 무빙플레이트(13)를 승하강시키기 위하여 상기 베이스(15)에 결합된 실린더(14)와;

   상기 무빙플레이트(13)와 상기 실린더(14) 사이에 설치되어 하중을 감지하는 로드셀(16)과;

   상기 테이블(11)상에 고무시편을 파지하는 그립(20)과 상기 그립(20)을 인장시키기 위하여 상기 풀리(11a)에 걸쳐 단부를 상기 무빙플레이트(13)에 고정한 와이어(11b)로 구성된 것을 특징으로 하는 고무시편용 이축 인장시험기.
2. 제1항에 있어서, 그립(20)은 일측에 피봇축(21)을 중심으로 두개의 니퍼(20a)(20b)의 끝단이 서로 맞물리도록 하되, 그 접하는 면에 이빨이 맞물리도록 탄성력을 가하기 위하여, 상기 두 니퍼(20a)(20b)간에 샤프트(24)를 피봇가능하게 설치하고 상기 샤프트(24)의 원주면에 스프링(22)을 설치한 것을 특징으로 하는고무시편용 이축 인장시험기.
3. 제1항에 있어서, 상기 와이어(11b)와 상기 무빙플레이트(13)상에 결합되는 와이어(11b)의 단부의 길이를 조절하기 위하여 상기 무빙플레이트(13)에 와이어 길이 조정 봉(11c)과 와이어 길이 조정 봉 고정나사(13b)가 마련되어 각각의 와이어(11b)의 길이를 자유로이 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 고무시편용 이축 인장시험기.
4. 제1항에 있어서, 상기 고무시편을 방사방향 외측으로 균일하게 인장시키기 위하여 상기 그립(20)을 고무시편의 반경방향 외측에 대칭되도록 16방향으로 설치하여 시편의 각 방향에 따른 인장하중을 한번에 통합 측정하도록 한 것을 특징으로 하는 고무시편용 이축 인장시험기.
5. 제1항에 있어서, 상기 그립(20)은 일측에 피봇축(21)을 중심으로 두개의 니퍼(20a)(20b)의 끝단이 서로 맞물리도록 하되, 그 접하는 면에 이빨을 이 맞물리도록 탄성력을 가하기 위하여, 상기 두 니퍼(20a)(20b)간에 샤프트(24)를 피봇가능하게 설치하고 상기 샤프트(24)의 원주면에 스프링(22)을 설치한 것을 특징으로 하는 고무시편용 이축 인장시험기.