高温试样快换工装技术研究.docx

? ? 高温试样快换工装技术研究 ? ? 公旭国，张立新，秦秀秀 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 辽宁沈阳 110043 1 序言 高温长时试验主要是高温持久蠕变试验，试验温度为650～1100℃，样品与试验机通过拉杆和夹具连接。按照GB/T 2039—2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》要求，试样联接后的同轴度要≤10%，行业内通用的拉杆、夹具以及样品的联接方式为螺纹联接，螺纹联接同轴度远低于10%的要求[1]。当试验结束后，更换样品主要是通过旋转的方式将样品从螺纹夹具上拆卸下来，再将新样品安装到螺纹夹具上，完成新样品的装夹。在试验停止后，打开高温炉，待拉杆和夹具冷却到试验人员佩戴隔热手套操作时，方可开始下一次试验，故上述联接方式会增加下一个样品的安装时间。 为了缩短两次高温持久试验之间的等待时间，缩短高温持久试验装夹时间，提高高温持久试验工作效率，本课题通过设计一种新型的工装夹具，达到高温试验结束后短时间内快速地更换工装、装夹新试验样品，开始新试验的目的。 2 工装现状分析 2.1 原工装设计分析 高温持久蠕变试验机上的工装夹具包括夹头、上拉杆、下拉杆及螺纹夹具。原工装夹具为螺纹联接，设计结构如图1、图2所示，均是较为传统的工装夹具联接方式。螺纹联接的试样同轴度比较容易控制，且不易产生试样偏斜，试样装夹完成后，同轴度能满足试验标准方法的要求。同轴度是高温持久蠕变试验非常重要的指标，尤其对于脆性材料，同轴度对试验数据的影响更为显著。 图1 螺纹夹具设计结构 图2 上（下）拉杆设计结构 2.2 原工装使用状态分析 原工装夹具试验现场及联接方式如图3所示。红色菱形部分为试样，其通过两端的螺纹与螺纹夹具联接，螺纹夹具与拉杆联接也是通过内外螺纹联接，拉杆与夹头的联接均是通过螺纹联接。在900℃以上进行高温试验时，螺纹联接的拉杆、夹具和夹头之间因为高温氧化原因存在黏连不能拆卸的现象，导致夹具报废。 图3 原工装夹具试验现场及联接方式 同时这种联接方式，试验结束需要待夹具冷却后，试验人员才能佩戴手套将试样从夹具上拆卸下来，600℃以下的试验等待最少要1h，夹具才能冷却，平均等待时间为3h，两次试验之间的间隔时间较长，导致试验效率不高。 3 新型工装设计 3.1 新型工装设计要求 新设计的拉杆和夹具要联接在试验机上进行同轴度检测，标准试样任意两相对方向弹性变形值≤10%，即任意两相对方向弹性变形的最大值与平均值之差除以平均值≤10%。 3.2 新型工装详细设计 新型工装夹具夹头和拉杆采用带开口式平台联接，夹具依然采用螺纹联接，确保联接后试样的同轴度能满足标准方法要求。此外，考虑夹头和上下拉杆采用开口式平台联接，在试样结束后，打开高温炉，拉杆容易从夹头的平台上直接脱落而砸伤试验人员，因此在开口式平台上设计一窝形结构，让拉杆与夹头的平台接触后在窝形结构中不能脱落，确保夹具使用时的安全[2]。 试验结束后，只要用长柄钳子将联接夹具的拉杆从夹头中取出，换上新的装有样品的拉杆和夹具，即可开始新的试验。新工装夹具实现了30min内即可完成样品的更换。改进后快换夹具设计结构及现场应用状态如图4、图5所示。 图4 改进后快换夹具设计结构 图5 改进后快换夹具现场应用状态 4 夹具同轴度试验结果 工装夹具的同轴度主要依靠加工时的机床保证，无具体标准指导如何进行工装夹具的同轴度检测，传统的方式都是通过标准样品与工装夹具联接，然后采用贴应变片或者是双边变形光栅式传感器进行测量并计算同轴度。试验室采用第一种方式进行同轴度的测量并计算，结果见表1、表2。 表1 RD100型持久蠕变试验机同轴度核查记录 表2 GWT504型持久蠕变试验机同轴度核查记录 通过用同轴度验证，证明新工装夹具整体联接后的同轴度符合国家标准和美国标准试验方法的要求，可以进行试验验证。 新工装夹具的高温耐用性以及长时间试验后的同轴度是否满足标准要求，是考察新工装夹具的关键性指标。 试验室选取材料性能稳定、零件号相同的GH4169高温合金外购锻件进行新工装夹具使用500h、1000h及1500h后，再次进行工装夹具同轴度验证。试验至500h后，再次核查试验机的同轴度，结果见表3。试验至1000h后，再次核查试验机的同轴度，结果见表4。试验至1878h后，再次核查试验机的同轴度，结果见表5。 表3 试验500h后RD100型持久蠕变试验机同轴度 核查记录 表4 试验1000h后RD100型持久蠕变试验机同轴度 核查记录 表5 试验1878h后RD100型持久蠕变试验机同轴度 核查记录 从同轴度验证的数据可知，新试验工装夹具使用500h、1000h、1878h后，同轴度验证都能满足标准试验方法中同轴度≤10%的要求。 5 结束语 新工装的同轴度试验满足GB/T 2039—20