JP6187012B2 - 一様二軸引張試験用治具 - Google Patents

Description

本発明は、万能試験機に取り付けられることにより一様二軸引張試験を行うことを可能にする一様二軸引張試験用治具に関する。

従来の二軸引張試験として、独立した複数のアクチュエータを用いた二軸引張専用試験機が知られている。この試験機は、各軸の変位量を別々に設定することが可能であり、多様な試験を行うことが可能である。しかし、装置が大型で高価であるという欠点があった。

一方、万能試験機に取り付けられることにより二軸引張試験を可能とする治具が知られている。例えば、特許文献１、非特許文献１に記載されている二軸引張試験装置は、万能試験機に取り付けることにより、装置の上部に加えた圧縮力を水平の二軸方向引張力に変換する機構になっている。しかし、試験片を囲むような機構となっているため、試験中において試験片の変形の観察や画像解析が困難であるという欠点があった。

特開２０１２−０３２２１８号公報

永安達哉・高橋進：引張比可変な二軸引張試験装置に関する研究，日本大学生産工学部第43回学術講演会，No.1-23，2010

そこで本発明は、万能試験機に取り付けられることにより一様二軸引張試験を可能とするとともに、試験中において試験片の変形の観察を可能とする、一様二軸引張試験用治具を提供することを目的とする。

本発明の一様二軸引張試験用治具は、
ベース部材と、
このベース部材の左端部から上方に向かって前記ベース部材に対して垂直に設けられた第一の垂直シャフトと、
前記ベース部材の右端部から上方に向かって前記ベース部材に対して垂直に設けられた第二の垂直シャフトと、
前記ベース部材の上方において前記ベース部材に対して平行に設けられ、前記第一の垂直シャフトと前記第二の垂直シャフトが挿通され、前記第一の垂直シャフトと前記第二の垂直シャフトに沿って移動可能に設けられたトップ部材と、
前記ベース部材の中央部から左端部上方に向かって前記ベース部材に対して４５°の角度をなして設けられた第一の下部シャフトと、
前記ベース部材の中央部から右端部上方に向かって前記ベース部材に対して４５°の角度をなして設けられた第二の下部シャフトと、
前記トップ部材の中央部から左端部下方に向かって前記トップ部材に対して４５°の角度をなして設けられた第一の上部シャフトと、
前記トップ部材の中央部から右端部下方に向かって前記トップ部材に対して４５°の角度をなして設けられた第二の上部シャフトと、
前記ベース部材に対して垂直に設けられ、前記第一の下部シャフトと前記第一の上部シャフトが挿通され、前記第一の下部シャフトと前記第一の上部シャフトに沿って移動可能に設けられた第一の中央部材と、
前記ベース部材に対して垂直に設けられ、前記第二の下部シャフトと前記第二の上部シャフトが挿通され、前記第二の下部シャフトと前記第二の上部シャフトに沿って移動可能に設けられた第二の中央部材と、
前記ベース部材の中央部から上方に向かって設けられた第一のチャック部材と、
前記トップ部材の中央部から下方に向かって設けられた第二のチャック部材と、
前記第一の中央部材の中央部から右方に向かって設けられた第三のチャック部材と、
前記第二の中央部材の中央部から左方に向かって設けられた第四のチャック部材と、
を備え、
前記トップ部材の上方向の移動に伴って、前記第一の中央部材が左上４５°方向、前記第二の中央部材が右上４５°方向にそれぞれ移動することを特徴とする。

本発明の一様二軸引張試験用治具によれば、前記トップ部材の上方向の移動に伴って、前記第一の中央部材が左上４５°方向、前記第二の中央部材が右上４５°方向にそれぞれ移動する。このため、前記トップ部材を上方向に引っ張る動作により、第一のチャック部材、第二のチャック部材、第三のチャック部材、第四のチャック部材によって、直交する二軸に沿った一様な引っ張り動作を行うことができる。したがって、万能試験機に取り付けられることにより一様二軸引張試験が可能となる。また、第一のチャック部材、第二のチャック部材、第三のチャック部材、第四のチャック部材の前後方向には部材を必要としないため、試験中において試験片の変形の観察が可能である。

本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示す正面図である。 本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示す斜視図である。 本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示すトップ部材を上方に移動させたときの正面図である。 本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示す動作の様子を示す写真である。 本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示すシリコンゴムの二軸引張試験の変形挙動を示す写真である。 本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例を示すシリコンゴムの単軸引張試験の結果と一様二軸引張試験の結果を比較したグラフである。

以下、本発明の一様二軸引張試験用治具の一実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。

本実施例の一様二軸引張試験用治具の一例を示す図１〜３において、１は細長い板状のベース部材であり、ベース部材１は図示しない万能試験機の下台に固定されるようになっている。ベース部材１の左端部１ａには、ベース部材１から上方に向かって垂直に円筒状の第一の垂直シャフト２が設けられ、ベース部材１の右端部１ｂには、ベース部材１から上方に向かって垂直に円筒状の第二の垂直シャフト３が設けられている。

ベース部材１の上方には、ベース部材１に対して平行に細長い板状のトップ部材４が設けられている。トップ部材４の左端部４ａには第一の垂直シャフト２が挿通され、トップ部材４の右端部４ｂには第二の垂直シャフト３が挿通されている。そして、トップ部材４の第一の垂直シャフト２との接続部分と、トップ部材４の第二の垂直シャフト３との接続部分には、それぞれリニアブッシュ５ａ，５ｂが設けられている。これにより、トップ部材４は、ベース部材１に対して平行を保ちながら、第一の垂直シャフト２と第二の垂直シャフト３に沿って上下方向に移動可能になっている。

ベース部材１の中央部１ｃのやや左側には、円筒状の第一の下部シャフト６の一端が固定されている。第一の下部シャフト６の他端は、第一の垂直シャフト２に挿通されて固定された取付部材６ａに固定されている。このようにして、第一の下部シャフト６は、ベース部材１の中央部１ｃから左端部１ａ上方に向かってベース部材１に対して４５°の角度をなして設けられている。

一方、ベース部材１の中央部１ｃのやや右側には、円筒状の第二の下部シャフト７の一端が固定されている。第二の下部シャフト７の他端は、第二の垂直シャフト３に挿通されて固定された取付部材７ａに固定されている。このようにして、第二の下部シャフト７は、ベース部材１の中央部１ｃから右端部１ｂ上方に向かってベース部材１に対して４５°の角度をなして設けられている。

トップ部材４の中央部４ｃのやや左側には、円筒状の第一の上部シャフト８の一端が固定されている。第一の上部シャフト８の他端は、第一の垂直シャフト２に挿通された取付部材８ａに固定されている。このようにして、第一の上部シャフト８は、トップ部材４の中央部４ｃから左端部４ａ下方に向かってトップ部材４に対して４５°の角度をなして設けられている。

一方、トップ部材４の中央部４ｃのやや右側には、円筒状の第二の上部シャフト９の一端が固定されている。第二の上部シャフト９の他端は、第二の垂直シャフト３に挿通された取付部材９ａに固定されている。このようにして、第二の上部シャフト９は、トップ部材４の中央部４ｃから右端部４ｂ下方に向かってトップ部材４に対して４５°の角度をなして設けられている。

また、取付部材８ａと第一の垂直シャフト２の接続部分、取付部材９ａと第二の垂直シャフト３の接続部分には、それぞれリニアブッシュ10ａ，10ｂが設けられている。これにより、取付部材８ａ，９ａは、それぞれ第一の垂直シャフト２と第二の垂直シャフト３に沿って上下方向に移動可能になっている。

ベース部材１とトップ部材４の間には、ベース部材１に対して垂直に第一の中央部材11と第二の中央部材12が設けられている。第一の中央部材11の下端部11ａには第一の下部シャフト６が挿通され、第一の中央部材11の上端部11ｂには第一の上部シャフト８が挿通されている。一方、第二の中央部材12の下端部12ａには第二の下部シャフト７が挿通され、第二の中央部材12の上端部12ｂには第二の上部シャフト９が挿通されている。

そして、第一の中央部材11の第一の下部シャフト６との接続部分、第一の中央部材11の第一の上部シャフト８との接続部分、第二の中央部材12の第二の下部シャフト７との接続部分、第二の中央部材12の第二の上部シャフト９との接続部分には、それぞれリニアブッシュ13ａ，13ｂ，13ｃ，13ｄが設けられている。これにより、第一の中央部材11の下端部11ａは第一の下部シャフト６、第一の中央部材11の上端部11ｂは第一の上部シャフト７、第二の中央部材12の下端部12ａは第二の下部シャフト７、第二の中央部材12の上端部12ｂは第二の上部シャフト９にそれぞれ沿って、移動可能になっている。

ベース部材１の中央部１ｃから上方に向かって第一のチャック部材14、トップ部材４の中央部４ｃから下方に向かって第二のチャック部材15、第一の中央部材11の中央部11ｃから右方に向かって第三のチャック部材16、第二の中央部材12の中央部12ｃから左方に向かって第四のチャック部材17がそれぞれ設けられている。そして、第一のチャック部材14の先端と第二のチャック部材15の先端を結ぶ線分と、第三のチャック部材16の先端と第四のチャック部材17の先端を結ぶ線分は、それぞれの中点で直交するように配置されている。また、トップ部材４の中央部４ｃから上方に向かって、万能試験機のクロスヘッドに固定するための連結部18が設けられている。

つぎに、上記の一様二軸引張試験用治具の動作について説明する。

まず、ベース部材１を図示しない万能試験機の下台に固定し、連結部18を万能試験機のクロスヘッドに固定する。また、第一のチャック部材14、第二のチャック部材15、第三のチャック部材16、第四のチャック部材17により、図示しない試験片の四端を固定する。

そして、万能試験機のクロスヘッドが上方に移動すると、クロスヘッドに固定された連結部18が上方に移動し、これに伴い、連結部18が固定されたトップ部材４、トップ部材４に固定された第一の上部シャフト８と第二の上部シャフト９、第一の上部シャフト８が固定された取付部材８ａ、第二の上部シャフト９が固定された取付部材９ａ、チャック部材15が一体となって上方に移動する。このとき、トップ部材４はベース部材１に対して平行を保ちながら移動し、第一の上部シャフト８と第二の上部シャフト９はベース部材に対して４５°の角度を保ちながら移動する。

第一の上部シャフト８と第二の上部シャフト９が上方に移動すると、第一の下部シャフト６と第一の上部シャフト８の間の距離と、第二の下部シャフト７と第二の上部シャフト９の間の距離が広がる。第一の中央部材11の下端部11ａと上端部11ｂの間の距離と、第二の中央部材12の下端部12ａと上端部12ｂの間の距離は不変であるので、この動作により、第一の中央部材11の下端部11ａは第一の下部シャフト６上を左上に向かって移動し、第一の中央部材11の上端部11ｂは第一の上部シャフト８上を左下に向かって移動する。同様に、第二の中央部材12の下端部12ａは第二の下部シャフト７上を右上に向かって移動し、第二の中央部材12の上端部12ｂは第二の上部シャフト９上を右下に向かって移動する。すなわち、トップ部材４の上方への移動に伴って、第一の中央部材11はベース部材１に対して垂直を保ちながら左上方向へ移動し、第二の中央部材12はベース部材１に対して垂直を保ちながら右上方向へ移動する。

そして、第一の下部シャフト６、第二の下部シャフト７、第一の上部シャフト８、第二の上部シャフト９は、ベース部材１に対して４５°の角度をなしているため、第一の中央部材11から第二の中央部材12が離れる速度と変位量は、ベース部材１からトップ部材４の離れる速度と変位量と同じになる。これにより、ベース部材１に設けられた第一のチャック部材14からトップ部材４に設けられた第二のチャック部材15が離れる速度は、第一の中央部材11に設けられた第三のチャック部材16から第二の中央部材12に設けられた第四のチャック部材17が離れる速度と変位量が同じになる。

このようにして、第一のチャック部材14の先端と第二のチャック部材15の先端を結ぶ線分と、第三のチャック部材16の先端と第四のチャック部材17の先端を結ぶ線分が、それぞれの中点で直交する状態を保ちながら、第一のチャック部材14、第二のチャック部材15、第三のチャック部材16、第四のチャック部材17が相互に離れる向きに移動する。その結果、第一のチャック部材14、第二のチャック部材15、第三のチャック部材16、第四のチャック部材17により固定された試験片に、一様二軸の引張力が印加される。

以上のように、本実施例の一様二軸引張試験用治具は、ベース部材１と、このベース部材１の左端部１ａから上方に向かって前記ベース部材１に対して垂直に設けられた第一の垂直シャフト２と、前記ベース部材１の右端部１ｂから上方に向かって前記ベース部材１に対して垂直に設けられた第二の垂直シャフト３と、前記ベース部材１の上方において前記ベース部材１に対して平行に設けられ、前記第一の垂直シャフト２と前記第二の垂直シャフト３が挿通され、前記第一の垂直シャフト２と前記第二の垂直シャフト３に沿って移動可能に設けられたトップ部材４と、前記ベース部材１の中央部１ｃから左端部１ａ上方に向かって前記ベース部材１に対して４５°の角度をなして設けられた第一の下部シャフト６と、前記ベース部材１の中央部１ｃから右端部１ｂ上方に向かって前記ベース部材１に対して４５°の角度をなして設けられた第二の下部シャフト７と、前記トップ部材４の中央部４ｃから左端部４ａ下方に向かって前記トップ部材４に対して４５°の角度をなして設けられた第一の上部シャフト８と、前記トップ部材４の中央部４ｃから右端部４ｂ下方に向かって前記トップ部材４に対して４５°の角度をなして設けられた第二の上部シャフト９と、前記ベース部材１に対して垂直に設けられ、前記第一の下部シャフト６と前記第一の上部シャフト８が挿通され、前記第一の下部シャフト６と前記第一の上部シャフト８に沿って移動可能に設けられた第一の中央部材11と、前記ベース部材１に対して垂直に設けられ、前記第二の下部シャフト７と前記第二の上部シャフト９が挿通され、前記第二の下部シャフト７と前記第二の上部シャフト９に沿って移動可能に設けられた第二の中央部材12と、前記ベース部材１の中央部１ｃから上方に向かって設けられた第一のチャック部材14と、前記トップ部材４の中央部４ｃから下方に向かって設けられた第二のチャック部材15と、前記第一の中央部材11の中央部11ｃから右方に向かって設けられた第三のチャック部材16と、前記第二の中央部材12の中央部12ｃから左方に向かって設けられた第四のチャック部材17と、を備えたものである。

この構成により、前記トップ部材４の上方向の移動に伴って、前記第一の中央部材11が左上４５°方向、前記第二の中央部材12が右上４５°方向にそれぞれ移動する。このため、前記トップ部材４を上方向に引っ張る動作により、第一のチャック部材14、第二のチャック部材15、第三のチャック部材16、第四のチャック部材17によって、直交する二軸に沿った一様な引っ張り動作を行うことができる。したがって、万能試験機に取り付けられることにより一様二軸引張試験が可能となる。また、第一のチャック部材14、第二のチャック部材15、第三のチャック部材16、第四のチャック部材17の前後方向には部材を必要としないため、試験中において試験片の変形の観察が可能である。

また、本実施例の一様二軸引張試験用治具は比較的簡単な構成であるので、低コストで製作することができる。

本実施例の一様二軸引張試験用治具は、例えば、ゴムや生体材料をはじめ、超弾性材料の二軸引張特性の取得を必要とする幅広い産業分野において利用することができる。

実際に製作した一様二軸引張試験用治具の動作の様子を図４に示す。万能試験機のクロスヘッドの上昇に伴い、トップ部材が上昇し、第一の中央部材と第二の中央部材が相互に離れる方向に移動する。

以下、実際に製作した実施例１の一様二軸引張試験用治具を用いた一様二軸引張試験の例を示す。

試験片として、シリコンゴム（KE-12，信越化学工業）を用いて試験を行った。試験片の変形挙動を図５に示す。試験片が垂直方向と水平方向に一様に変形していることが確認できた。また、正面からその変形挙動を容易に観察することができた。さらに、図６に示すように、単軸（単純）引張試験とは異なった力学的特性を測定することができた。

１ ベース部材
１ａ 左端部
１ｂ 右端部
１ｃ 中央部
２ 第一の垂直シャフト
３ 第二の垂直シャフト
４ トップ部材
４ａ 左端部
４ｂ 右端部
４ｃ 中央部
６ 第一の下部シャフト
７ 第二の下部シャフト
８ 第一の上部シャフト
９ 第二の上部シャフト
11 第一の中央部材
12 第二の中央部材
14 第一のチャック部材
15 第二のチャック部材
16 第三のチャック部材
17 第四のチャック部材

Claims (1)

1. ベース部材と、
   このベース部材の左端部から上方に向かって前記ベース部材に対して垂直に設けられた第一の垂直シャフトと、
   前記ベース部材の右端部から上方に向かって前記ベース部材に対して垂直に設けられた第二の垂直シャフトと、
   前記ベース部材の上方において前記ベース部材に対して平行に設けられ、前記第一の垂直シャフトと前記第二の垂直シャフトが挿通され、前記第一の垂直シャフトと前記第二の垂直シャフトに沿って移動可能に設けられたトップ部材と、
   前記ベース部材の中央部から左端部上方に向かって前記ベース部材に対して４５°の角度をなして設けられた第一の下部シャフトと、
   前記ベース部材の中央部から右端部上方に向かって前記ベース部材に対して４５°の角度をなして設けられた第二の下部シャフトと、
   前記トップ部材の中央部から左端部下方に向かって前記トップ部材に対して４５°の角度をなして設けられた第一の上部シャフトと、
   前記トップ部材の中央部から右端部下方に向かって前記トップ部材に対して４５°の角度をなして設けられた第二の上部シャフトと、
   前記ベース部材に対して垂直に設けられ、前記第一の下部シャフトと前記第一の上部シャフトが挿通され、前記第一の下部シャフトと前記第一の上部シャフトに沿って移動可能に設けられた第一の中央部材と、
   前記ベース部材に対して垂直に設けられ、前記第二の下部シャフトと前記第二の上部シャフトが挿通され、前記第二の下部シャフトと前記第二の上部シャフトに沿って移動可能に設けられた第二の中央部材と、
   前記ベース部材の中央部から上方に向かって設けられた第一のチャック部材と、
   前記トップ部材の中央部から下方に向かって設けられた第二のチャック部材と、
   前記第一の中央部材の中央部から右方に向かって設けられた第三のチャック部材と、
   前記第二の中央部材の中央部から左方に向かって設けられた第四のチャック部材と、
   を備え、
   前記トップ部材の上方向の移動に伴って、前記第一の中央部材が左上４５°方向、前記第二の中央部材が右上４５°方向にそれぞれ移動することを特徴とする一様二軸引張試験用治具。