夾具的設計與制造
1引言
振動和衝擊試驗夾具設計，有時被稱為不正規技術。當人們看到一個有經驗的夾具設計師不經任何計算而設計出夾具，就加強了這種想法。如果某人要按分振動教材書去設計，他就會立即感到，諸如剛度矩陣也都用不上。於是這種想法就更進一步加深了。一些夾具設計者，只計算一些簡支梁的振型，卻很少去計算整個夾具的響應，只有及少數設計師能夠恰如其份地運用邏輯程序去闡述並成功地設計夾具。許多評論者認為，對一個夾具不可能作出滿意的分析。所以一個成功的設計，部分靠運氣，部分憑經驗。
對夾具各個部分作出合理的逐步分析後，就能夠完成夾具的設計。夾具振動的誤差，不會超過10%或20%，這樣的誤差通常是允許的。精度提得越高，需要花費的時間和努力就越大。
在機械工程方面有一定學位的人，並不一定設計出好夾具；而許多沒有學位的人反到設計出優秀的夾具。對於夾具設計者，有了機械製造與電子學的基礎，加上工程經驗，特別是加工的經驗。其次單位內外的製造的能力,就能製造出一個好的夾具。
2 夾具的功用
試驗樣品的安裝有二種方法，一種是直接安裝在振動臺檯面上（即動圈上），另一種是通過過渡裝置安裝在振動臺的臺面（即動圈）上，這種過渡裝置在振動和衝擊試驗中將其稱為夾具。可見夾具的功用，就是將振動臺（或衝擊機）的振動和衝擊能量通過機械連接不失真、不放大、一比一的傳遞傳給試件，從而保證試驗樣品經受到所規定的試驗應力，當然這是理想狀態。圖1給出的電—機械方塊圖，表示振動試驗系統各部分的關係：實線表示電能傳遞路線，虛線表示機械能傳遞路線。
3 夾具基本要求
上面已說了振動、衝擊試驗夾具的功用就是將振動臺（或衝擊機）產生的機械能傳遞給試件。夾具在總體設計方面所遇到的困難是必須設計出重量最小、剛性最大、在試驗頻率範圍內不會發生結構共振的夾具。夾具設計往往取決於工程經驗，夾具設計一般比較費時、費力，不僅要考慮夾具本身的特性，而且要儘量減少夾具與試件的相互影響。夾具設計應包括分析和預計試件的最低階振型。
夾具設計的理論計算主要包括剛度、質量和固有頻率三個基本參數。剛度包括剛體平移、剛體旋轉及剛體彎曲；阻尼並不明顯地改變固有頻率，僅改變振動幅值。影響固有頻率的二個要素為質量和剛性。對於複雜夾具的固有頻率，Dunkerley方程提供了一種方法，即通過結合複合結構元件中的非偶合型固有頻率來估計系統的固有頻率。夾具設計時必須進行的幾個最基本設計如下。
（1）夾具的固有頻率應滿足試驗的頻率範圍
許多產品的可靠性與環境試驗要求的試驗頻率範圍一般為10～2000Hz，所有試驗必須使用電磁振動臺。電磁振動臺是目前最先進最常用的振動臺，其最低頻率一般為5～10Hz，最高頻率可達3000～4000Hz以上。為了滿足10～2000Hz試驗頻率範圍，在此頻率範圍，夾具的頻響特性要平坦，夾具設計和計算（或測定）時，其一階頻率應高於最高試驗頻率。這對於小型、簡單夾具是易做到的，但對大型複雜夾具則很困難甚至是不可能的。即使這樣，設計計算（或測定）夾具的一階固有頻率也應高於試件的一階固有頻率，以避免發身夾具與試件的共振偶合。嘉峪檢測網提醒在確定試件的固有頻率時，可以把試件劃分為梁、板等元件，計算各個元件的固有頻率，然後用Dunkerley方程計算試件的固有頻率。
（2）對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算
對夾具重量（振動臺額定推力）的驗算，主要考慮振動臺的承載重量W和試驗加速度a。當正弦振動試驗的最大加速度為a時，振動臺的正弦推力F應大於W.a；當隨機振動試驗的總均方根加速度值已知為arms時，振動臺的隨機推力F應大於（W1+W2+W3）. arms。式中：W1：試驗樣品重量，W2：夾具重量，W3：振動臺動圈重量。 設計用來支撐試件的夾具，試件的尺寸和形狀是必不可少的，因為它們決定夾具的尺寸和形狀。你還必須試件的重量和重心，至少也要估算出重心的位置，試件和夾具的合成重心儘可能精確地落在振動臺的中心線上。
溫度對夾具的性能也是有影響的，當一夾具要用於溫度振動試驗時，就要注意這一點，高溫可使金屬產生塑性屈服，低溫可使材料冷脆。
一個好的夾具至少應滿足下列要求：
（1）在整個試驗頻率範圍內，夾具的頻響特性要平坦，夾具的第一階固有頻率應高於最高試驗頻率，還應避免發生夾具與產品的共振耦合。
（2）夾具與產品連接面上的各連接點的響應要儘量一致，以確保試驗時激勵輸入的均勻性。
（3）夾具的剛度質量比要足夠大。
（4）夾具的阻尼要大，夾具共振時（第一階固有頻率），其品質（放大）因數Q不應大於4。
（5）夾具的質量最好是試件的2～4倍。通常在估算振動臺需要的推力的時，用此比值就行。
（6）夾具橫向運動（指垂直於激振方向）要儘量小。
接點的運動都一致是困難的，在某些頻率下，出現相位和振幅的差別，其差別有時最高到50：1，這從檯面上幾個加速度計的輸出中就能看到。一個好的設計能夠部分地使差別減至最小，而且能夠在實驗規範要求的頻率範圍內，使得各加速度計之間的差別達到容許限度，很大程度上決定於夾具和振動臺的尺寸。無論你的設計和製造出的夾具多麼好，如果合力超出振動臺規定的傾覆力矩，運動將不再是線性的，而且各加速度計輸出差別很大。
4 夾具的基本形式
夾具的種類繁多，差別很大，從專門用途以及設計上的差別可分為：
（1）平板型夾具
平板型夾具的作用是把試件與振動臺面連接起來，若沒有這樣的板，要使試件與振動臺面直接連接進行振動試驗或衝擊試驗，就很少有這種可能性。此外這種板減少了對振動檯面上襯套的磨損以及襯套從檯面上脫出的危險。
平板型夾具絕大部分是價值不大的消耗品，如簡單的平板。但有些需精心製作。如需長期的、大量的做試驗用，這些板就應當精心設計。實際的例子就是，把大量零件放到一塊大型轉接板上在大振動臺上做試驗，這要比只是單個或有限個零件放在小振動臺上做試驗經濟得多。一般地講，過度板的尺寸是任意的，直到和振動臺面的直徑一般大（有時允許稍微超出一些）。厚度可以從2.5cm到15cm任選。埋螺釘頭的孔一般是用平底打孔鑽鑽成。並用鋼製平墊圈（機加工並淬火）以保護肩部。
（2）立方型夾具
立方體夾具主要用於小型零構件的振動衝擊試驗。可以直接固定振動臺上。也可以由過度板來固定。當裝在頂面上的試件接受垂直方向的振動衝擊時，其它四個平面（在四周上）都能接受到平行方向的振動衝擊。四周上的任一快板均能轉900（在基平面內旋轉）用於經受平行於基平面的二個方向的振動或四個方向衝擊（衝擊有正向衝擊和反向衝擊之分，故比振動多了二個方向）。
立方體上有螺釘襯套，用螺釘連接板（或者與試件直接相連）。夾具上還必需有連接氣、液、或電器的安裝孔。
（3）過度架型夾具
過度架型夾具主要用於整機產品的試驗，這種夾具要根據試驗樣品的形狀來設計。所以不同形狀的樣品，其夾具的形狀也不相同。過度架型夾具的形狀、剛度和強度要儘量接近樣品在實際使用中的情況。
（4）L形夾具
L形夾具的各部分可用螺接，亦可用粘結或焊接結合起來，或者用整塊料機械加工而成。
（5）T形夾具
T形夾具除了垂直平板裝在中心位置外，其他方面和L形夾具相類似。試驗件可以同時固定在垂直平板的兩面，只要夾具比試件重，就很容易做到使試件/夾具的組合重心通過振動臺的軸線。除上述5種形式外，還有各種形式的夾具等。
5 夾具的材料和製作方法
5.1 製作的夾具材料
在製作夾具的過程中，通常是首先選擇製作方法，然後是選擇材料。就材料而言，材料的強度和疲勞特性在夾具設計中很少需要考慮。因為夾具高頻特性所要求的剛性使得夾具非常結實。很少因強度不足而損壞的。
由於重量常常是夾具最關鍵的參數，所以鋁和鎂是最常用的材料。對同一尺寸大小的金屬而言，鋁（密度0.1磅/英寸3）比鎂（0.065磅/英寸3）重1/3，而鋼（0.3磅/英寸3）比鎂重四倍。嘉峪檢測網提醒某些鋁鎂合金的阻尼特性比鋼好，加工也便宜。控制固有頻率的因素是E/Р，其中E是楊氏模數（磅/英寸3），Р是密度（磅/英寸3）。對於大多數金屬來說E/Р比值約為108。因此，為一些特殊設計精選材料並不會明顯改變其頻率特性。
夾具設計者要考慮材料的價格。一次購買大量的材料雖然貯存起來可能困難，但能節省資金。只要付給少量的附加費用，供應者常常能夠粗略地把板材切割成最適用的尺寸。設計人員經常要幫助他們的採購人員去尋找最好的供應者。
鎂在機械加工時，經常要提醒有關著火的危險性。主要危險是精刨或鎂屑集中處,如有一個小顆粒被點著就會導致全部爆發。加強廠房管理就可以避免這種危險。
5.2 用整塊原材料機械加工製造夾具
用一塊整塊材料經機械加工來製作夾具是經常用的方法，這是最快最省的方法。對於小試件來講，尤為正確。鎂材，機械加工最快最容易。全部金屬切削工作都能以最高的機械加工速度進行。磨、鏜、鑽和插等都能以任何其他金屬加工難以達到的速度完成。鎂的切削速度比鋁約快20%，是鋼的三倍。
當夾具是用螺釘將各部分連成一體時，會出現配合和預應力問題。整體機械加工就避免了上述問題。當然，試件裝到某一夾具上也需要用一些連接件。
5.3.焊接夾具
在振動試驗的早期，大約20世紀40年代-50年代，曾廣泛使用螺接家具。
但其最明顯的缺點是不能防止夾具各部分的相對運動，造成波形有毛刺畸形，這樣鑄造夾具就普遍被採用了。由於鑄造夾具成本高，生產周期長，因此導致目前又普遍使用焊接夾具。許多試驗計劃又不允許將機動時間用於鑄造夾具，正如我們見要看到的另外幾種方法，正在受到歡迎。因為它們更節省費用和時間。在機加工中發現一個有趣的對比：現在80%是焊接的，20%鑄造的。
焊接夾具很早就使用過，但並不十分成功。焊件時常破壞，許多焊件在振動載荷下斷裂。但焊接夾具比鑄造夾具省時間（是鑄造時間的1/7），費用節省，是鑄造的1/3，隨當今焊接技術的不斷提高，焊接夾具已用得愈來愈多。
5.4 螺接夾具
螺接夾具加工簡單，但要想要獲得很好的性能，無論在設計方面還是在製作方面都需要作相當大的努力。因此，通常是首先考慮用一塊整材經機械加工和焊接夾具。不管怎麼說，振動試驗新手總想至少來一次螺接夾具的嘗試。螺接是連接各部件的常用合理方法。但它不是指夾具各部分。在某些情況下（尤其是在試件的四周安裝夾具）螺接是唯一的解決的辦法。關於夾具和激振器螺接的好多事項，也適用於夾具中幾個部件螺接在一起的情況以及把試件螺接到夾具上的情況。
在螺接夾具中有二個主要要求：
（1）配合面要加工到很高的配合精度。
（2）螺栓的預緊力比計算的最大分離力至少要大10%。如果沒有足夠的預緊力，部件會脫開相互撞擊。因為這個問題很重要，如果忽視了，在正弦和隨機試驗中會帶來一些麻煩。
當部件互相脫開又碰撞在一起時就會引起撞擊。（這就是在振動時間歷程圖上見到的「毛刺」）。這種撞擊常常會造成超過試驗規定的應力和頻率範圍。從而導致試件不應有的（而且不許可的）損壞，同時也造成試驗控制很困難，例如試驗中斷。
為了使裝配好的零件總是結合在一起，必須大量使用高強度螺釘，並擰緊之。螺栓間距一定要小，否則螺栓間的跨度會發生共振。用大型夾具並要求試驗到2000Hz,則螺栓間距不得超過75mm。用螺栓壓住簿的聚脂簿條或表面敷有塗層的布條有助於防止局部運動。
由於鋁材和鎂材柔軟,螺栓應用粗製而不是精製螺紋。如果夾具要多次拆卸,螺紋應加鋼製螺紋襯套。螺栓頭應緊壓在淬過火的鋼製平墊圈上,以保護螺栓頭下面的肩部。
要注意防止依靠螺栓受剪傳遞振動力的危險性，除了小部件或在低加速度情況下，一般不要單獨依靠螺栓傳遞這種力，如可能的話，用某些方法增加各部件之間的摩擦力。
5.5 鑄造夾具
在要求有曲面的地方（特別是弧度不是常數）應考慮用鑄造夾具。任何奇形怪狀的試件它都能適應，能滿足多方面設計要求，如要求一定的厚度的截面，變剖面，很多角撐板複雜截面等。鑄造夾具的設計指標是頻率/重量之比最大。
用鑄造的最大理由就是鑄造合金的阻尼相當高。但是，這種合金的加工性能或焊接性能都不好。例如，某些鑄鐵比鋼的阻尼高。對於夾具來說，已知最好的合金是KIA鎂（含0.7%鋯），建議使用AZ91T4（含1%的鋅）、AZ92T4（含2%的鋅）。AZ91T4C可以鑄造後焊接。阻尼能降低輸出輸入比，減少共振的幅度，在較高的試驗頻段上傳遞特性隨之迅速下降。
對阻尼已做過許多研究。雖然不能全部了解，但已證明：具有高阻尼的合金都具有下列共同的因素：
（1）合金含量低，（純鎂比合金要好，但其他性能不好）；
（2）相當粗糙的粒度（砂鑄比壓鑄號）；
（3）屈服強度相當低（容易取出嵌件）；
（4）在鑄造狀態性能最好（一經加工，阻尼要損失）。
5.6 粘接夾具
粘接很小的夾具比焊接夾具要快而且便宜得多（對於大型夾具最好用焊接，但有一個溫度限制問題）況且，這個工藝過程通常在實驗室本身的能力範圍內就能完成，只要粗略的草圖作指導，實驗室技術人員就能完成整個任務。
用金屬膠代替緊固件必須加高溫，用某些環氧樹脂就能完成緊固工作。在環氧樹脂固化過程中，有時用螺栓而不用夾具或卡具來固定試驗夾具各部分的相對位置。
5.7 疊層夾具
疊層膠接技術可用於製造大型的，重量有輕的夾具。大家都知道膠合板夾具已經很成功地用到試驗上了，所覆蓋的頻率範圍最高可到55Hz。
尺寸大約450mm×450mm×450mm的夾具，可連一個40Kg的電子設備到振動臺上。正因如此，當接近較高的的試驗頻率，如2000 Hz時，夾具有嚴重的共振，而這種夾具可以設計得相當輕而且阻尼大，所以對共振也就不是什麼大的難題。
5.8 環氧樹脂成形夾具
用環氧樹脂（可能還有其他更好的材料）能很方便地製造出拚湊式曲面板。相比之下，這種方法既節約有省工時。亦有用環氧樹脂按試件原樣成功地塑造成夾具，當然試件要用脫模劑，以免環氧樹脂同試件粘連。在環氧樹脂固化之後脫模，就形成了與試件完全相配的夾具。為固定試件，嵌入鋼製螺紋螺套，
為便於將夾具螺接到振動臺上，鑽孔稍大些。較普遍的方法是，用環氧樹脂粘到一塊轉接板上。
5.9 .灌臘（封裝）夾具
對於很小的零件，有一個有用的技術，就是把它裝入某種材料中，而這種材料在完成振動、衝擊或離心試驗以後能夠容易的去掉，石臘就是這樣一種材料。在試驗以後，只要把夾具放入烘箱內加溫（50～70℃）直到石臘能夠倒出來為止。這樣的夾具還可節省試驗費用。
6與臺面的螺接
試件與夾具之間、夾具各部分之間及夾具和振動臺之間大多採用螺栓連接。夾具一振動臺螺連時，螺栓承載的最大載荷為：
F = (m1+m2+m3)×a
其中：a：是正弦或隨機振動的峰值，單位為g。
F：螺栓承載的最大載荷
對每一螺釘，要將F除以螺釘數，得到每個螺釘所承受的最大載荷，再除以螺釘面積，就得到拉伸應力。
m1：夾具重量
m2：樣品重量+動圈重量
m3： 動圈重量
為了避免臺面與夾具分離以及螺釘疲勞破壞，每個螺釘至少要能承受這麼大的應力值。
試驗人員使用用力矩扳手擰緊螺栓，扭矩至少擰到表額定扭矩值的3/4，因為一旦超過了「屈服」力，隨著螺栓的伸長，螺栓的擰緊程度增加甚微。如果比「屈服力」大得多，螺栓就要剪斷或拉斷。
7 夾具的動態檢測
為了保證振動和衝擊試驗的正確性，夾具在使用前還應進行動態檢測，以檢查其主要動態特性，如固有頻率、傳遞特性、夾具與試件連接面上各點響應的均勻性、橫向運動、波形失真度等是否符合要求，以確定是否還需採取技術措施進行撲救。如果對夾具的動態品質不了解，則當試件在一定試驗頻率下不能正常工作時，就不易判明是夾具問題還是試件問題。嘉峪檢測網提醒因為夾具設計與製造得不好，就有可能誤將合格的試件試驗成不合格品，或將不合格試件試驗成合格品。
進行夾具的動態測定能夠揭露夾具的缺點，提出改進的方法。夾具修改後再測定，就可以知道其特性的變化，這對設計師而言，也是積累經驗的最好辦法。夾具動態測定的步驟簡述如下。
(1) 將夾具用螺栓緊固動臺的檯面上；
(2) 加速度傳感器安裝在振動臺臺面中心（也可用各固定的多點控制的平均值），進行閉環控制，設其激振方向加速度為aoz;
(3) 在緊靠夾具與試件(產品)的連接孔附近,選擇幾個響應測點，在每個響應測點處安裝一個三方向加速度傳感器，通過開環分別測量激振方向響應加速度aiz及橫向響應振動加速度aix和aiy;
(4) 按試件振動試驗頻率範圍進行正弦掃頻試驗(也可進行隨機試驗),記錄控制點和各響應點的加速度隨頻率變化曲線,並用示波器觀察其波形,失真儀測量波形失真度;
(5)求出aiz/aoz隨頻率變化曲線,計算出傳遞率,用以檢查所設計夾具在激振方向的傳遞特性、一階固有頻率共振時的品質因數「Q」和夾具連接面響應的均勻性；
（7）求出橫向振動與激振方向加速度的比（22/txtyozaaa），以此值檢查夾具橫向運動大小。
在夾具測定時，一定要設法做到使頻率高到能夠確定出真實的共振振型，以免混淆非共振頻率時出現的波形高峰。