摘 要：万能材料试验机（以下简称试验机）主要用于测量材料力学性能参数，适用于金属、非金属材料及构件的拉伸、压缩、弯曲和剪切等力学性能试验。由于试验机上下试样夹持装置的设计、加工、装配及使用等多方面的因素，导致试验机存在同轴度误差，从而影响材料检测试验结果的准确性。文章依据材料试验机的检定规程重点分析了同轴度的不同检测方法。
关键词：万能材料试验机；同轴度；检定规程
1 概述
试验机的同轴度是指试验机的试样夹持装置在任意位置上和施加力的过程中，上下夹头中心线与试验机的加力轴线间同轴的程度。由于试验机的试样夹持装置的设计、加工及装配等多方面因素，使其不可避免存在同轴度误差，受到同轴度误差的影响，在使用试验机检测材料力学性能过程中，会使材料承受拉力同时产生了附加力，影响到试验结果的准确性。为了保证被检材料在检测过程中受同轴度的影响最小，JJG 139-2014《拉力、压力和万能试验机》、JJG 475-2008《电子万能试验机》和JJG 1063-2010《电液伺服万能试验机》检定规程均对试验机的同轴度提出了技术要求和检测方法，文章以JJG 139-2014《拉力、压力和万能试验机》检定规程中规定的方法为例对万能材料试验机的同轴度检测方法进行分析。
2 试验机同轴度的技术要求
对于1级试验机的同轴度在首次检定中需对其检测，后续检定不再检测同轴度：对于0.5级试验机的同轴度不论是首次检定还是后续检定，均要对其同轴度进行检测。试验机的试样夹持装置在任意位置，上、下夹头的同轴度应满足如下要求：
（1）当试验机的最大力值不大于30kN时不应超过ф2mm/500mm；
（2）当试验机的最大力值大于30kN时应符合表1的规定。
3 试验机同轴度的检测方法
3.1 应变测量法
3.1.1 测量原理：将检验试样放入试验机的夹持装置中，试验机对其施加一定力值后通过同轴度自动检测仪内部的引伸计或者其他变形测量装置测量检验试样所产生的弹性变形从而获得同轴度大小。
3.1.2 测量方法：对于最大试验力大于30kN的试验机，根据规程要求选择合适的检验试样，使用同轴度测试仪（或其他相应准确度的测量装置）进行检定。检定时，先将检验试样夹持在夹头上并施加试验机的最大试验力约1%的初始力，调整同轴度测量仪的零点，再施加试验力至最大试验力的4%，施加过程中应注意使用的最大力不应使检验试样产生塑性变形，测量试样相对两侧的弹性变形，在相互垂直的方向上各测量3次。同轴度按公式（1）计算，每次检定的结果均应满足表1的要求。
式中：e-加力系统中上、下夹头的中心线与试验机加力轴线的同轴度，%；△L-在同一测量点，同一次测量中，检验试样两侧变形的算术平均值，mm；△Lmax-在同一测量点，同一次测量中，检验试样变形较大一侧的变形值，mm。
3.1.3 如何选择合适的检验试样
根据检定规程要求，针对不同量程的试验机应选用不同材质、不同直径的检验试样对其进行同轴度的测量，通过以下试验数据具体说明下如何检验试样，以45#钢（弹性模量E=210GPa，屈服强度为355MPa）以及合金铝（弹性模量E=72GPa，屈服强度为125MPa）这两种材质为例进行分析。
（1）对于量程30kN的试验机，在做同轴度测量时，使用材质为45#钢、ф10mm的检验试样，按照3.1.2测量方法，在其受到最大力为30×4%=1.2（kN），此时检验试样所受应力为：
对于有效长度100mm的试棒，实际变形量：△l=100×72.9×10-6=7.29（μm）
若使用材质为合金铝、ф10mm的检验试样，同理可得σ=15.3MPa），△l=21.25（μm）
（2）对于量程100kN的试验机，在做同轴度测量时，使用材质为45#钢、ф10mm的检验试样，按照3.1.2测量方法，在其受到最大力为100×4%=4（kN），此时检验试样所受应力为：
对于有效长度100mm的试棒，实际变形量：△l=100×242.9×10-6 =24.29（μm）
若使用材质为合金铝、ф10mm的检验试样，同理可得σ=51（MPa），△l=70.83（μm）
（3）对于量程600kN的试验机，在做同轴度测量时，使用材质为45#钢、ф10mm的检验试样，按照3.1.2测量方法，在其受到最大力为600×4%=24（kN），此时检验试样所受应力为：
对于有效长度100mm的试棒，实际变形量：△l=100×1455.7×10-6=145.57（μm）
若使用材质为45#钢、ф12mm的检验试样，同理可得σ=212.3（MPa），△l=101.1（μm）
（4）对于量程1000kN的试验机，在做同轴度测量时，使用材质为45#钢、ф12mm的检验试样，按照3.1.2测量方法，在其受到最大力为1000×4%=40（kN），此时检验试样所受应力为：
对于有效长度100mm的试棒，实际变形量：△l=100×1685×10-6=168.5（μm）
因为选择检验试样需要遵循的原则是在试样受到最大力时不超过其极限强度而能获得最大应变，所以通过以上四组试验数据可知：试验机的量程为30kN～100kN时应选用材质为合金铝、ф10mm的检验试样；试验机的量程为100kN～600kN时应选用材质为45#钢、ф10mm的检验试样；试验机的量程为600kN～1000kN时应选用材质为45#钢、ф12mm的检验试样；试验机的量程不小于1000kN时应选用材质为45#钢、直径大于12mm的检验试样。
3.2 几何测量法
通过3.1.3的试验数据可知对于量程小于30kN的试验机，如果采用应变测量法检测试验机的同轴度，即使采用铝合金材质的检验试样，也只有产生二十几微米以下的实际变形量，目前国内同轴度检测装置很难准确地测得这么小的变形量，那么对于量程低于30kN的试验机应采用几何测量法测量其同轴度，测量方法是：使用重锤和配套定心盘进行检查，定心盘中心刻有ф2mm的圆，检查时，先将锥形重锤悬挂在试验机上夹具中心处，定心盘固定在试验机下夹具中心处。移动活动夹具，使试验空间不小于500mm（不足500mm的试验空间，需移至其极限空间位置），调节悬挂线长度，并使锤尖尽量接近定心盘面，检查锤尖是否落在其规定直径圆内。
4 与美标同轴度测量方法对比
美标ASTM E1012-14《Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application》中对试验机的同轴度参数进行了统一要求，规定了级别与最大允许误差。其检测方法与国标的同轴度应变测量法有些类似，只是美标同轴度的测量方法要求检验试样需在有效长度内上、中、下三个截面内放入应变片，在其受力过程中测得每个截面的应变，对试验机的同轴度进行评级，如果每个截面所测得应变不一致，那么取最大值作为评级结果；国标的同轴度检测方法则是通过同轴度测量仪内部的引伸计装置测得检验试样在受力过程中中间位置的变形量作为试验机的同轴度，虽然二者检测方法细节上有些差别，但其目的都是为了更准确的测得试验机的同轴度大小。
5 结束语
文章依据JJG 139-2014《拉力、压力和万能试验机》检定规程深入说明了国标同轴度检测的原理及其方法，以及根据不同试验机量程选择不同材质及尺寸的检验试样，通过相应的同轴度检测方法准确的测得试验机的同轴度大小，进而改进试验机厂家的产品设计及其加工工艺，一旦试验机的同轴度误差减小，那么通过万能材料试验机检测材料力学性能的试验数据将更加地准确可靠。
参考文献
[1]国家质量监督检验检疫总局.JJG 139-2014.拉力、压力和万能试验机[S].
[2]ASTM.E1012-14.Standard Practice for Verification of Testing Frame and Specimen Alignment Under Tensile and Compressive Axial Force Application[S].
作者简介：薛金，男，福建福州人，工程师，研究方向为力学计量。
