專利名稱:多功能材料表面性能試驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型涉及檢測設(shè)備,具體的涉及一種用于材料表面機械性能檢測的多功能材料表 面性能試驗儀。
背景技術(shù):
目前市場上的大載荷球-盤摩擦實驗機具有小載荷測量精度不夠、高速測量穩(wěn)定性差的 缺陷,并且設(shè)備自身體積較大、使用成本高、自動化程度較低、運動形式單一。而目前市場 上現(xiàn)有的劃痕試驗機雖然體積小,但又具有加載范圍小、操作繁雜、測量精度不高、檢測方 式單一的技術(shù)缺陷。上述試驗機都具有檢測模式單一、不能實現(xiàn)對材料的多種機械性能進行
的檢測的問題。而且,上述試驗機或采用彈簧加載方式,或釆用砝碼加載方式。采角彈簧加 載方式的試驗機加載的線形度不好,采用砝碼加載方式的試驗機又存在對較大量程加載操作 困難、不能實現(xiàn)可變加載的摩擦試驗、且設(shè)備體積大、造價高的缺陷。
因此,需要一種具有多種檢測方式,能夠?qū)Σ牧媳砻娑喾N機械性能進行檢測的試驗儀, 尤其是適合于檢測離子鍍涂層各項機械性能的多功能試驗儀。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種能夠克服上述缺點的多功能材料表面性能試驗儀,該試驗 儀在小載荷、高速度測量工作模式下,具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點,并且設(shè)備自身體積較 小、采用計算機全自動控制、數(shù)據(jù)處理技術(shù),具有自動化程度高的優(yōu)點。該試驗儀可以實現(xiàn) 在一臺設(shè)備上通過使用不同組件,實現(xiàn)了直線往復(fù)模式檢測和旋轉(zhuǎn)模式檢測。該試驗儀在用 于劃痕試驗時,可以加大載荷范圍,并可以結(jié)合采用聲傳感器、摩擦力傳感器、微米位移檢 測、光學(xué)顯微觀察等多種檢測手段,大大提高了檢測精度。該試驗儀具有多種檢測試驗?zāi)J剑?可以進行劃痕試驗、壓痕試驗、旋轉(zhuǎn)摩擦試驗、往復(fù)摩擦試驗、粗糙度試驗、彈性模量試驗、 臺階儀試驗等多種試驗。下面首先說明本實用新型試驗儀的工作方式。
劃痕試驗通過自動加載機構(gòu)將負荷連續(xù)加至金剛石壓頭上,同時移動試樣,使金剛石 壓頭劃過涂層表面。通過生傳感器獲取涂層脫落時的聲信號,通過摩擦力傳感器獲得摩擦力 變化信號,由此可得到涂層與基體的結(jié)合強度臨界載荷,還可以進一步采用光學(xué)顯微鏡組件觀察確定上述兩種試驗結(jié)果。
壓痕試驗?zāi)J酵ㄟ^金剛石壓頭作用于試樣表面,在逐漸增大載荷過程中,通過顯微鏡 組件觀察壓痕變化,當壓痕周圍涂層材料出現(xiàn)較大裂紋時,表明涂層的結(jié)合力失效,此時的 壓力載荷為涂層壓應(yīng)力結(jié)合強度的臨界載荷。
旋轉(zhuǎn)摩擦試驗?zāi)J竭\用球-盤摩擦原理,將砝碼或可變加載機構(gòu)所施加的載荷加載在 磨球上,材料試樣隨試驗臺模組以設(shè)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)摩擦副的旋轉(zhuǎn)摩擦。通過摩擦力傳 感器獲取摩擦過程的摩擦力信號,經(jīng)過計算機運算得到材料表面在不同載荷、速度條件下的 摩擦系數(shù)曲線,再通過輪廓儀測量其磨損深度,即可得到材料表面的耐磨強度。當材料表面 具有涂層時,摩擦系數(shù)曲線發(fā)生跳變,表明磨球已摩擦到涂層下的底層材料,此時即可得到 涂層在特定條件下的耐磨強度。
往復(fù)摩擦試驗?zāi)J竭\用球-盤摩擦原理,將砝碼或可變加載機構(gòu)所施加的載荷加載在 磨球上,材料試樣隨試驗臺模組左右移動,實現(xiàn)摩擦副的往復(fù)直線摩擦。通過摩擦力傳感器 獲取摩擦?xí)r的摩擦力信號,經(jīng)過計算機運算得到材料表面在不同載荷、速度條件下的摩擦系 數(shù)曲線。
粗糙度試驗?zāi)J綄⒗?.05牛頓的微小載荷施加到金剛石壓頭上,作用于試樣表面, 試樣隨試樣臺模組做勻速直線運動,通過位移傳感器得到劃針的微小波動信號,經(jīng)過計算機 處理得到材料表面的粗糙度曲線。
彈性模量檢測將載荷按設(shè)定的加載速率由壓頭作用于試樣表面,通過位移傳感器感應(yīng) 壓頭位移信號,經(jīng)過計算機處理得到材料的載荷-深度曲線,再按設(shè)定的卸載速率得到卸載時 的載荷-深度曲線,通過兩組數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到材料的彈性模量。
臺階儀將例如0.05牛頓的微小載荷施加到金剛石壓頭上,作用于涂層表面,試樣隨 試樣臺模組以勻速直線運動,通過位移傳感器獲得劃針的微小波動信號,經(jīng)過計算機處理得 到涂層和基體的落差曲線,即可得到涂層的厚度。
高速往復(fù)摩擦試驗?zāi)J竭\用球-盤摩擦原理,將砝碼或可變加載機構(gòu)所施加的載荷加 載在磨球上,材料試樣隨試驗臺模組作高速往復(fù)直線運動,提供設(shè)定電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)摩擦副的 相對運動速度。通過摩擦力傳感器獲取摩擦?xí)r的摩擦力信號,經(jīng)過計算機運算得到材料表面 在不同載荷、不同速度條件下的摩擦系數(shù)曲線。
本實用新型的一種多功能材料表面性能試驗儀,包括部件砝碼定位桿、砝碼托盤、加 載梁、聲傳感器、壓頭、試樣畫定夾具、基座、加載梁平衡調(diào)整蠊釘、加載梁固定旋鈕、加 載梁升降調(diào)整手輪、升降架定位螺釘、試樣臺模組、加載渦輪、加載蝸桿;其特征在于可以通過加載渦輪、加載蝸桿自動地動態(tài)連續(xù)加載;或通過砝碼靜態(tài)加載;為劃痕試驗、壓痕 試驗?zāi)J健⑿D(zhuǎn)摩擦試驗?zāi)J?、往?fù)摩擦試驗?zāi)J?、粗糙度試驗?zāi)J?、彈性模量檢測、臺階 儀、高速往復(fù)摩擦試驗配置多種基座,每種基座內(nèi)設(shè)置電機和傳動機構(gòu),用于驅(qū)動試樣臺模 組運動。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于加載梁內(nèi)設(shè)置加載桿,
加載桿下端通過壓頭連接架固定壓頭和聲傳感器,加載梁通過加載桿將載荷施加到壓頭,加
載梁內(nèi)靠近加載桿處設(shè)置摩擦力傳感器;該摩擦力傳感器感應(yīng)加載桿位移,檢測壓頭所受摩
擦力,并將摩擦力信號傳輸給計算機;聲傳感器感應(yīng)涂層脫落時所發(fā)聲響,將聲音信號傳輸
給計算機。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于在加載梁一鄉(xiāng)設(shè)置光 學(xué)顯微鏡,旋轉(zhuǎn)加載梁可使光學(xué)顯微鏡對準試驗以便對試樣直接觀察。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于位移傳感器通過位移 傳感器固定旋鈕固定在位移傳感器支架上,通過調(diào)節(jié)位移傳感器高度調(diào)節(jié)旋鈕使該傳感器接 觸加載梁頂部,位移傳感器支架通過位移傳感器支架固定旋鈕被圓定在基座一側(cè)。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第一基座內(nèi)電機通過 傳動鏈帶動絲杠旋轉(zhuǎn),驅(qū)動試樣臺模組左右移動,和前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組前后移動; 或者,通過左右移動手輪和前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組移動。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第二基座內(nèi)電機通過 連桿驅(qū)動試樣臺模組高速左右移動,通過前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組前后移動。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第三基座內(nèi)電機通過 傳動鏈驅(qū)動試樣臺模組旋轉(zhuǎn)運動。
根據(jù)本實用新型的上述多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于加載電機驅(qū)動加載蝸 桿以帶動加載渦輪按照設(shè)定的加載速率加載,和按照設(shè)定的卸載速率卸載。
本實用新型的多功能材料表面性能試驗儀,運用聲檢測技術(shù)、摩擦力檢測、微米位移測 量技術(shù)及微機自控技術(shù),在一臺試驗儀上,以配置不同基座和試樣臺模組方式實現(xiàn)了壓痕試 驗、劃痕試驗、旋轉(zhuǎn)摩擦試驗、往復(fù)摩擦試驗、粗糙度檢測、彈性模量檢測、臺階儀、高速 往復(fù)摩擦試驗等模式,由一臺設(shè)備就可以完成對材料表面多項機械性能的檢測。由于采用了 計算機控制技術(shù),可以實現(xiàn)信號自動采集、分析、計算和記錄。
圖1為本實用新型多功能試驗儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖;圖2為本實用新型多功能試驗儀用于劃痕試驗、往復(fù)摩擦試驗、粗糙度試驗、臺階儀試 驗所配置的試樣臺模組、基座、加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖3A、 3B為本實用新型多功能試驗儀的光學(xué)顯微鏡組件結(jié)構(gòu)示意圖; 圖4為本實用新型多功能試驗儀的加載梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖5為本實用新型多功能試驗儀用于高速往復(fù)摩擦試驗所配置的試樣臺模組、塞座、加 載裝置結(jié)構(gòu)示意圖6A、 6B為本實用新型多功能試驗儀用于粗糙度試驗、彈性模量檢測、臺階儀所配置 的位移傳感器裝置結(jié)構(gòu)示意圖7為本實用新型多功能試驗儀用于旋轉(zhuǎn)摩擦試驗所配置的試樣臺模組、基座結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
圖1至7中,相同的附圖標記代表同樣的結(jié)構(gòu)部件。具體附圖標記所代表的結(jié)構(gòu)部件如 下l砝碼定位桿,2砝碼托盤,3加載梁,4聲傳感器,5壓頭,6試樣固定夾具,7左右移 動手輪,8基座,9前后移動手輪,IO加載梁平衡調(diào)整螺釘,ll加載梁固定旋鈕,12加載梁 升降調(diào)整手輪,13升降架定位螺釘,14試樣臺模組,15第一基座內(nèi)置電機,16加載渦輪, 17加載蝸桿,18光學(xué)顯微鏡組件,19加載桿,20摩擦力傳感器,21第二基座內(nèi)置電機,22 連桿,23位移傳感器,24位移傳感器固定旋鈕,25位移傳感器高度調(diào)節(jié)旋鈕,26位移傳感 器支架,27位移傳感器支架固定旋鈕,28水平移動絲杠,29第三基座內(nèi)置電機,30傳動鏈。 根據(jù)試驗?zāi)J讲煌?,壓頭可采用倒圓錐形金剛石,也可采用鋼球或圓鋼柱。
如圖l所示,本實用新型的多功能試驗儀,其中基座部分為可拆卸結(jié)構(gòu),為不同試驗?zāi)?的可以配置不同基座,各種基座內(nèi)均設(shè)置電機和傳動機構(gòu)用于驅(qū)動試樣臺模組以所需要的方 式運動,可以完成多功能的材料表面性能試驗。該試驗儀的加載梁可以通過加載梁升降調(diào)整 手輪調(diào)整高度位置,加載梁高度位置被升降架定位螺釘固定;加載梁可以圍繞升降架轉(zhuǎn)動以 調(diào)節(jié)壓頭與試樣之間相對位置,該相對位置用加載梁固定旋鈕固定。
圖2所示為用于劃痕試驗、往復(fù)摩擦試驗、粗糙度試驗、臺階儀試驗所配置的試樣臺模 組、基座、加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中所使用的基座稱為第一基座,該第一基座內(nèi)設(shè)置電機, 由電機通過傳動鏈驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動,帶動試樣臺模組向左或向右移動。加載電機驅(qū)動加載蝸桿 帶動加載渦輪,為加載梁連續(xù)動態(tài)加載或卸載,也可以利用砝碼托盤靜態(tài)加載。圖2為簡潔 起見,沒有具體圖示加載電機,盡用虛線框表示了加載電機的安裝位置,加載電機與加載升 降調(diào)整手輪都用于驅(qū)動加載蝸桿。通過計算機控制加載電機,可以按照預(yù)先設(shè)置的加載速率加載,也可以按照設(shè)置的加載速率卸載。
圖3A和3B為本實用新型多功能試驗儀的光學(xué)顯微鏡組件配置結(jié)構(gòu)示意圖。光學(xué)顯微鏡 組件安裝在加載梁一側(cè),通過轉(zhuǎn)動加載梁可以將光學(xué)顯微鏡對準試樣,進行光學(xué)檢測,例如 觀察材料表明裂紋。光學(xué)顯微鏡配備攝像裝置,將圖象傳輸給監(jiān)視器或計算機,以顯示和記 錄圖象。
圖4所示為本實用新型多功能試驗儀的加載梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4中,加載梁通過加 載桿將載荷傳遞給壓頭,由壓頭作用在試樣材料表面。摩擦力傳感器用于感應(yīng)試樣臺相對壓 頭運動時所產(chǎn)生的摩擦力,將摩擦力信號傳輸給計算機。聲傳感器感應(yīng)摩擦過程中材料表面 涂層脫落產(chǎn)生的聲音信號,將聲信號傳輸給計算機。圖4中各個箭頭所表示含義如下,Dl表 示試樣臺模組左右移動方向,D2表示試樣臺模組前后移動的方向,D3表示加載過程中壓頭對 試樣表面施加壓力方向,D4表示動態(tài)連續(xù)加載過程中,加載梁運動方向。
圖5為本實用新型多功能試驗儀用于高速往復(fù)摩擦試驗所配置的試樣臺模組、基座、加 載裝置結(jié)構(gòu)示意圖。其中的加載裝置部分與圖2相同,在此不再重復(fù)描述。圖5中,由第二 種基座內(nèi)設(shè)置的電機,通過連桿帶動試樣臺模組作高速的左右往復(fù)運動,通過計算機控制電 機轉(zhuǎn)速,可以調(diào)節(jié)左右往復(fù)運動的速度。連桿一端偏心連接在電機軸盤上,另一端以可樞轉(zhuǎn) 方式連接試樣臺模組,該連桿將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為試樣臺模組的高速直線往復(fù)運動。壓 頭使用鋼珠或圓鋼柱。
圖6A、 6B為本實用新型多功能試驗儀用于粗糙度試驗、彈性模量檢測、臺階儀所配置 的位移傳感器裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示,位移傳感器通過位移傳感器高度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)到 適當位置,使傳感器對準并接觸加載梁上端對應(yīng)壓頭施力方向的位置,利用位移傳感器固定 旋鈕將位移傳感器固定在支架上,位移傳感器支架由位移傳感器支架固定旋鈕固定在基座一 側(cè)面上。在進行粗糙度試驗、彈性模量檢測、臺階儀模式試驗過程,試樣臺模組左右運動, 由于材料表面不平整使壓頭帶動加載梁上、下微量位移,位移傳感器感應(yīng)加載梁上、下位移 量,將位移信號傳輸給計算機。
圖7為本實用新型多功能試驗儀用于旋轉(zhuǎn)摩擦試驗所配置的試樣臺模組、基座結(jié)構(gòu)示意 圖。圖7所示,第三基座內(nèi)設(shè)置的電機通過傳動鏈帶動試樣臺模組旋轉(zhuǎn),通過計算機控制電 機轉(zhuǎn)速,可以控制試樣臺模組轉(zhuǎn)速。在旋轉(zhuǎn)摩擦試驗中,壓頭使用鋼珠或圓鋼柱。
采用本實用新型的多功能試驗儀進行不同試驗時所使用的試驗參數(shù)以及所使用的壓頭 材料、形狀如下
劃痕試驗加荷范圍0.5N-200N自動連續(xù)加荷、精度0. 5N;劃痕長度2mm-50rara;加
荷速率20N/min-100N/min;測量范圍0.2ura-50線壓頭金剛石、錐角120°、尖端半經(jīng)0. 2mm。
壓痕試驗加荷范圍0. 5N-300N自動連續(xù)加荷、精度0. 5N ;加荷速率 20N/min-100N/min;測量范圍0. 5um-100um;壓頭劍柘、雜12(f、 ^^0.2rmil!^它 鵬敏。
旋轉(zhuǎn)摩擦加載范圍10g-20000g、動態(tài)加載、精度0.5g;平臺轉(zhuǎn)速l轉(zhuǎn) /min-3000轉(zhuǎn)/min精度±1轉(zhuǎn);升降高度20mm;試樣厚度1隨-10mni/片;旋 轉(zhuǎn)半徑3mm-10mm;壓頭①2-6mm球或O 2-4mm圓柱。
往復(fù)摩擦加載范圍10g-20000g、動態(tài)加載,精度0.5g;往復(fù)頻率1-30 次/min-3000轉(zhuǎn)/min,精度土l轉(zhuǎn);升降高度20i雄;試樣厚度0. lmm-4mm精度0. Olmm; 線速度3mm-10mm;壓頭O 2-6mm球或①2-4mm圓柱。
粗糙度試驗:試驗載荷5g-10g;試樣移動速度l咖/s;測量范圍0. 5 W m-1000 U m;
試樣厚度1mm-10mm片;分辨率0. 1 y m;試f,徑O10-40mm的圓片或30mmX100mm 片;壓頭金剛石、錐角120"、尖端半經(jīng)0.2鵬。
彈性模量加荷范圍0. 5N-300N自動連續(xù)加荷、精度0. 5N ;加荷速率 20N/min-100N/min;測量范圍0.5"m-100ura;壓頭金剛石、錐角120。、尖端半經(jīng)0. 2mm; 壓入深度0. 5ym—lOOum;分辨率0. 1 u m。
臺階儀試驗載荷5g-10g;試樣移動速度lmm/s;測量范圍0. 5 u m-1000 u m;試 樣厚度lmm-10mm/片;分辨率0. lixm;試樣半徑①10-40mm的圓片或30mmX100mm 片;壓頭金剛石、錐角120"、尖端半經(jīng)0.5mm。
高速往復(fù)摩擦加載范圍10g-2000g,精度0.1g;往復(fù)頻率50Hz;升降高 度20mm;試樣厚度0. lmm-4mm精度0. Olmm;壓頭①2-6mm球或①2-i4mm圓 柱。
本實用新型的上述實施例及附圖僅為說明用途,并不構(gòu)成對保護范圍的限 定。本實用新型保護范圍由權(quán)利要求書所限定。
權(quán)利要求1.一種多功能材料表面性能試驗儀,包括部件砝碼定位桿、砝碼托盤、加載梁、聲傳感器、壓頭、試樣固定夾具、基座、加載梁平衡調(diào)整螺釘、加載梁固定旋鈕、加載梁升降調(diào)整手輪、升降架定位螺釘、試樣臺模組、加載渦輪、加載蝸桿;其特征在于可以通過加載渦輪、加載蝸桿自動地動態(tài)連續(xù)加載;或通過砝碼靜態(tài)加載;為劃痕試驗、壓痕試驗?zāi)J?、旋轉(zhuǎn)摩擦試驗?zāi)J?、往?fù)摩擦試驗?zāi)J?、粗糙度試驗?zāi)J健椥阅A繖z測、臺階儀、高速往復(fù)摩擦試驗配置多種基座,每種基座內(nèi)設(shè)置電機和傳動機構(gòu),用于驅(qū)動試樣臺模組運動;壓頭為倒圓錐形金剛石或鋼球或圓鋼柱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于加載梁內(nèi)設(shè)置加 載桿,加載桿下端通過壓頭連接架固定壓頭和聲傳感器,加載梁通過加載桿將載荷施加到壓 頭,加載梁內(nèi)靠近加載桿處設(shè)置摩擦力傳感器;該摩擦力傳感器感應(yīng)加載桿位移,檢測壓頭 所受摩擦力,并將摩擦力信號傳輸給計算機;聲傳感器感應(yīng)涂層脫落時所發(fā)聲響,將聲音信 號傳輸給計算機。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于在加載梁一側(cè)設(shè) 置光學(xué)顯微鏡,旋轉(zhuǎn)加載梁可使光學(xué)顯微鏡對準試驗以便對試樣直接觀察。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于位移傳感器通過 位移傳感器固定旋鈕固定在位移傳感器支架上,通過調(diào)節(jié)位移傳感器高度調(diào)節(jié)旋鈕使該傳感 器接觸加載梁頂部,位移傳感器支架通過位移傳感器支架固定旋鈕被固定在基座一側(cè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第一基座內(nèi)電機 通過傳動鏈帶動絲杠旋轉(zhuǎn),驅(qū)動試樣臺模組左右移動,和前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組前后 移動;或者,通過左右移動手輪和前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組移動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第二基座內(nèi)電機 通過連桿驅(qū)動試樣臺模組高速左右移動,通過前后移動手輪驅(qū)動試樣臺模組前后移動。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于第三基座內(nèi)電機通過傳動鏈驅(qū)動試樣臺模組旋轉(zhuǎn)運動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能材料表面性能試驗儀,其特征在于加載電機驅(qū)動加 載蝸桿以帶動加載渦輪按照設(shè)定的加載速率加載,和按照設(shè)定的卸載速率卸載。
專利摘要本實用新型涉及檢測設(shè)備,具體的涉及一種用于材料表面機械性能檢測的多功能材料表面性能試驗儀。該多功能試驗儀運用聲檢測技術(shù)、摩擦力檢測、微米位移測量技術(shù)及微機自控技術(shù),在一臺儀器上,以組件方式實現(xiàn)了壓痕試驗、劃痕試驗、旋轉(zhuǎn)摩擦試驗、往復(fù)摩擦試驗、粗糙度檢測、彈性模量檢測、臺階儀、高速往復(fù)摩擦試驗等模式,由一臺設(shè)備分別配置各種基座組件,就可以完成對材料表面多項機械性能的檢測。由于采用了計算機控制技術(shù),可以實現(xiàn)信號自動采集、分析、計算和記錄。
文檔編號G01N3/00GK201133893SQ20072014898
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月28日
發(fā)明者張國珍 申請人:張國珍