CN100491968C - 测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于机械切削技术领域的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，动态载荷加载系统和基座本体相连，并给基座本体腔内液体施加动态压力，压力以声速传送到被测样本薄膜上，He-Ne激光干涉测量系统在基座本体的上方，用来检测样本薄膜受动态载荷后高度的变化，数据采集和计算机控制系统和基座本体及He-Ne激光干涉测量系统相连，采集基座本体腔内液体压力及样本薄膜高度的变化值，并经过计算机分析得出所测薄膜的动态结合强度。本发明不仅能精确定量动态测定金刚石涂层的附着强度，而且能模拟实际的工况，从而预测刀具的使用寿命。其测量范围不受基体形状及附着强度大小的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于机械切削技术领域的装置，特别是一种动态定量测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置。
背景技术
金刚石因具有高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、和化学稳定性好等优异性能而成为理想的工具材料，在金刚石涂层切削刀具领域得到了广泛的应用，但目前仍未实现规模化生产。其主要原因之一是：关于金刚石涂层内在质量(主要是力学性能)评价缺乏统一标准。在已有测量装置中，包括压痕测试、垂直拉伸、刮剥式测量及激光冲击定量测定装置等。压痕测试、垂直拉伸及刮剥测试装置都是定性、间接地测量涂层的附着力，测试范围受附着强度大小、基体形状等因素限制，相互之间缺乏可比性。界面结合强度激光冲击定量测定装置包括激光器、外光路系统、工装夹具系统、试样体系、干涉仪、示波器、控制系统、计算机处理终端，试样体系为等边直角三棱柱或其变形体。该装置可以更直接、科学的准确实现界面结合强度的定量测定。但这种装置只能进行静态测试，而在实际使用过程中，金刚石刀具都是在动态服役条件下使用，显然上述方法不能反映刀具的实际服役状况，更不能反映膜层的实际使用寿命。无疑，在动态条件下测定和评价金刚石刀具膜层的界面结合性能，对于金刚石刀具膜层的使用寿命的考核和工程设计具有重要的指导意义。关于动态测试技术，目前相关报道较少。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利号：91106170.3，名称为：膜/基结合强度的检测方法及其装置，该专利利用单摆冲击划痕仪的划头以1—3m/s的速度划过带有薄膜的平面样品，在足够的划痕长度条件下，划头依次与膜层表面接触，进入膜层，透过膜/基界面，侵入基材直至最深处后再以相反的过程掠出样品表面。该装置由机身、样本台、摆锤、角度控制架、指标盘、千分表组成。该装置的不足之处是只能对低频的动态负载进行测量，另外受测试手段的限制测量准确度不高。在实际生产中，很大一部分工件都是在高频动态负载下工作。当前，现代高速加工及其他一些高频加工在国民生产中越来越占据重要的位置，金刚石涂层刀具更是其不可替代的一种工具。在进一步的检索中，尚未发现与本发明能定量动态检测高频复杂形状金刚石刀具结合强度的技术相同或者类似的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，使其克服现有的技术不能进行精确定量动态检测、受基体形状限制及不能适应各种复杂工况等诸多不足，该测量装置不仅能精确定量动态测定金刚石涂层的附着强度，而且该装置可以模拟不同的工况，灵活的改变加载载荷的频率和大小，适应不同的频率和冲击载荷，从而测出不同工况下的金刚石涂层刀具的实际使用寿命。其测量范围不受基体形状的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度动态测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：基座本体、He-Ne激光干涉测量系统、动态载荷加载系统、数据采集和计算机控制系统。动态载荷加载系统和基座本体相连，并给基座本体腔内液体施加动态压力，压力以声速传送到被测样本薄膜上，He-Ne激光干涉测量系统在基座本体的上方，用来检测样本薄膜受动态载荷后高度的变化。数据采集和计算机控制系统和基座本体及He-Ne激光干涉测量系统相连，用来采集基座本体腔内液体压力及样本薄膜高度的变化值，并经过计算机分析得出所测薄膜的动态结合强度。
基座本体包括：测量基座、O型密封圈、不锈钢薄板、卸荷阀、样品支架、底板固定螺栓。测量基座是由有机玻璃块加工成的中空立方体平台，底座下部的空腔的直径为上部孔径的6倍。立方体顶面孔和侧面两个孔被加工成螺纹孔。样品支架通过螺纹连接直接旋入到测量基座的顶面螺纹孔中，并通过O型密封圈与测量基座进行密封。卸荷阀通过螺纹连接直接旋入到测量基座左面螺纹孔中，并用O型密封圈进行密封。样品支架是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓，螺栓中心通孔可以使压力油流过对样品进行加压，而样品窗口则被环氧化在样品支架的顶面。测量基座下腔通过一块圆形的不锈钢薄板密封，在测试时压力油被这块钢板密封在工作腔中。
He-Ne激光干涉测量系统包括：He-Ne激光器、分光镜、反光镜、偏光镜、放大镜、屏幕、干涉图样传感器。He-Ne激光器功率为5mW，激光的波长为632.4nm，这套系统的测量精度为312.2nm。
动态载荷加载系统采用两种形式：对于低频、高冲击力的动态载荷加载系统由凸轮连杆机构组成；对于高频、低冲击力的动态载荷加载系统采用压电陶瓷晶体线性执行器。
低频动态加载系统包括：直流电机、凸轮、连杆、连杆触头、连杆转轴。计算机控制的直流电机通过凸轮与连杆连接，连杆与连杆转轴连接并绕着连杆转轴周期性转动，连杆触头固定在连杆上，这个周期性的冲击力通过连杆触头传送到不锈钢薄板上。凸轮偏心距为1.1mm，改变连杆触头和凸轮之间的距离可以用来调整不锈钢薄板处的最大位移，从而调整被测金刚石薄膜处的压力。这种装置可以在工作腔中产生400Kpa的压力，其最大频率周期为50Hz。通过改变凸轮机构实际力臂的长度，并保证在凸轮的一个回转周期内，连杆触头不和不锈钢薄板一直接触，以设置基座空腔内的最大压力。
高频动态加载系统包括：压电线性执行器、信号放大器、信号发生器。压电线性执行器直接安装在不锈钢薄膜下面，信号发生器输出一个正弦波信号来驱使压电执行器。这些信号传送到压电执行器前由一个10倍的信号放大器放大。压电线性执行器产生一个正弦力作用在不锈钢薄板上，可以在基座本体内腔内产生最大40KPa的压力，其频率可达8KHz。控制压电执行器的压力和频率可以模拟高频低冲击应力的实际加工状态，并可准确控制不锈钢薄膜的变形高度。这两种动态载荷加载系统都可以根据金刚石涂层刀具不同的工况及加工条件来设置基座本体腔内的压力及施载频率。通过调整支架，将He-Ne激光干涉测量系统的激光测量器直接对准样品窗口中央以测量涂层变形时的垂直位移，测量信号由数据采集系统输入到计算机控制系统中。
数据采集和计算机控制系统包括：压力传感器、A/D转换器和计算机系统。压力传感器通过螺纹连接直接旋入到测量基座右面螺纹孔中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，压力传感器所采集的测量信号通过数据线传送，经过A/D转换器转换输送到计算机系统中，并通过labview软件实现对腔体液体压力、金刚石刀具薄膜偏移高度、以及压电线性执行器输出电压进行实时采集，对其测量结果分析就可以精确定量地得到金刚石涂层的在不同工况下的动态附着强度。
与现有技术相比，本发明增加了动态加载系统及基座本体，可以模拟实际工作工况，对测试样本加以高频或低频动态施载，从而测试样本在动态工况下的界面结合强度并预测使用寿命。对于He-Ne激光干涉测量系统及数据采集和计算机系统其方法和原理也有很大的改进，可以精确定量地得到金刚石涂层的在不同工况下的动态附着强度。
本发明的有益效果是，可以精确定量地动态检测到金刚石涂层的附着强度及其它力学性能，并可根据刀具实际的受力状况及冲击频率来预测刀具的使用寿命，其测量范围不受基体形状及附着强度大小的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层的附着强度测量。本发明装置操作简单，使用方便，使用范围广，因而具有显著的经济效益。
附图说明
图1是本发明采用低频动态加载系统的结构示意图；
图2是本发明采用高频动态加载系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明包括：基座本体1、He-Ne激光干涉测量系统2、动态载荷加载系统3、数据采集和计算机控制系统4。动态载荷加载系统3和基座本体1相连，并给基座本体1腔内液体施加动态压力，压力以声速传送到被测样本薄膜上，He-Ne激光干涉测量系统2在基座本体1的上方，用来检测样本薄膜受动态载荷后高度的变化。数据采集和计算机控制系统4与基座本体1及He-Ne激光干涉测量系统2相连，用来采集基座本体腔内液体压力及样本薄膜高度的变化值，并经过计算机分析得出所测薄膜的动态结合强度。
基座本体1包括：测量基座5、O型密封圈6、不锈钢薄板7、卸荷阀8、样品支架9、底板固定螺栓10。测量基座5是由有机玻璃块加工成的中空立方体平台，底座下部的空腔的直径为上部孔径的6倍。样品支架9通过螺纹连接直接旋入到测量基座5的顶面螺纹孔中，并通过O型密封圈6与测量基座5进行密封。卸荷阀8通过螺纹连接直接旋入到测量基座5左面螺纹孔中，并用O型密封圈6进行密封。样品支架9是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓，螺栓中心通孔可以使压力油流过对样品进行加压。不锈钢薄板7通过底板螺栓10固定在测量基座5下面，并用O型密封圈6密封，在测试时压力油被这块钢板密封在工作腔中。
He-Ne激光干涉测量系统2包括：He-Ne激光器22、分光镜23、反光镜24、偏光镜25、放大镜26、屏幕27、干涉图样传感器28。He-Ne激光器22采用的是5mW的氦氖激光器，激光的波长λ为632.4nm。激光束照射在一个分光镜23上，一部分光经过反射照在试样上，另一部分透过分光镜23后照射在反光镜24上并反射回来，称为参考光束。两束光线各自照射到试样和反光镜24上后经过反射又在分光镜23汇合，由于两束光存在光程差，因此当两束光汇合后会形成干涉。合成的光束经过偏光镜25改变方向，放大镜26放大后照射在屏幕27上，形成一个直径大约几厘米的干涉图案。干涉图案类似于窗口薄膜的等高线图，一圈圈的条纹类似于等高线。随着施加到薄膜上的压强不断增加窗口薄膜变形越来越大，干涉图案中心不断出现新的干涉条纹，并且不断向外扩展。在干涉图案的中心安装有干涉图样传感器28来检测干涉条纹明暗的变化，从而可以测量出窗口薄膜中心处的变形。每次干涉条纹变化薄膜中心相应发生了λ/2的变形。金刚石薄膜的反光性能不好，所以在金刚石薄膜的表面贴上一层反光薄膜或者喷上一层反光剂以增强反光性，便于激光干涉仪测量。
动态载荷加载系统3采用两种形式：对于低频、高冲击力的动态载荷加载系统由凸轮连杆机构组成；对于高频、低冲击力的动态载荷加载系统采用压电陶瓷晶体线性执行器。
如图1所示，低频动态加载系统包括：直流电机14、凸轮15、连杆16、连杆触头17、连杆转轴18。计算机控制的直流电机14带动凸轮15转动，凸轮偏心距为1.1mm，从而引起连杆16绕着连杆转轴18周期性的转动，连杆触头17固定在连杆16上，这样这个周期性的冲击力将通过连杆触头17传送到不锈钢薄板7上。改变凸轮15和连杆16的接触点就可以改变凸轮机构实际力臂的长度，并保证在凸轮15的一个回转周期内，连杆触头17不和不锈钢薄板7一直接触，从而可以用来调整不锈钢薄板7处的最大位移，以调整被测金刚石薄膜处的压力。
如图2所示，高频动态加载系统包括：压电线性执行器19、信号放大器20、信号发生器21。压电线性执行器19直接安装在不锈钢薄板7下面，其分辨率为0.6nm，共振频率为14KHz。信号发生器21输出一个正弦波信号来驱使压电线性执行器19。这些信号传送到压电线性执行器19前由一个10倍的信号放大器20放大。压电线性执行器19产生一个正弦力作用在不锈钢薄板7上，可以在基座本体内腔内产生最大40KPa的压力，其频率可达8KHz。可以根据实际加工中，刀具所受力及受冲击周期来调整连杆力臂的长度和电机14转速或者压电线性执行器19的电压和频率，从而模拟金刚石刀具的实际受力状况。
数据采集和计算机控制系统包括：压力传感器11、A/D转换器12和计算机系统13。压力传感器11通过螺纹连接直接旋入到测量基座5右面螺纹孔中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，压力传感器11所采集的测量信号通过数据线传送，经过A/D转换器12转换输送到计算机系统13中，并通过labview软件加以分析。
在使用本发明装置进行测量时，首先采用缩水甘油醚类二酚基丙烷型环氧树脂粘结剂将制备好的金刚石涂层样品29的涂层基体环氧化固定在样品支架9的顶面，并使样品窗口的中心与样品支架9顶部通孔的中心相重合。根据加工实际刀具所受力及受到冲击的周期，选择采用动态加载系统的类型。对于低频动态加载系统通过调整杠杆16实际力臂长度及电机14转速，来模拟实际金刚石涂层刀具受力状态；对于高频动态加载系统通过调整压电线性执行器19的电压及频率来模拟。与此同时，通过He-Ne激光干涉测量系统及数据采集和计算机控制系统实时监测基座本体腔内的液体压力周期、最大峰值及平均值、金刚石涂层刀具薄膜膨胀高度。当基座本体腔内压力突然下降时，表明金刚石薄膜失效，断裂。当压力下降到用户设置的临界值时，labview分析系统通知用户该刀具涂层已经破坏，断裂。根据膜基界面结合强度的理论模型就可以精确定量地计算出金刚石涂层在不同工况的动态附着强度及使用周期。
Claims (10)
1.一种测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，包括：He-Ne激光干涉测量系统(2)、数据采集和计算机控制系统(4)，其特征在于，还包括：基座本体(1)、动态载荷加载系统(3)，动态载荷加载系统(3)和基座本体(1)相连，并给基座本体(1)腔内液体施加动态压力，压力以声速传送到被测样本薄膜上，He-Ne激光干涉测量系统(2)在基座本体(1)的上方，用来检测样本薄膜受动态载荷后高度的变化，数据采集和计算机控制系统(4)和基座本体(1)及He-Ne激光干涉测量系统(2)相连，采集基座本体腔内液体压力及样本薄膜高度的变化值，并经过计算机分析得出所测薄膜的动态结合强度。
2.根据权利要求1所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，基座本体(1)包括：测量基座(5)、O型密封圈(6)、不锈钢薄板(7)、卸荷阀(8)、样品支架(9)、底板固定螺栓(10)，样品支架(9)通过螺纹旋入到测量基座(5)的顶面螺纹孔中，卸荷阀(8)通过螺纹旋入到测量基座(5)左面螺纹孔中，不锈钢薄板(7)通过底板固定螺栓(10)固定在测量基座(5)下面，以上连接之间均用O型密封圈(6)密封。
3、根据权利要求2所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，测量基座(5)是由有机玻璃块加工成的中空立方体平台，底座下部的空腔的直径为上部孔径的6倍。
4、根据权利要求2所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，样品支架(9)是沿着中心轴向下加工出一个通孔的无变形钢螺栓，螺栓中心通孔使压力油流过对样品进行加压。
5、根据权利要求1所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，动态载荷加载系统(3)包括低频动态加载系统和高频动态加载系统两种形式，对于低频、高冲击力的动态载荷加载系统采用包含凸轮连杆机构的低频动态加载系统；对于高频、低冲击力的动态载荷加载系统采用包含压电陶瓷晶体线性执行器高频动态加载系统。
6、根据权利要求5所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，低频动态加载系统包括：直流电机(14)、凸轮(15)、连杆(16)、连杆触头(17)、连杆转轴(18)，计算机控制的直流电机(14)通过凸轮(15)与连杆(16)连接，连杆(16)与连杆转轴(18)连接并绕着连杆转轴(18)周期性转动，连杆触头(17)固定在连杆(16)上，这个周期性的冲击力通过连杆触头(17)传送到不锈钢薄板(7)上。
7、根据权利要求5所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，高频动态加载系统包括：压电线性执行器(19)、信号放大器(20)、信号发生器(21)，压电线性执行器(19)直接设置在不锈钢薄板(7)下面，其分辨率为0.6nm，共振频率为14KHz，信号发生器(21)通过信号放大器(20)连接到压电线性执行器(19)。
8、根据权利要求1所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，He-Ne激光干涉测量系统(2)包括：He-Ne激光器(22)、分光镜(23)、反光镜(24)、偏光镜(25)、放大镜(26)、屏幕(27)、干涉图样传感器(28)，He-Ne激光器(22)发出的激光束照射在一个分光镜(23)上，一部分光经过反射照在试样上，另一部分透过分光镜(23)后照射在反光镜(24)上并反射回来，两束光线各自照射到试样和反光镜(24)上后经过反射又在分光镜(23)汇合，合成的光束经过偏光镜(25)改变方向，放大镜(26)放大后照射在屏幕(27)上，形成一个干涉图案，在干涉图案的中心设有干涉图样传感器(28)。
9、根据权利要求1所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，数据采集和计算机控制系统(4)包括：压力传感器(11)、A/D转换器(12)和计算机系统(13)，压力传感器(11)通过螺纹连接直接旋入到测量基座(5)右面螺纹孔中，联接螺纹采用聚四氟乙烯生料带进行密封，压力传感器(11)通过A/D转换器(12)连接到计算机系统(13)，压力传感器(11)所采集的测量信号通过数据线传送，经过A/D转换器(12)转换输送到计算机系统(13)中。
10、根据权利要求8所述的测试金刚石涂层刀具附着强度及使用寿命的测量装置，其特征是，He-Ne激光器(22)采用5mW的氦氖激光器，激光的波长λ为632.4nm。
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| 鼓泡法在金刚石薄膜/硅基界面结合强度定量测量中的应用分析与试验研究. 胡斌等.航空精密制造技术，第39卷第4期. 2003 |
| 鼓泡法在金刚石薄膜/硅基界面结合强度定量测量中的应用分析与试验研究. 胡斌等.航空精密制造技术，第39卷第4期. 2003 * |
| 鼓泡法定量测量金刚石薄膜膜基界面结合强度的实验研究. 简小刚等.金刚石与磨料磨具工程，第136卷第4期. 2003 |
| 鼓泡法定量测量金刚石薄膜膜基界面结合强度的实验研究. 简小刚等.金刚石与磨料磨具工程，第136卷第4期. 2003 * |
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