CN103217347A - 一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置 - Google Patents
一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，包括呈立方体的支架，三点弯曲装置固定于测力仪上，测力仪放置在液压试验机上；支架上平板前侧设有石英玻璃；支架的底板上设有移动式观测装置，移动式观测装置的高速摄影镜头与石英玻璃位置对应；支架上平板横向设有燕尾型槽导轨，移动支座通过燕尾槽导轨和支架上平板连接在一起且与丝杠传动配合；移动支座和固定支座的顶面开有一半圆形槽，半圆形槽内放置试件，硬质合金圆棒在半圆形槽内外露，用于支撑试件；固定支座右侧的支架上设有横向超声振动系统，纵向超声振动系统安装在液压试验机的主轴上。本发明可实现工件的多维振动，便于模拟陶瓷材料实际加工过程的受力状况进行超声振动磨削裂纹的研究。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料试样超声振动三点弯曲试验在线观测装置，尤其是用于陶瓷试样的断裂裂纹动态扩展的测定，属试验设备类。
背景技术
纳米复相陶瓷是一种高性能结构陶瓷材料，其具有高强、高韧、低密度、高硬和耐高温、抗蠕变、耐磨损、耐腐蚀和化学稳定性好等优异的性能，已逐步成为尖端技术不可缺少的关键材料。
但是纳米复相陶瓷的塑韧性仍然很低，且硬度高、对缺陷的敏感度高，这使得其很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工。因此，如何将纳米复相陶瓷的块材加工成具有一定形状和尺寸精度的零件，是纳米复相陶瓷能否真正地进入实用化并为国民经济和国防各个领域所充分利用的关键。
为了改善纳米陶瓷的磨削加工性能，在硬脆材料的高效加工、延性加工、镜面加工、纳米技术等研究领域，将功率超声与不同的特种加工、超精密加工相结合，高效获得微纳米加工表面，是应用性研究的一个新方向。然而关于超声刀具作用于陶瓷材料的研究，基本上都是从工艺和宏观的角度进行，至多是在加工后对材料进行微观特性的观察，没有探究超声振动对材料内禀特性的影响。而现有的三点弯曲试验装置均不适合陶瓷等硬脆材料的超声振动断裂过程的在线观测。
发明内容
本发明提供一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，可实现工件的多维振动，便于模拟实际超声振动加工过程的受力状况进行磨削裂纹研究。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，包括呈立方体的支架，支架的底板和上平板为一体，三点弯曲装置固定于测力仪上，测力仪放置在液压试验机上；
支架上平板前侧开有窗口槽，石英玻璃安装在窗口槽内；支架的底板上设有移动式观测装置，移动式观测装置的高速摄影镜头与石英玻璃位置对应；
支架上平板横向设有燕尾型槽导轨，燕尾型槽导轨内设有丝杠，燕尾型槽导轨右侧的支架上平板上设有一体的固定支座，丝杠右端与固定支座配合，丝杠左端伸出燕尾槽左端面且穿过固定盘、刻度盘和丝杠转动装置固定连接；移动支座通过燕尾槽导轨和支架上平板连接在一起且与丝杠传动配合；移动支座和固定支座的前侧面有用于安装硬质合金圆棒的台阶孔，移动支座和固定支座的顶面开有一半圆形槽，半圆形槽内放置试件，硬质合金圆棒在半圆形槽内外露，用于支撑试件；移动支座和固定支座的后侧面设有一沉头螺孔并设有用于调整弹簧预紧力的螺栓，孔内放置弹簧，弹簧首端和螺栓连接，弹簧末端与试件固定压接；
支架上平板上固定支座右侧设有凸台盘，凸台盘上面镗有孔，横向超声振动系统通过法兰盘固定在凸台盘上，横向超声振动系统通过固定支座的半圆形槽与试件紧密接触且把振动传给试件；
纵向超声振动系统安装在液压试验机的主轴上，纵向超声振动系统下端装有压头，实现超声振动三点弯曲实验。
移动式观测装置包括竖向设置的立柱，立柱上穿设有箱体，箱体内水平方向穿设有移动臂，移动臂上加工有与齿轮配合的齿，构成齿轮齿条机构，齿轮通过齿轮轴设置在箱体内，齿轮轴的外端穿出齿轮轴固定盘后设有手柄，齿轮轴固定盘通过螺钉固定在箱体上；移动臂的末端通过镜头安装板固定有高速摄影镜头。
箱体上竖向设有与立柱配合的立柱孔，立柱孔后侧的箱体上设有立柱开口槽，立柱开口槽与立柱孔连通，立柱开口槽处配套设有横穿的立柱紧固螺钉；箱体上横向设有与移动臂配合的移动臂孔，移动臂孔前侧的箱体上设有移动臂开口槽，移动臂开口槽与移动臂孔连通，移动臂开口槽处配套设有纵穿的移动臂紧固螺钉。
固定盘通过螺钉和燕尾型槽导轨端面固定在一起，移动支座下方燕尾槽中间有一圆柱形孔，圆柱形孔和螺母座的圆柱形凸台紧密配合，丝杠和螺母座的螺孔配合。
移动支座一侧设有两锁紧螺钉孔，通过两锁紧螺钉和位于燕尾槽内的镶条固定。
在试件的侧面和/或下方设置高速摄像系统，高速摄像系统与计算机连接，实现断裂过程的实时在线观察。
丝杠转动装置包括带摇动手柄的手轮，手轮和刻度盘分别通过键和丝杠左端连接。
支架的立板和底板、上平板均呈垂直结构，上平板和底板平行，燕尾槽上表面和支架上平板平行，移动支座和固定支座固定在燕尾槽导轨上后与底座上平板平行。
移动支座半圆形槽左端设置位移传感器。
本发明同时可以实现横向超声振动和压头的纵向超声振动，可实现工件的多维振动。针对超声磨削过程中磨削表面裂纹的疲劳断裂过程在动态下难以测量的情况，设计了超声振动三点弯曲断裂等效实验装置，从而模拟实际加工过程的受力状况进行磨削疲劳研究。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为移动支座的结构示意图；
图3为丝杠部分的结构示意图；
图4为移动式观测装置的结构示意图；
图5为箱体的结构示意图；
图6为移动臂、箱体、立柱的连接结构示意图。
具体实施方式
实施例：如图1-6所示，一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，包括呈立方体的支架1，支架1的底板和上平板为一体，三点弯曲装置通过螺栓孔19固定于超精密测力仪上，测力仪放置在液压试验机上，以测量陶瓷试件断裂时的压力。支架1呈立方体，空间大，可以实现多角度在线观测陶瓷试样断裂过程。
支架1上平板前侧开有窗口槽15，窗口槽15为矩形，石英玻璃安装在窗口槽15内，以方便高速摄影镜头1来拍摄陶瓷断裂时的动态过程，同时防止陶瓷断裂飞出的崩碎损坏高速摄影镜头1，降低试验成本。支架1的底板上设有移动式观测装置2，移动式观测装置2的高速摄影镜头17固定在移动臂21的末端且与石英玻璃位置对应。
支架1上平板横向设有燕尾型槽导轨4，燕尾型槽导轨4内设有丝杠44，燕尾型槽导轨4右侧的支架1上平板上设有一体的固定支座13，丝杠44右端与固定支座13配合，丝杠44左端伸出燕尾槽4左端面且穿过固定盘43、刻度盘42和丝杠转动装置固定连接，见图3的丝杠部件3的结构示意图。根据超声振动频率所确定的试样10尺寸，调整移动支座5位置，通过刻度盘42精确调整支承点位置。
移动支座5通过燕尾槽导轨4和支架1上平板连接在一起且与丝杠44传动配合；移动支座5和固定支座13的前侧面有用于安装硬质合金圆棒16、14的台阶孔35，移动支座5和固定支座13的顶面开有一半圆形槽，半圆形槽内放置试件10，硬质合金圆棒16、14在半圆形槽内外露，用于支撑试件10；移动支座5和固定支座13的后侧面设有一沉头螺孔并设有用于调整弹簧7预紧力的螺栓36，孔内放置弹簧7，弹簧7首端和螺栓36连接，弹簧7末端与试件10固定压接，防止试样10在超声振动下侧向移动，使得测量值更加精确。螺栓36用于调整弹簧的预紧力，防止试样在超声振动下侧向移动，使得测量值更加精确。
移动支座5半圆形槽另一端放置位移传感器6，传感器一是用来调整工具和变幅杆紧密接触，另一作用用来测定试件弯曲时的变形量，计算出超声下的陶瓷断裂强度。横向超声振动系统12通过固定支座13的半圆形槽与试件10紧密接触，同时把振动传给试件10。
固定支座13右侧的支架1上平板上设有凸台盘11，凸台盘11上面镗有孔，横向超声振动系统12通过法兰盘固定在凸台盘11上，横向超声振动系统12通过固定支座13的半圆形槽与试件10紧密接触且把振动传给试件10。
本发明的试验装置同时可以实现压头的超声振动，纵向超声振动系统9安装在液压试验机的主轴上，纵向超声振动系统9下端装有压头，实现超声振动三点弯曲实验。
移动式观测装置2包括竖向设置的立柱23，立柱23底部通过底座20与支架1底板固定，立柱23上穿设有箱体22，箱体22内水平方向穿设有移动臂21，移动臂21上设有与齿轮24配合的齿，齿轮24通过齿轮轴26设置在箱体22内，齿轮轴26的外端穿出齿轮轴固定盘28后设有手柄27，齿轮轴固定盘28通过螺钉45固定在箱体22上；移动臂21的末端通过镜头安装板25固定有高速摄影镜头17。
箱体22上竖向设有与立柱23配合的立柱孔32，立柱孔32后侧的箱体22上设有立柱开口槽31，立柱开口槽31与立柱孔32连通，立柱开口槽31处配套设有横穿的立柱紧固螺钉30，可以调整箱体22的上下移动，位置调到适当高度后，通过紧固螺钉30夹紧立柱开口槽31。
箱体22上横向设有与移动臂21配合的移动臂孔29，移动臂孔29前侧的箱体22上设有移动臂开口槽35，移动臂开口槽35与移动臂孔29连通，移动臂开口槽35处配套设有纵穿的移动臂紧固螺钉30。移动臂孔29上方的箱体22上设有齿轮预留孔33。
通过手柄27摇动齿轮轴26带动齿轮24转动，通过齿轮24的转动带动移动臂21的移动，来调整镜头的横向位置，当位置合适时通过箱体下的两个紧固螺钉夹紧移动臂开口槽35，箱体22上齿轮轴孔34内安装齿轮轴26。
固定盘43通过螺钉和燕尾型槽导轨4端面固定在一起，移动支座5下方燕尾槽中间有一圆柱形孔37，圆柱形孔37和螺母座38的圆柱形凸台紧密配合，丝杠44和螺母座38的螺孔配合，通过摇动手柄40带动手轮41、刻度盘42、丝杠44和螺母座38，可以根据陶瓷试样的尺寸对移动支座进行定位，从而调整支撑点的位置。
移动支座5一侧设有两锁紧螺钉孔39，通过两锁紧螺钉18和位于燕尾槽内的镶条46固定。
根据需要，在试件10的侧面和/或上方也可以设置高速摄像系统8，可以实现多角度在线观测陶瓷材料的动态断裂过程。
丝杠转动装置包括带摇动手柄40的手轮41，手轮41和刻度盘42分别通过键和丝杠44左端连接。
支架的立板和底板、上平板均呈垂直结构，上平板和底板平行，燕尾槽上表面和支架上平板平行，移动支座5和固定支座13固定在燕尾槽导轨上后与底座上平板平行。
本发明用于陶瓷等硬脆材料多频率（如20KHz-60KHz）下的三点弯曲疲劳实验。根据该超声疲劳实验装置中超声振动系统变幅杆的设计和陶瓷材料性能的要求，弯曲试样的应力幅值加载范围在260-1000MPa之间。超声弯曲试样须满足不同频率下弯曲谐振条件，20kHz弯曲试样的最小长度应大于35mm。
Claims (9)
1.一种适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：包括呈立方体的支架，支架的底板和上平板为一体，三点弯曲装置固定于测力仪上，测力仪放置在液压试验机上；
支架上平板前侧开有窗口槽，石英玻璃安装在窗口槽内；支架的底板上设有移动式观测装置，移动式观测装置的高速摄影镜头与石英玻璃位置对应；
支架上平板横向设有燕尾型槽导轨，燕尾型槽导轨内设有丝杠，燕尾型槽导轨右侧的支架上平板上设有一体的固定支座，丝杠右端与固定支座配合，丝杠左端伸出燕尾槽左端面且穿过固定盘、刻度盘和丝杠转动装置固定连接；移动支座通过燕尾槽导轨和支架上平板连接在一起且与丝杠传动配合；移动支座和固定支座的前侧面有用于安装硬质合金圆棒的台阶孔，移动支座和固定支座的顶面开有一半圆形槽，半圆形槽内放置试件，硬质合金圆棒在半圆形槽内外露，用于支撑试件；移动支座和固定支座的后侧面设有一沉头螺孔并设有用于调整弹簧预紧力的螺栓，孔内放置弹簧，弹簧首端和螺栓连接，弹簧末端与试件固定压接；
支架上平板上固定支座右侧设有凸台盘，凸台盘上面镗有孔，横向超声振动系统通过法兰盘固定在凸台盘上，横向超声振动系统通过固定支座的半圆形槽与试件紧密接触且把振动传给试件；
纵向超声振动系统安装在液压试验机的主轴上，纵向超声振动系统下端装有压头，实现超声振动三点弯曲实验。
2.根据权利要求1所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：移动式观测装置包括竖向设置的立柱，立柱上穿设有箱体，箱体内水平方向穿设有移动臂，移动臂上加工有与齿轮配合的齿，构成齿轮齿条机构，齿轮通过齿轮轴设置在箱体内，齿轮轴的外端穿出齿轮轴固定盘后设有手柄，齿轮轴固定盘通过螺钉固定在箱体上；移动臂的末端通过镜头安装板固定有高速摄影镜头。
3.根据权利要求2所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：箱体上竖向设有与立柱配合的立柱孔，立柱孔后侧的箱体上设有立柱开口槽，立柱开口槽与立柱孔连通，立柱开口槽处配套设有横穿的立柱紧固螺钉；箱体上横向设有与移动臂配合的移动臂孔，移动臂孔前侧的箱体上设有移动臂开口槽，移动臂开口槽与移动臂孔连通，移动臂开口槽处配套设有纵穿的移动臂紧固螺钉。
4.根据权利要求3所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：固定盘通过螺钉和燕尾型槽导轨端面固定在一起，移动支座下方燕尾槽中间有一圆柱形孔，圆柱形孔和螺母座的圆柱形凸台紧密配合，丝杠和螺母座的螺孔配合。
5.根据权利要求4所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：移动支座一侧设有两锁紧螺钉孔，通过两锁紧螺钉和位于燕尾槽内的镶条固定。
6.根据权利要求5所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：在试件的侧面和/或下方设置高速摄像系统，高速摄像系统与计算机连接，实现断裂过程的实时在线观察。
7.根据权利要求6所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：丝杠转动装置包括带摇动手柄的手轮，手轮和刻度盘分别通过键和丝杠左端连接。
8.根据权利要求7所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：支架的立板和底板、上平板均呈垂直结构，上平板和底板平行，燕尾槽上表面和支架上平板平行，移动支座和固定支座固定在燕尾槽导轨上后与底座上平板平行。
9.根据权利要求8所述的适合在线观测硬脆材料的超声振动三点弯曲试验装置，其特征在于：移动支座半圆形槽左端设置位移传感器。
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