CN104048888B - 一种材料摩擦磨损性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料摩擦磨损性能测试装置，包括工作台、水平杠杆、铰支架、摆动臂、摆动臂支撑轴、试样夹具和S型压力传感器；铰支架、摆动臂支撑轴和S型压力传感器分别固定设置在工作台的台面上；所述工作台的台面上设有可旋转的主盘，该主盘的旋转轴线与所述工作台的台面垂直设置；所述水平杠杆的一端通过铰链与铰支架连接；所述摆动臂的一端与摆动臂支撑轴连接，该摆动臂可绕摆动臂支撑轴水平旋转，试样夹具设置在所述摆动臂的另一端上；S型压力传感器顶杆的杆端头与所述试样夹具的外侧壁触接。本发明能够实现超硬涂层及超硬薄膜材料摩擦磨损性能的精确在线测试，对接触载荷及温升的适应性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种材料摩擦磨损性能测试装置。
背景技术
人们从实用角度出发，总希望所用的工具具有良好的摩擦磨损性能以延长其使用寿命，因此从没间断过对超硬材料的研究。现代工业和技术的发展对材料综合性能的要求越来越高。例如，刀具在切削加工过程中与切屑和已加工面发生相互作用，承受摩擦力和切削热的作用，因此作为刀具材料必须具有高硬度、低摩擦系数，同时还应具有高的红硬性，有的甚至还需要有良好的抗高温氧化、腐蚀、冲刷能力。利用超硬涂层进行材料表面防护是改进材料性能的一条重要途径。
因此研制超硬涂层材料摩擦磨损性能的测试装置，解决超硬涂层或超硬薄膜材料摩擦磨损性能测量过程中接触应力较大、摩擦温升较高这一工程实际问题就尤为重要。
各类二元及三元硬质薄膜常用作刀具和模具的防护层，用于延长刀具及模具的使用寿命。薄膜作为二维材料，其厚度一般在亚微米甚至纳米量级，薄膜的力学性能测试过程极易受基材的影响，因此，薄膜的硬度、弹性模量及膜基结合强度等力学性能的测量都要有相应的高精度测量手段，如纳米硬度计、纳米划痕仪等。硬质薄膜材料摩擦磨损特性测试同样也容易受到基材的影响。硬质薄膜材料摩擦磨损特性测试时要求法向载荷稳定，从而保证对磨副之间接触应力稳定，同时，由于摩擦力绝对值一般较小，传统方式不易精确测量，因此，研制硬质能够精确评价薄膜材料摩擦磨损性能专用测试装置，将具有较好的工程应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种材料摩擦磨损性能测试装置；该装置能够实现对超硬涂层及超硬薄膜材料摩擦磨损性能的精确在线测试，且能够满足薄膜材料摩擦磨损特性测试时对磨副之间接触应力小且稳定的加载要求，同时利用高精度力传感器直接测量摩擦力，克服了在摩擦力绝对值较小的情况下传统方式不易精确测量的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种材料摩擦磨损性能测试装置，所述测试装置包括工作台、水平杠杆、铰支架、摆动臂、摆动臂支撑轴、试样夹具和S型压力传感器；所述铰支架、摆动臂支撑轴和S型压力传感器分别固定设置在所述工作台的台面上；
所述工作台的台面上设有可旋转的主盘，该主盘的旋转轴线与所述工作台的台面垂直设置；
所述水平杠杆的一端通过铰链与铰支架连接，且该水平杠杆可绕铰支架的铰链轴上下摆动；
所述摆动臂的一端与摆动臂支撑轴连接，该摆动臂可绕摆动臂支撑轴水平旋转；
所述摆动臂与摆动臂支撑轴之间设置有滚动轴承，滚动轴承起到固定摆动臂与摆动臂支撑轴、并减少摆动臂与摆动臂支撑轴之间摩擦的作用。
所述试样夹具可上下平动的设置在所述摆动臂的另一端上，且该试样夹具的顶端凸设于摆动臂的顶面，试样夹具的底端凸设于所述摆动臂的底面；
所述水平杠杆的底面压接在所述试样夹具的顶端上，且所述试样夹具的底端设置在主盘上方；设置水平杠杆的目的在于利用杠杆原理为磨损试样增加法向正压力。
S型压力传感器顶杆的杆端头与所述试样夹具的外侧壁触接；
所述主盘的旋转轴线、摆动臂支撑轴的轴线和试样夹具的竖向轴线处在同一第一竖向平面内；
S型压力传感器顶杆的轴线与所述试样夹具的竖向轴线处在同一第二竖向平面内，该第二竖向平面与第一竖向平面呈垂直设置。
进一步的，所述主盘的上盘面上设置有可拆卸的副盘，所述副盘与主盘绕同一条旋转轴线旋转；所述试样夹具的底端设置在副盘上方。
设计副盘的目的在于，针对不同材质的磨损试样，要有与之配副的材料及热处理状态都要合适的副盘，所以采用在主盘的上盘面上设置有可拆卸的副盘的方式，以方便更换不同材料及不同热处理状态的副盘，所述的副盘通过防转销与主盘固装在一起。
进一步的，所述摆动臂的另一端上设有竖向固定孔，该固定孔的孔壁上设有一横向通孔，所述通孔内设有止动螺钉；
所述试样夹具设置在所述固定孔内，且试样夹具的外侧壁上设有防转凹槽，所述止动螺钉的钉头设置在防转凹槽内，止动螺钉可使试样夹具只能在摆动臂的另一端中上下平动，不能转动。
进一步的，在主盘周向外侧壁上或者在副盘周向外侧壁上套设有计数环套，该计数环套的周向外侧壁上设有反光纸；所述工作台的台面上设有用于测量主盘转速的光敏传感器。
进行滑动磨损实验，通常要考察相对滑动速度对材料摩擦磨损性能的影响，此处，使用光敏传感器测量主盘或副盘的转速，以计算相对滑动速度。
进一步的，所述水平杠杆的另一端上设有用于增加水平杠杆法向正压力的配重装置。
进一步的，所述配重装置包括托盘和托盘连接杆，所述托盘与托盘连接杆的下端相连接，所述托盘连接杆的上端通过缓冲弹簧与所述水平杠杆的另一端相连接。
托盘用于放置砝码，以便增加水平杠杆法向正压力。
缓冲弹簧可以减小实验过程中因取放砝码及装置振动对法向正压力的影响，并减小更换砝码时对试样夹具半球形顶部与水平杠杆接触部位的冲击；砝码可更换保证了可以测量不同正压力下的摩擦力。
进一步的，所述固定孔的内侧壁与试样夹具的外侧壁之间设有减摩衬套，该减摩衬套固设在所述固定孔的内侧壁上；所述减摩衬套的周向内侧壁上嵌设有石墨柱。
减摩衬套是为了减少试样夹具外壁与摆动臂另一端上所设竖向固定孔孔内壁之间在竖直方向上的摩擦，以降低加载误差。
进一步的，所述工作台内设置有主控制器和伺服电机；所述伺服电机、S型压力传感器、光敏传感器分别与主控制器电性连接，所述伺服电机的输出轴与主盘固接；
所述工作台的台面上还设置有分别与主控制器电性连接的伺服电机状态显示屏和摩擦数据显示屏。
光敏传感器与主轴测速电路及数据采集电路相连，数据采集电路连接到工作台内的主控制器上，副盘转速显示在伺服电机状态显示屏上，并过数模转换传输到电脑上；S型压力传感器与数据采集电路相连，数据采集电路连接到工作台内的主控制器上，摩擦数据显示在摩擦数据显示屏上，通过数模转换传输到电脑上。
电脑通过数据处理，将不同试验条件下所测磨损试样的摩擦磨损情况，如摩擦力与测试时间(F-t)关系曲线，摩擦系数与测试时间(μ-t)关系曲线，实时的显现在电脑上，并将数据保存在数据库中；实时的摩擦力值及副盘转速分别显示在安装在控制箱上的摩擦数据显示屏和伺服电机状态显示屏上。
实验结束后，可将所测磨损试样取下，测量其磨损量。
进一步的，所述工作台的台面上设有定位槽，该定位槽与S型压力传感器同侧，所述定位槽内设有用于保证所述主盘的旋转轴线、摆动臂支撑轴的轴线和试样夹具的竖向轴线处在同一第一竖向平面内的定位挡块。
定位挡块的作用是起到限位作用，保证了摆动臂转动后，能够快速复位，即使主盘的旋转轴线、摆动臂支撑轴的转动轴线和试样夹具的竖向轴线处在同一第一竖向平面内。
本发明的工作步骤如下：
1、抬起水平杠杆，转动摆动臂，使试样夹具脱离副盘上方，然后放下水平杠杆，使水平杠杆搭在摆动臂支撑轴的顶端。如需更换副盘，可在此时沿竖直方向向上取出副盘，然后放置需更换的副盘，使副盘的凹槽与主盘上的防转销配合到位。
2、将所需测试的磨损试样从试样夹具的底端装入试样夹具，并固定。
3、再次抬起水平杠杆，转动摆动臂，在定位槽中放入定位挡块，使主盘的旋转轴线、摆动臂支撑轴的转动轴线和试样夹具的竖向轴线处在同一第一竖向平面内，且在水平方向上S型压力传感器顶杆的轴线与所述第一竖向平面垂直设置，放下水平杠杆，使水平杠杆的底面压接在所述试样夹具的顶端上，取下定位挡块。
4、将重量合适的C型开口砝码放在托盘上。
5、将正压力、采样周期、测试时间、测量精度、文件名输入电脑屏幕对应的窗口内。测试摩擦力与磨损时间关系时，点击F-t按钮，测试摩擦系数与磨损时间关系时，点击μ-t按钮。
6、调整摩擦力初始值旋钮，将摩擦力初始值调整为0。
7、转动主控制器上的主轴转速调速旋钮，使副盘的转速达到设定值(单位r/min)。副盘与所需测试的磨损试样摩擦面充分贴合后，点击电脑屏幕“开始”按钮，正式开始采集数据。
8、到达预定测试时间后点击电脑屏幕“结束”按钮，同时将主轴转速(即副盘的转速)降为0。
9、点击电脑屏幕“保存”按钮，将F-t或μ-t关系存储为excel数据格式或JPG图像格式。
10、关闭控制箱主电源开关，结束实验。
本发明与现有技术相比，本发明能够实现环境温度下硬质薄膜材料摩擦磨损性能的精确在线测试，能够满足薄膜材料摩擦磨损特性测试时对磨副之间接触应力小且稳定的加载要求，利用高精度力传感器直接测量摩擦力，克服了摩擦力绝对值较小的情况下传统方式不易精确测量的难题；
根据需要可灵活选择与磨损试样配副的副盘的制作材料及热处理状态，法向载荷、主轴转速以及磨损时间等参数可根据需要在一定范围内任意设定，主轴转速及摩擦力值可实时显示在主机显示屏上，摩擦力-磨损时间(F-t)变化关系曲线以及摩擦系数-磨损时间(μ-t)变化关系曲线可实时显现在电脑上，同时将数据保存在数据库中。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为图1的A部放大示意图。
图3为本发明的整体结构俯视图。
图4为本发明中主盘、摆动臂支撑轴、试样夹具和S型压力传感器的位置关系示意图。
图5为图4的B部放大示意图。
图6为本发明中主控制器与相关部件的连接关系示意图。
图7为本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1至7所示，一种材料摩擦磨损性能测试装置，所述测试装置包括工作台1、水平杠杆2、铰支架3、摆动臂4、摆动臂支撑轴5、试样夹具6和S型压力传感器7；所述铰支架3、摆动臂支撑轴5和S型压力传感器7分别固定设置在所述工作台1的台面上；
所述工作台1的台面上设有可旋转的主盘11，该主盘11的旋转轴线与所述工作台1的台面垂直设置；所述主盘11的上盘面上设置有可拆卸的副盘12，所述副盘12通过防转销与主盘11固装在一起，且该副盘12与主盘11绕同一条旋转轴线旋转；所述副盘12的周向外侧壁上设有计数环套8，该计数环套8的周向外侧壁上设有反光纸81；所述工作台1的台面上设有用于测量主盘11转速的光敏传感器9。
所述水平杠杆2的一端通过铰链与铰支架3连接，且该水平杠杆2可绕铰支架3的铰链轴上下摆动；所述水平杠杆2的另一端上设有用于增加水平杠杆2法向正压力的配重装置。所述配重装置包括托盘21和托盘连接杆22，所述托盘21与托盘连接杆22的下端相连接，所述托盘连接杆22的上端通过缓冲弹簧23与所述水平杠杆2的另一端相连接；托盘21内放置有砝码，以便获得试验所需的法向正压力。设置水平杠杆2的目的在于利用杠杆原理为磨损试样增加法向正压力，其原理如图7所示，对水平杠杆2进行受力分析，对于铰支架轴心O点，有∑M＝0
N′×L1＝G×L2+W×L3
N＝N′＝(G×L2+W×L3)÷L1
根据上面公式，实验过程中，采用不同的砝码W，可得到不同的法向正压力N，利用杠杆原理，有效地放大了砝码的重力。
F＝μ×N
摩擦力F可由S型压力传感器7测得，法向正压力N已知，系统自动计算出相应的摩擦系数μ。(上述公式中：W-砝码重力，G-水平杠杆重力,N-正压力,N′-正压力的反作用力。)
所述摆动臂4的一端与摆动臂支撑轴5连接，该摆动臂4可绕摆动臂支撑轴5水平旋转；所述摆动臂4的另一端上设有竖向固定孔41，该固定孔41的孔壁上设有一横向通孔411，所述通孔411内设有止动螺钉412；所述试样夹具6设置在所述固定孔41内，且试样夹具6的外侧壁上设有防转凹槽61，所述止动螺钉412的钉头设置在防转凹槽61内；所述试样夹具6的顶端62凸设于摆动臂4的顶面，试样夹具6的底端63凸设于所述摆动臂4的底面。
所述固定孔41的内侧壁与试样夹具6的外侧壁之间设有减摩衬套，该减摩衬套的周向内侧壁上嵌设有石墨柱，所述减摩衬套固设在所述固定孔41的内侧壁上。
所述水平杠杆2的底面压接在所述试样夹具6的顶端62上，且所述试样夹具6的底端63设置在副盘12上方。
所述主盘11的旋转轴线、摆动臂支撑轴5的转动轴线和试样夹具6的竖向轴线处在同一第一竖向平面内；S型压力传感器7顶杆的杆端头与所述试样夹具6的外侧壁触接，S型压力传感器7顶杆的轴线与所述试样夹具6的竖向轴线处在同一第二竖向平面内，该第二竖向平面与第一竖向平面呈垂直设置。
所述工作台1内设置有主控制器13和伺服电机14；所述伺服电机14、S型压力传感器7、光敏传感器9分别与主控制器13电性连接，所述伺服电机14的输出轴与主盘11固接；
所述工作台1的台面上还设置有分别与主控制器13电性连接的伺服电机状态显示屏15和摩擦数据显示屏16。
进一步的，所述工作台1的台面上还设有定位槽，该定位槽与S型压力传感器7同侧，所述定位槽内设有用于保证所述主盘11的旋转轴线、摆动臂支撑轴5的轴线和试样夹具6的竖向轴线处在同一第一竖向平面内的定位挡块10。
定位挡块10的作用是起到限位作用，保证了摆动臂4在测试试验开始初期转动后，能够快速复位，即使主盘11的旋转轴线、摆动臂支撑轴5的转动轴线和试样夹具6的竖向轴线处在同一第一竖向平面内。
具体操作时，本发明按如下步骤进行：
1、抬起水平杠杆2，转动摆动臂4，使试样夹具6脱离副盘12上方，然后放下水平杠杆2，使水平杠杆2搭在摆动臂支撑轴5的顶端。如需更换副盘12，可在此时沿竖直方向向上取出副盘，然后放置需更换的副盘，使副盘的凹槽与主盘上的防转销配合到位。
2、将所需测试的磨损试样从试样夹具6的底端63装入试样夹具6，并固定。
3、再次抬起水平杠杆2，转动摆动臂4，并在定位槽中放入定位挡块10，使主盘12的旋转轴线、摆动臂支撑轴5的转动轴线和试样夹具6的竖向轴线处在同一第一竖向平面内，且在水平方向上S型压力传感器7顶杆的轴线与所述第一竖向平面垂直设置，放下水平杠杆2，使水平杠杆2的底面压接在所述试样夹具6的顶端62上，取下定位挡块10。
4、将重量合适的C型开口砝码放在托盘21上。
5、将正压力、采样周期、测试时间、测量精度、文件名输入电脑屏幕对应的窗口内。测试摩擦力与磨损时间关系时，点击F-t按钮，测试摩擦系数与磨损时间关系时，点击μ-t按钮。
6、调整摩擦力初始值旋钮，将摩擦力初始值调整为0。
7、转动主控制器13上的主轴转速调速旋钮，使通过主盘带动的副盘的转速达到设定值(单位r/min)。副盘与所需测试的磨损试样摩擦面充分贴合后，点击电脑屏幕“开始”按钮，正式开始采集数据。
8、到达预定测试时间后点击电脑屏幕“结束”按钮，同时将主轴转速(即副盘的转速)降为0。
9、点击电脑屏幕“保存”按钮，将F-t或μ-t关系存储为excel数据格式或JPG图像格式。
10、关闭控制箱主电源开关，结束实验。
本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。
综上所述，本发明所述的实施方式仅提供一种最佳的实施方式，本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本项技术的人士仍可能基于本发明所揭示的内容而作各种不背离本发明创作精神的替换及修饰；因此，本发明的保护范围不限于实施例所揭示的技术内容，故凡依本发明的形状、构造及原理所做的等效变化，均涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述测试装置包括工作台(1)、水平杠杆(2)、铰支架(3)、摆动臂(4)、摆动臂支撑轴(5)、试样夹具(6)和S型压力传感器(7)；所述铰支架(3)、摆动臂支撑轴(5)和S型压力传感器(7)分别固定设置在所述工作台(1)的台面上；
所述工作台(1)的台面上设有可旋转的主盘(11)，该主盘(11)的旋转轴线与所述工作台(1)的台面垂直设置；
所述水平杠杆(2)的一端通过铰链与铰支架(3)连接，且该水平杠杆(2)可绕铰支架(3)的铰链轴上下摆动；
所述摆动臂(4)的一端与摆动臂支撑轴(5)连接，该摆动臂(4)可绕摆动臂支撑轴(5)水平旋转；
所述试样夹具(6)可上下平动的设置在所述摆动臂(4)的另一端上，且该试样夹具(6)的顶端(62)凸设于摆动臂(4)的顶面，试样夹具(6)的底端凸设于所述摆动臂(4)的底面；
所述水平杠杆(2)的底面压接在所述试样夹具(6)的顶端(62)上，且所述试样夹具(6)的底端(63)设置在主盘(11)上方；
S型压力传感器(7)顶杆的杆端头与所述试样夹具(6)的外侧壁触接；
所述主盘(11)的旋转轴线、摆动臂支撑轴(5)的轴线和试样夹具(6)的竖向轴线处在同一第一竖向平面内；
S型压力传感器(7)顶杆的轴线与所述试样夹具(6)的竖向轴线处在同一第二竖向平面内，该第二竖向平面与第一竖向平面呈垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述主盘(11)的上盘面上设置有可拆卸的副盘(12)，所述副盘(12)与主盘(11)绕同一条旋转轴线旋转；所述试样夹具(6)的底端设置在副盘(12)上方。
3.根据权利要求1所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述摆动臂(4)的另一端上设有竖向固定孔(41)，该固定孔(41)的孔壁上设有一横向通孔(411)，所述通孔(411)内设有止动螺钉(412)；
所述试样夹具(6)设置在所述固定孔(41)内，且试样夹具(6)的外侧壁上设有防转凹槽(61)，所述止动螺钉(412)的钉头设置在防转凹槽(61)内。
4.根据权利要求2所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：在主盘(11)周向外侧壁上或者在副盘(12)周向外侧壁上套设有计数环套(8)，该计数环套(8)的周向外侧壁上设有反光纸(81)；所述工作台(1)的台面上设有用于测量主盘(11)转速的光敏传感器(9)。
5.根据权利要求1所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述水平杠杆(2)的另一端上设有用于增加水平杠杆(2)法向正压力的配重装置。
6.根据权利要求5所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述配重装置包括托盘(21)和托盘连接杆(22)，所述托盘(21)与托盘连接杆(22)的下端相连接，所述托盘连接杆(22)的上端通过缓冲弹簧(23)与所述水平杠杆(2)的另一端相连接。
7.根据权利要求3所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述固定孔(41)的内侧壁与试样夹具(6)的外侧壁之间设有减摩衬套，该减摩衬套固设在所述固定孔(41)的内侧壁上；所述减摩衬套的周向内侧壁上嵌设有石墨柱。
8.根据权利要求1所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述工作台(1)内设置有主控制器(13)和伺服电机(14)；所述伺服电机(14)、S型压力传感器(7)、光敏传感器(9)分别与主控制器(13)电性连接，所述伺服电机(14)的输出轴与主盘(11)固接；
所述工作台(1)的台面上还设置有分别与主控制器(13)电性连接的伺服电机状态显示屏(15)和摩擦数据显示屏(16)。
9.根据权利要求1所述的一种材料摩擦磨损性能测试装置，其特征在于：所述工作台(1)的台面上设有定位槽，该定位槽与S型压力传感器(7)同侧，所述定位槽内设有用于保证所述主盘(11)的旋转轴线、摆动臂支撑轴(5)的轴线和试样夹具(6)的竖向轴线处在同一第一竖向平面内的定位挡块(10)。
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