CN104483262A - 一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，包括被测试试件、微动摩擦头、基座系统、超声振动系统和测力系统；超声振动系统装接在基座系统；微动摩擦头固接在超声振动系统；测力系统装接在基座系统；被测试试件固接在测力系统；通过基座系统调节被测试试件与微动摩擦头的相对位置；通过超声振动系统实现微动摩擦头与被测试试件间发生微动摩擦；通过测力系统检测微动摩擦头与被测试试件间力的动态变化。本发明利用超声振动发生器提供微小可控的振幅，振动方向与接触平面垂直，从而实现高频微米级振幅的切向微动摩擦测试，同时设备结构简单，测量精度高，使用成本低，维护简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机。
背景技术
微动是指在存在振动的条件下，发生在紧密配合表面之间的微米量级相对运动。微动过程中伴随摩擦磨损现象，造成接触面的咬合，形成应力腐蚀，加速裂纹扩展，从而使零件的疲劳寿命显著降低。微动摩擦研究中用到的微动摩擦试验机可以分为三类：机械式、电磁式和电液伺服式。机械式试验机结构简单、振幅和频率较为稳定、成本较低，但振动频率低，难以实现微小位移的精确控制；电磁式试验机通过变频器可以实现较大频率范围的测试，但系统刚度不足，激振力较小，稳定性较差；电液伺服式试验机的综合性能好，但是设备体积大、使用成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，利用超声振动发生器提供微小可控的振幅，振动方向与接触平面垂直，从而实现高频微米级振幅的切向微动摩擦测试，同时设备结构简单，测量精度高，使用成本低，维护简便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，包括被测试试件5及与被测试试件5发生微动摩擦的微动摩擦头6；还包括基座系统、超声振动系统和测力系统；
所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
所述超声振动系统包括超声发生器9，超声变幅杆8和连接杆7；超声变幅杆8装接在Z轴滑台11，超声发生器9传动连接超声变幅杆8；连接杆7固接在超声变幅杆8上；所述微动摩擦头6固接在连接杆7上；
所述测力系统包括力传感器4，电荷放大器和数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该电荷放大器信号连接力传感器4，该数据采集卡信号连接电荷放大器；所述被测试试件5固接在力传感器4；
通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和微动摩擦头6可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件5与微动摩擦头6的相对位置；通过超声发生器9产生超声振动并通过超声变幅杆8和连接杆7传递至微动摩擦头6以使微动摩擦头6发生振动从而实现微动摩擦头6与被测试试件5间发生微动摩擦；通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间力的动态变化。
一实施例中：所述微动摩擦头6为滑动摩擦头或滚动摩擦头；所述滑动摩擦头之顶端形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°；所述滚动摩擦头之顶端设有直径为0.3～9.525mm的滚珠。
一实施例中：所述被测试试件5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。
一实施例中：所述连接杆7为带锥度螺钉；所述连接杆7螺接在超声变幅杆8上。
一实施例中：所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
一实施例中：所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-105N～105N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；
一实施例中：所述超声发生器9的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
一实施例中：所述微动摩擦头6信号连接力传感器4。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机的使用方法，包括：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被测试试件5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对微动摩擦头6；
2)通过Z轴滑台11调整微动摩擦头6在Z轴方向上的位置使其对被测试试件5施加微动摩擦载荷；
3)启动超声振动系统以使微动摩擦头6发生振动，从而实现微动摩擦头6与被测试试件5发生微动摩擦；
4)通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间微动摩擦过程中摩擦力的动态变化，得到微动摩擦测试数据。
一实施例中：所述步骤2)中，微动摩擦头6对被测试试件5施加微动摩擦载荷的方法包括：
21)通过Z轴滑台11调整微动摩擦头6在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台11，此时即认为微动摩擦头6对被测试试件5施加微动摩擦载荷。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明提供的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，利用超声振动发生器提供微小可控的振幅，振动方向与接触平面垂直，从而实现高频微米级振幅的微动摩擦测试，获得摩擦系数、磨损状态等物理量，同时设备结构简单，使用成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机示意图。
附图标记：1.光学平板；2.Y轴滑台；3.X轴滑台；4.力传感器；5.被测试试件；6.微动摩擦头；7.连接杆；8.超声变幅杆；9.超声发生器；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
请查阅图1，一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，包括被测试试件5及与被测试试件5发生微动摩擦的微动摩擦头6；还包括基座系统、超声振动系统和测力系统；
所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
所述超声振动系统包括超声发生器9，超声变幅杆8和连接杆7；超声变幅杆8通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器9传动连接超声变幅杆8；连接杆7固接在超声变幅杆8上；所述微动摩擦头6固接在连接杆7上；
所述测力系统包括力传感器4，电荷放大器和数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该电荷放大器信号连接力传感器4，该数据采集卡信号连接电荷放大器；所述被测试试件5固接在力传感器4；
通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和微动摩擦头6可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件5与微动摩擦头6的相对位置；通过超声发生器9产生超声振动并通过超声变幅杆8和连接杆7传递至微动摩擦头6以使微动摩擦头6发生振动从而实现微动摩擦头6与被测试试件5间发生微动摩擦；通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间力的动态变化。
本实施例之中，所述微动摩擦头6为滑动摩擦头或滚动摩擦头；所述滑动摩擦头之顶端形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.01～0.2mm，圆锥角θ＝60°～120°；所述滚动摩擦头之顶端设有直径为1～4mm的滚珠；所述微动摩擦头6的材质根据试验需要选择。
本实施例之中，所述被测试试件5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度达到Ra0.1μm，该被测试试件5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4；所述被测试试件5的材质根据试验需要选择。
本实施例之中，所述连接杆7为带锥度螺钉；其螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆8端面上设有螺纹孔，带锥度螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使连接杆7螺接在超声变幅杆8上。
本实施例之中，所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm。
本实施例之中，所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-100N～100N，测力精度高于0.002N，采样频率高于10KHz；所述超声发生器9的性能参数为：振动频率f＝20～40KHz，振幅范围为0～20μm。
本实施例之中，所述微动摩擦头6信号连接力传感器4。
本发明的实际使用方式如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被测试试件5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对微动摩擦头6；
2)通过Z轴滑台11调整微动摩擦头6在Z轴方向上的位置使其对被测试试件5施加微动摩擦载荷；所述微动摩擦头6对被测试试件5施加微动摩擦载荷的方法如21)-22)所示：
21)通过Z轴滑台11调整微动摩擦头6在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件5，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台11调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以Z轴滑台11的最小位移移动Z轴滑台11并通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台11，此时即认为微动摩擦头6对被测试试件5施加微动摩擦载荷；所述临界值Ncrit＝0.005～0.02N，根据被测试试件5的材料强度确定，材料硬度越大，Ncrit越高，本实施例之中，Ncrit＝0.01N；
3)启动超声振动系统以使微动摩擦头6发生振动，从而实现微动摩擦头6与被测试试件5发生微动摩擦；
4)通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间微动摩擦过程中摩擦力的动态变化，得到微动摩擦测试数据。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：包括被测试试件(5)及与被测试试件(5)发生微动摩擦的微动摩擦头(6)；还包括基座系统、超声振动系统和测力系统；
所述基座系统包括光学平板(1)，X轴滑台(3)，Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)；Y轴滑台(2)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台(3)滑动装接在Y轴滑台(2)上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台(11)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
所述超声振动系统包括超声发生器(9)，超声变幅杆(8)和连接杆(7)；超声变幅杆(8)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器(9)传动连接超声变幅杆(8)；连接杆(7)固接在超声变幅杆(8)上；所述微动摩擦头(6)固接在连接杆(7)上；
所述测力系统包括力传感器(4)，电荷放大器和数据采集卡；力传感器(4)固接在X轴滑台(3)上，该电荷放大器信号连接力传感器(4)，该数据采集卡信号连接电荷放大器；所述被测试试件(5)固接在力传感器(4)；
通过X轴滑台(3)、Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)使被测试试件(5)和微动摩擦头(6)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件(5)与微动摩擦头(6)的相对位置；通过超声发生器(9)产生超声振动并通过超声变幅杆(8)和连接杆(7)传递至微动摩擦头(6)以使微动摩擦头(6)发生振动从而实现微动摩擦头(6)与被测试试件(5)间发生微动摩擦；通过测力系统检测微动摩擦头(6)与被测试试件(5)间力的动态变化。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述微动摩擦头(6)为滑动摩擦头或滚动摩擦头；所述滑动摩擦头 之顶端形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°；所述滚动摩擦头之顶端设有直径为0.3～9.525mm的滚珠。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述被测试试件(5)经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件(5)用超声清洗机清洗后固接在力传感器(4)。
4.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述连接杆(7)为带锥度螺钉；所述连接杆(7)螺接在超声变幅杆(8)上。
5.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述X轴滑台(3)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
6.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述力传感器(4)的性能参数为：测力范围为-105N～105N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz。
7.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述超声发生器(9)的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
8.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，其特征在于：所述微动摩擦头(6)信号连接力传感器(4)。
9.根据权利要求1所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机的使用方法，其特征在于：包括：
1)通过X轴滑台(3)和Y轴滑台(2)调整被测试试件(5)在X轴方向 与Y轴方向上的位置使其正对微动摩擦头(6)；
2)通过Z轴滑台(11)调整微动摩擦头(6)在Z轴方向上的位置使其对被测试试件(5)施加微动摩擦载荷；
3)启动超声振动系统以使微动摩擦头(6)发生振动，从而实现微动摩擦头(6)与被测试试件(5)发生微动摩擦；
4)通过测力系统检测微动摩擦头(6)与被测试试件(5)间微动摩擦过程中摩擦力的动态变化，得到微动摩擦测试数据。
10.根据权利要求9所述的一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，微动摩擦头(6)对被测试试件(5)施加微动摩擦载荷的方法包括：
21)通过Z轴滑台(11)调整微动摩擦头(6)在Z轴方向上的位置使其靠近被测试试件(5)，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过Z轴滑台(11)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以Z轴滑台(11)的最小位移移动Z轴滑台(11)并通过测力系统检测微动摩擦头(6)与被测试试件(5)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值Ncrit时，停止移动Z轴滑台(11)，此时即认为微动摩擦头(6)对被测试试件(5)施加微动摩擦载荷。
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