CN105136597B - 一种材料摩擦磨损性能的测量方法及装置 - Google Patents

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一种材料摩擦磨损性能的测量方法及装置，其特征是；①确定两种待测材料的硬度，②使刀片测试件与块体材料测试件接触；③使刀片测试件与块体测试件间的作用力达到设定值；④使块体测试件进行旋转，并测量刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力；⑤利用法向力及切向力的测量值进行摩擦系数的计算以及两种材料之间摩擦磨损性能的分析。用于安装块状测试件的卡盘设置在机床主轴上，测力机构设置在工作台上，测力机构与夹具连接，刀片测试件通过弹簧片与夹具连接。本发明的有益效果为：利用测力系统实现了新型材料与被加工材料之间作用力的检测及反馈；有效避免了现有测试方法中对刀具材料几何尺寸要求较高且制备成本昂贵的问题。

Description

一种材料摩擦磨损性能的测量方法及装置
技术领域
本发明属于测量技术领域，特别是一种材料摩擦磨损性能的测量方法及装置。
背景技术
材料的摩擦磨损性能是衡量材料使用性能的重要指标之一，两种材料之间的摩擦系数及磨损性能对其组成的摩擦副的可靠性具有重要影响，材料之间的摩擦磨损性能对密封、机械加工等多个领域具有重要的研究意义。现有的摩擦磨损测试装置中，根据摩擦副可分为球盘摩擦磨损试验机，销盘摩擦磨损试验机，盘盘摩擦磨损试验机，环块摩擦磨损试验机，四球摩擦磨损试验机，缸套活塞环摩擦磨损试验机，高频摩擦磨损试验机，高温摩擦磨损试验机，真空摩擦磨损试验机。现有的摩擦磨损试验装置进行摩擦磨损性能测试时，摩擦形式以线摩擦和面摩擦为主，其测试方法对两种材料的形状、尺寸等几何结构具有较高的要求。
现有许多新型材料难以满足摩擦磨损试验对其的诸多几何结构要求，如人造及天然单晶金刚石的尺寸通常较小且价格昂贵，难以制作成摩擦磨损试验中所需的样品。测量单晶金刚石等新型刀具材料与其他被加工材料之间的面摩擦磨损性能时，现有的测量装置及方法难以使用。
发明内容
针对目前面摩擦磨损性能测试过程中对两种材料的尺寸要求较高且价格昂贵，许多新型刀具材料难以满足测试条件，导致无法对其与其他被加工材料之间的摩擦磨损性能进行测试的问题，本发明的目的是提供一种材料摩擦磨损性能的测量方法及装置。
本发明是这样实现的，其特征是测量方法包括下述步骤：
① 确定两种待测材料的硬度，其中，硬度较高的待测材料选用以该材料制得的刀片作为测试件，硬度较低的材料选用以该材料制得的块体材料作为测试件；
② 使刀片测试件与块体材料测试件接触，其中，将刀片以刀刃与水平方向平行的方式设置且刀刃与块体材料接触的位置与块体材料的中心高度一致；
③ 使刀片测试件与块体测试件间的作用力达到设定值；
④ 使块体测试件进行旋转，并测量刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力；
⑤ 利用法向力及切向力的测量值进行摩擦系数的计算以及两种材料之间摩擦磨损性能的分析。
一种材料摩擦磨损性能的测量装置，它包括机床主轴，卡盘，块体测试件，刀片测试件，弹簧片，夹具，测力机构和工作台，其特征是：用于安装块状测试件的卡盘设置在机床主轴上，测力机构设置在工作台上，测力机构与夹具连接，刀片测试件通过弹簧片与夹具相连接。
一种材料摩擦磨损性能的测量装置，包括测力机构及旋转机构，所述旋转机构用于固定块体测试件并控制块体测试件旋转，所述测力机构用于测量刀片测试件与块体测试件间的作用力、刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力。
所述的测力机构优选包括用于夹持刀片测试件的夹具，夹具连接测力系统，所述刀片测试件通过弹簧片与夹具连接固定。
所述的旋转机构优选包括机床主轴及固定于其上的卡盘，所述机床主轴按与水平方向平行的方向设置，使用时将块体测试件固定于卡盘上，开启机床主轴，使块体测试件进行旋转。
上述技术方案中，步骤①中，由于硬度较高的材料多用于制备刀具刀片，因此本发明所述刀具可根据所选材料自行制得，也可通过商业购得，刀具形式可以为车刀刀片、铣刀刀片等。商业购得的刀片满足测试所需即可。
上述技术方案中，步骤①中，所述块体材料的形状优选为圆柱体、正方体、长方体等。
上述技术方案中，步骤②中，进行测量时，将刀片以刀刃与水平方向平行的方式设置且刀刃与块体材料接触的位置与块体材料的中心高度一致。例如，当块体材料的形状为圆柱体时，将其按照其圆形底面与水平方向垂直的方向设置，使刀片的刀刃与圆形底面的水平直径处接触。
上述技术方案中，步骤③和④中，刀片测试件与块体测试件间的作用力、刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力均可利用测力系统测得，所述测力系统可商业购得。
上述技术方案中，步骤⑤中，摩擦系数计算方法为：摩擦系数f=切向力Ft/法向力Fn。
本发明的有益效果为：本发明所述方法可以对新型刀具材料与被加工材料两者之间摩擦磨损性能的测量；利用测力系统实现了新型刀具材料与被加工材料之间作用力的检测及反馈；有效避免了现有测试方法中对刀具材料几何尺寸要求较高且制备成本昂贵的问题，使用新型刀具材料及被加工材料即可完成两种材料之间摩擦磨损性能的测试。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步的描述：
图1刀具刀片进行材料摩擦磨损性能测量装置的俯视图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，该采用刀片进行材料摩擦磨损性能测量装置包括机床主轴1，卡盘2，块体测试件3，刀片测试件4，弹簧片5，夹具6，测力机构7和工作台8，用于安装块体测试件3的卡盘2设置在机床主轴1上，测力系统7设置在工作台8上，测力机构7与夹具6连接，刀片测试件4通过弹簧片5与夹具6连接。
测力机构7为Kistler 9257B六分量力/力矩测量系统。
其测量方法是：
① 选择材料，所述材料刀片测试件4为单晶金刚石车刀刀片（由上海舒伯哈特金刚石刀具有限公司购得，型号为：R2-前角0°），其中单晶金刚石的尺寸为5mm×4mm×1mm；块体测试件3为碳纤维复合材料；
② 使刀片测试件4与块体材料测试件3接触，其中，将刀片以刀刃与水平方向平行的方式设置且刀刃与块体材料接触的位置与块体材料的中心高度一致；
③ 使刀片测试件与块体测试件间的作用力达到设定值50N；
④ 使块体测试件3进行旋转（转速为100转/分钟），并测量刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力，测量结果见表1；
⑤ 利用法向力及切向力的测量值进行摩擦系数的计算以及两种材料之间摩擦磨损性能的分析；摩擦系数计算方法为：摩擦系数f=切向力Ft/法向力Fn，通过计算得到两种材料之间的摩擦系数约为0.18（表1）。
表1 实施例1的摩擦试验测量结果
实施例2
如图1所示，该采用刀片进行材料摩擦磨损性能测量装置包括机床主轴1，卡盘2，块体测试件3，刀片测试件4，弹簧片5，夹具6，测力机构7和工作台8，用于安装块体测试件3的卡盘2设置在机床主轴1上，测力系统7设置在工作台8上，测力机构7与夹具6连接，刀片测试件4通过弹簧片5与夹具6连接。
测力系统为Kistler 9257B六分量力/力矩测量系统。
其测量方法是：
① 选择材料，所述材料刀片测试件4为硬质合金车刀刀片，尺寸为5mm×5mm×2mm；块体测试件3为高强石墨材料；
② 使刀片测试件4与块体测试件3测试件接触，其中，将刀片以刀刃与水平方向平行的方式设置且刀刃与块状测试件3接触的位置与块体材料的中心高度一致；
③ 使刀片测试件4与块体测试件3间的作用力达到设定值4N；
④ 使块体测试件3进行旋转（转速为400转/分钟），并测量刀片测试件4与块体测试件3间法向力及切向力，测量结果见表1；
⑤ 利用法向力及切向力的测量值进行摩擦系数的计算以及两种材料之间摩擦磨损性能的分析；摩擦系数计算方法为：摩擦系数f=切向力Ft/法向力Fn，通过计算得到两种材料之间的摩擦系数约为0.55（表2）。
表2 实施例2的摩擦试验测量结果

Claims (7)

1.一种材料摩擦磨损性能的测量方法，其特征是：包括下述步骤：
①确定两种待测材料的硬度，其中，硬度较高的待测材料选用以该材料制得的刀片作为测试件，硬度较低的材料选用以该材料制得的块体材料作为测试件；
②使刀片测试件与块体材料测试件接触，其中，将刀片以刀刃与水平方向平行的方式设置且刀刃与块体材料接触的位置与块体材料的中心高度一致；
③使刀片测试件与块体测试件间的作用力达到设定值；
④使块体测试件进行旋转，并测量刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力；
⑤利用法向力及切向力的测量值进行摩擦系数的计算以及两种材料之间摩擦磨损性能的分析；
上述测量方法在下述测量装置中进行，所述测量装置包括机床主轴，卡盘，块状测试件，刀片测试件，弹簧片，夹具，测力机构和工作台，用于安装块状测试件的卡盘设置在机床主轴上，测力机构设置在工作台上，测力机构与夹具连接，刀片测试件通过弹簧片与夹具连接。
2.根据权利要求1 所述的一种材料摩擦磨损性能的测量方法，其特征是：所述块体材料的形状优选为圆柱体或正方体或长方体。
3.根据权利要求1 所述的一种材料摩擦磨损性能的测量方法，其特征是：当块体材料的形状为圆柱体时，将其按照其圆形底面与水平方向垂直的方向设置，使刀片的刀刃与圆形底面的水平直径处接触。
4.根据权利要求1 所述的一种材料摩擦磨损性能的测量方法，其特征是：刀片测试件与块体测试件间的作用力、刀片测试件与块体测试件间法向力及切向力均可利用测力机构测得。
5.权利要求1 所述的一种材料摩擦磨损性能的测量方法所使用的测量装置，其特征是：它包括测力机构及旋转机构，所述旋转机构用于固定块体测试件并控制块体测试件旋转，所述测力机构用于测量刀片测试件与块体测试件间的法向力及切向力。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征是：所述测力机构优选包括用于夹持刀片测试件的夹具，夹具连接测力机构，所述刀片测试件通过弹簧片与夹具连接固定。
7.根据权利要求5 所述的测量装置，其特征是：所述旋转机构优选包括机床主轴及固定于其上的卡盘，所述机床主轴按与水平方向平行的方向设置，使用时将块体测试件固定于卡盘上，开启机床主轴，使块体测试件进行旋转。
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