CN106066290A - 一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置，包括支撑架、底座、伺服电机、圆柱凸轮、冲击机构、精密液压升降台、测力台、涂层试样、红外测温装置及激光发射器。该装置工作时，由伺服电机驱动圆柱凸轮转动，进而带动冲击机构对涂层试样产生一种上下冲击运动，通过测力台对冲击力进行测量，同时，将冲击力产生的信号反馈给中控台，控制激光发射器同步加载热冲击；通过调节精密液压升降台高度及激光发射器的控制电流，有效控制冲击过程中的机械载荷的大小和温度的高低。本发明结构简单，控制方便，能为研究涂层试样在载荷冲击和热冲击共同循环作用下的失效机理提供一种有效的实验手段。

Description

一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验 装置

技术领域

本发明属于涂层材料失效机理研究领域，特别是涉及一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置。

背景技术

近年来，随着现代机械加工朝着高精度、高速切削、低成本等方向的发展，对刀具的各项性能提出了更高的要求。硬质合金涂层是将具有一定韧性的硬质合金基体与硬度高、耐磨性好、摩擦系数低、化学稳定的涂层结合，从而可以大大提高刀具的加工效率、精度和寿命，近年来一直是专家学者的研究热门。

在高速铣削过程中（如附图1所示），刀具会受到较高的载荷冲击和热冲击的影响。尤其是硬质合金涂层刀具高速铣削难加工材料时，在载荷冲击与热冲击循环共同作用下，刀具涂层极易发生破损失效，使刀具丧失应有的铣削能力。

然而现有的公开技术资料或文献大多未针对载荷冲击与热冲击共同循环作用下的涂层失效机理开展研究，更无相应的试验装置来研究载荷冲击与热冲击共同循环作用下的涂层失效行为。

发明内容

为了解决上述技术问题，即需要解决载荷冲击与热冲击的可变控制以及载荷冲击与热冲击循环共同作用等问题。本发明提供一种结构简单、控制方便、自动化程度高的考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下涂层失效的试验装置。

本发明专利采用的技术方案是：一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置。包括支撑架、底座、伺服电机、圆柱凸轮、冲击机构、精密液压升降台、测力台、涂层试样、红外测温装置及激光发射器；所述的支撑架右下方安装有所述的激光发射器；所述的伺服电机、圆柱凸轮和冲击机构均安装在支撑架上，冲击机构可上下自由运动，包括圆盘外套筒、圆柱杆内套筒和弹簧缓冲机构，圆盘外套筒通过中间圆盘固定联接在支撑架上，圆柱杆内套筒通过直线轴承置于圆盘外套筒内，直线轴承外圈通过轴承固定套筒固定，圆柱杆内套筒的圆柱杆部分轴线方向设有足够长圆柱通道，圆柱杆内套筒正上方设有行程开关，圆柱杆内套筒内为弹簧缓冲机构，从上到下设有定向圆柱杆、弹簧、圆锥台圆柱杆、锁紧滑块、夹紧机构和防滑橡胶块。圆锥台圆柱杆下端用夹具夹有冲击杆（由难加工材料制作而成），圆锥台圆柱杆下端与夹具上端通过螺纹联接，夹具上端与夹具下端之间加工有一半圆形开口，夹具下端右边通过螺钉联接着冲击杆上端，并且在冲击杆中间有一凸台平面，用圆柱销一同固定在夹具下端，冲击杆下端为半圆球状；所述的伺服电机和圆柱凸轮右边垂直支撑板与支撑架之间用筋板加固；所述的底座右端摆放有矩形台，矩形台上固定着所述的红外测温装置；底座中间从下到上依次设有所述的精密液压升降台、测力台和涂层试样，测力台和涂层试样之间用耐热胶粘接；伺服电机、测力台、激光发射器和红外测温装置分别与中控台连接。

上述的考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置中，所述的圆柱杆内套筒内的弹簧缓冲机构中，定向圆柱杆向上导入圆柱通道内，弹簧在锁紧滑块和圆锥台圆柱体作用下受预压力作用。所述的伺服电机带动圆柱凸轮转动，圆柱凸轮面上的曲线凹槽内设有能减少联接件摩擦磨损的滚子。转动的圆柱凸轮带动圆柱杆内套筒上下运动。向下运动时，冲击杆撞击涂层试样，直到弹簧压缩最大，此时冲击载荷最大，测力台实时测量该过程的冲击力。向上运动时，夹紧机构夹住防滑橡胶块，防止弹簧回弹。运动达到最高点时，触到行程开关，夹紧机构松开防滑橡胶块，弹簧恢复最初的预压弹簧。所述的精密液压升降台可通过调整冲击杆与涂层试样之间的初始距离来控制冲击力的大小，从而实现冲击力的可变加载与实时测量。

上述的考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置中，所述的激光发射器激光束轨迹能准确落到冲击杆与涂层试样的接触点处，并通过调整激光发射器的控制电流，有效控制激光束的能量大小，实现接触点出温度高低可变控制；所述的红外测温装置能实时测出激光束打到接触点处的瞬时温度变化情况，从而实现冲击热的加载与实时测量。

上述的考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置中，所述的测力台可以在测出载荷冲击力的同时把信号反馈给中控台，中控台再控制激光发射器同步加载热冲击，而冲击机构循环上下运动，从而实现了载荷冲击和热冲击的共同循环作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结构简单、自动化程度高、控制方便；本发明可以在载荷冲击和热冲击共同循环作用下研究涂层失效行为，为硬质合金涂层刀具铣削难加工材料时循环热-力耦合作用下涂层失效机理的研究奠定实验基础。

附图说明

图1为现有加工技术中的涂层刀具铣削加工图，图2、图3、图4、图5为本发明的一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置的结构示意图。

图中，1-伺服电机，2-圆柱凸轮，3-滚子，4-行程开关，5-圆柱杆内套筒，6-圆盘外套筒，7-支撑架，8-圆锥台圆柱杆，9-螺钉，10-圆柱销，11-冲击杆，12-涂层试样，13-耐热胶，14-测力台，15-精密液压升降台，16-底座，17-红外测温装置，18-矩形台，19-激光发射器，20-筋板，21-轴承固定套筒，22-直线轴承，23-锁紧滑块，24-防滑橡胶块，25-电线，26-夹紧机构，27-弹簧，28-定向圆柱杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图2、图3所示，本发明包括支撑架7、底座16、伺服电机1、圆柱凸轮2、冲击机构、精密液压升降台15、测力台14、涂层试样12、红外测温装置17及激光发射器19；所述的支撑架7右下方安装有所述的激光发射器19；所述的伺服电机1、圆柱凸轮2和冲击机构均安装在支撑架7上，冲击机构可上下自由运动，包括圆盘外套筒6、圆柱杆内套筒5和弹簧缓冲机构，圆盘外套筒6通过中间圆盘固定联接在支撑架7上，圆柱杆内套筒5通过直线轴承22置于圆盘外套筒6内，直线轴承22外圈通过轴承固定套筒21固定，圆柱杆内套筒5的圆柱杆部分轴线方向设有足够长圆柱通道，圆柱杆内套筒5正上方设有行程开关4，圆柱杆内套筒5内为弹簧缓冲机构，从上到下设有定向圆柱杆28、弹簧27、圆锥台圆柱杆8、锁紧滑块23、夹紧机构26和防滑橡胶块24。圆锥台圆柱杆8下端用夹具夹有难加工材料制作而成的冲击杆11，圆锥台圆柱杆8下端与夹具上端螺纹联接，夹具上端与夹具下端之间加工有一半圆形开口，夹具下端右边通过螺钉9联接着冲击杆11上端，并且在冲击杆11中间有一凸台平面，用圆柱销10一同固定在夹具下端，冲击杆下端为半圆球状；所述的伺服电机1和圆柱凸轮2右边垂直支撑板与支撑架7之间用筋板20加固；所述的底座16右端摆放有矩形台18，矩形台18上固定着所述的红外测温装置17；底座16中间从下到上依次设有所述的精密液压升降台15、测力台14和涂层试样12，测力台14和涂层试样12之间用耐热胶13粘接；伺服电机1、测力台14、激光发射器19和红外测温装置17分别与中控台连接。

圆柱杆内套筒5内的弹簧缓冲机构中，定向圆柱杆28向上导入圆柱通道内，弹簧27在锁紧滑块23和圆锥台圆柱体8作用下变成预压弹簧。所述的伺服电机1带动圆柱凸轮2转动，圆柱凸轮2面上的曲线凹槽内设有能减少联接件摩擦磨损的滚子3。转动的圆柱凸轮2带动圆柱杆内套筒5上下运动。向下运动时，冲击杆11撞上涂层试样12，直到弹簧压缩最大，此时冲击载荷最大，测力台14实时测量该过程的冲击力。向上运动时，夹紧机构26夹住防滑橡胶块24，防止弹簧回弹。运动达到最高点时，触到行程开关4，夹紧机构26松开防滑橡胶块24，弹簧27恢复最初的预压弹簧。所述的精密液压升降台15可通过调整冲击杆11与涂层试样12之间的初始距离来控制冲击力的大小，从而实现冲击力的加载与实时测量。

激光发射器19激光束轨迹能准确落到冲击杆11与涂层试样12的接触点处，并通过调整激光发射器的控制电流，有效控制激光束的能量大小，实现接触点出温度高低可变控制；所述的红外测温装置17能准确测出激光束打到接触点处时的瞬时温度变化情况，从而实现冲击热的加载与实时测量。

测力台14可以在测出载荷冲击力的同时把信号反馈给中控台，中控台再控制激光发射器19同步加载热冲击，而冲击机构循环上下运动，从而实现了载荷冲击和热冲击的共同循环作用。

本发明的一种考虑载荷冲击和热冲击共同循环作用下的涂层失效试验装置，包括如下步骤：

（1）将冲击杆11的上端与夹具下端右边通过螺钉9联接好，并用圆柱销10固定冲击杆11中间的凸台平面部分和夹具下端，然后让夹具上端与圆锥台圆柱杆8下端螺纹联接。托住冲击杆11用力向上使圆柱杆内套筒5内的圆锥台圆柱杆8的圆锥台部分划过锁紧滑块23被锁紧，此时的弹簧27有一定的压缩量为预压弹簧，处于初始预压状态，将该装置放入圆盘外套筒6内。在底座16左边放置好精密液压升降台15，调整好精密液压升降台15的升降高度，精密液压升降台15正上方放上测力台14，测力台14上放置好硬质合金涂层平板12，两者之间用耐热胶13固定好，将其一起放置在冲击杆11正下方，冲击杆11轴线对准硬质合金涂层平板12圆心；将矩形台18放置在底座16上的右边，并将红外测温装置17置于矩形台18上固定，使测温头对准冲击杆11半圆球面与涂层试样12的接触点处，准备测温；将激光发射器19安装在支撑架7右下方，调整激光发射器19的位置和角度，使其激光束能正好打到冲击杆11半圆球面与涂层试样12的接触点处；

（2）通过中控台控制伺服电机1和红外测温装置17开启，伺服电机1带动圆柱凸轮2转动，圆柱凸轮2面上的曲线凹槽内设有能减少联接件摩擦磨损和冲击的滚子3。转动的圆柱凸轮2带动圆柱杆内套筒5上下运动。当圆柱杆内套筒5向下运动时，难加工材料圆柱杆11半圆球面接触到涂层试样12上，预压弹簧开始压缩，由于转动着的圆柱凸轮2还在带动圆柱杆内套筒5向下运动，冲击杆11会施加给涂层试样12一个瞬时冲击力，测力台14就会开始测量此时的冲击力，并实时记录下来，然后将信号发送给中控台，中控台立即自动控制开启激光发射器19，使激光束同时打到冲击杆11半圆球面与涂层试样12的接触点处，给接触点外加一个温度场，同时在一侧的红外测温装置17实时监测接触点这一温度变化情况，并记录下来。当转动着的圆柱凸轮2带动圆柱杆内套筒5开始向上运动时，测力台14瞬间检测到力开始减小时，将信号发送给中控台，中控台立即通过电线25自动控制开启夹紧机构26，抱紧防滑橡胶块24，防止弹簧回弹。直至冲击杆11脱离涂层试样12，冲击力消失，测力台14又将此信号发送给中控台，中控台立即自动控制激光发射器19关闭。当向上运动到最大行程时，圆柱杆内套筒5上端与正上方的行程开关4接触，行程开关4将此信号发个中控台，中控台迅速自动控制夹紧机构26松紧，此时的装夹着冲击杆11的圆锥台圆柱杆8在压缩弹簧的作用下，向下回程，直至压缩弹簧回到初始预压状态，然后圆柱凸轮2进行下一次工作循环，如此反复上述过程；

（3）测完数据以后，通过测得的冲击力值和接触点温度值，并结合冲击位置的微观形貌等参数来研究载荷冲击和热冲击循环共同作用下涂层失效行为。

根据以上步骤，记录发生涂层失效过程中冲击力值和接触点温度值，即可为硬质合金涂层刀具铣削难加工材料时循环热力作用下涂层失效试验研究提供实验平台。

Claims (4)

1.一种考虑循环载荷冲击和热冲击共同作用下的涂层失效试验装置，其特征在于：包括支撑架、底座、伺服电机、圆柱凸轮、冲击机构、精密液压升降台、测力台、涂层试样、红外测温装置及激光发射器；所述的支撑架右下方安装有所述的激光发射器；所述的伺服电机、圆柱凸轮和冲击机构均安装在支撑架上，冲击机构可上下自由运动，包括圆盘外套筒、圆柱杆内套筒和弹簧缓冲机构，圆盘外套筒通过中间圆盘固定联接在支撑架上，圆柱杆内套筒通过直线轴承置于圆盘外套筒内，直线轴承外圈通过轴承固定套筒固定，圆柱杆内套筒的圆柱杆部分轴线方向设有足够长圆柱通道，圆柱杆内套筒正上方设有行程开关，圆柱杆内套筒内为弹簧缓冲机构，从上到下设有定向圆柱杆、弹簧、圆锥台圆柱杆、锁紧滑块、夹紧机构和防滑橡胶块；圆锥台圆柱杆下端用夹具夹有难加工材料制作而成的冲击杆，圆锥台圆柱杆下端与夹具上端通过螺纹联接，夹具上端与夹具下端之间加工有一半圆形开口，夹具下端右边通过螺钉联接着冲击杆上端，并且在冲击杆中间有一凸台平面，用圆柱销一同固定在夹具下端，冲击杆下端为半圆球状；所述的伺服电机和圆柱凸轮右边垂直支撑板与支撑架之间用筋板加固；所述的底座右端摆放有矩形台，矩形台上固定着所述的红外测温装置；底座中间从下到上依次设有所述的精密液压升降台、测力台和涂层试样，测力台和涂层试样之间用耐热胶粘接；伺服电机、测力台、激光发射器和红外测温装置分别与中控台连接。

2.根据权利要求1所述的考虑循环载荷冲击和热冲击共同作用下的涂层失效试验装置，其特征在于：所述的圆柱杆内套筒内的弹簧缓冲机构中，定向圆柱杆向上导入圆柱通道内，弹簧在锁紧滑块和圆锥台圆柱体作用下受预压力作用；所述的伺服电机带动圆柱凸轮转动，圆柱凸轮面上的曲线凹槽内设有能减少联接件摩擦磨损的滚子；转动的圆柱凸轮带动圆柱杆内套筒上下运动；向下运动时，冲击杆撞击涂层试样，直到弹簧压缩最大，此时冲击载荷最大，测力台实时测量该过程的冲击力；向上运动时，夹紧机构夹住防滑橡胶块，防止弹簧回弹；运动达到最高点时，触到行程开关，夹紧机构松开防滑橡胶块，弹簧恢复最初的预压弹簧；所述的精密液压升降台可通过调整冲击杆与涂层试样之间的初始距离来控制冲击力的大小，从而实现冲击力的可变加载与实时测量。

3.根据权利要求1所述的考虑载荷冲击和热冲击循环共同作用下涂层失效的试验装置，其特征在于：所述的激光发射器激光束轨迹能准确落到冲击杆与涂层试样的接触点处，并通过调整激光发射器的控制电流，有效控制激光束的能量大小，实现接触点出温度高低可变控制；所述的红外测温装置能实时测出激光束打到接触点处的瞬时温度变化情况，从而实现冲击热的加载与实时测量。

4.根据权利要求1所述的考虑载荷冲击和热冲击循环共同作用下涂层失效的试验装置，其特征在于：所述的测力台可以在测出载荷冲击力的同时把信号反馈给中控台，中控台再控制激光发射器同步加载热冲击，而冲击机构循环上下运动，从而实现了载荷冲击和热冲击的共同循环作用。