CN106442194A - 一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，包括底板、减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样、硬质合金涂层平板、测力传感器、固定座、上滑道、下滑道、红外测温器及电加载装置；所述的底板上固定有所述的减速电机、滑块支座及下滑道；所述的减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样依次顺序联接；所述的硬质合金涂层平板、测力传感器通过固定座固定，固定座与上滑道固定；所述的红外测温器和电加载装置均放置于底板上；金属材料试样和硬质合金涂层平板分别与电加载装置的正负极相连。该装置可通过曲柄滑块机构产生的金属材料试样循环撞击硬质合金涂层平板，进而产生机械冲击，并在冲击过程中由于金属材料试样与涂层平板间的电路短路而在接触点处产生热量，从而来实验仿真硬质合金涂层材料在机械—热冲击循环载荷作用的失效过程。

Description

一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置
技术领域
本发明属于材料失效机理研究领域，特别是涉及一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置。
背景技术
硬质合金涂层刀具由于其优良的铣削性能而广泛应用于各种金属材料的机械加工中，尤其在高速铣削、干式铣削等领域有着不可替代的作用。
在高速铣削工件（尤其是难加工材料工件）的过程中，涂层刀具会受到较高的机械冲击和热冲击循环共同作用的影响，涂层部位常常出现裂纹、磨损甚至剥落等现象，严重影响其铣削性能及加工效率，也会使涂层刀具丧失应有的铣削能力。
目前，通过查阅相关文献资料，考虑机械—热冲击载荷对涂层失效机理研究的试验装置很少，因此需要这样一种综合考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，能为机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效行为机理研究提供试验依据。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、操作方便的考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置。
本发明专利采用的技术方案是：一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置。包括底板、减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样、硬质合金涂层平板、测力传感器、固定座、上滑道、下滑道、红外测温器及电加载装置；所述的底板上固定有所述的减速电机、滑块支座及下滑道；所述的减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样依次顺序联接；所述的硬质合金涂层平板、测力传感器通过固定座固定，固定座与上滑道固定；所述的红外测温器和电加载装置均放置于底板上；金属材料试样和硬质合金涂层平板分别与电加载装置的正负极相连。该装置可通过金属材料试样循环撞击硬质合金涂层平板产生机械冲击，通过旋转丝杆旋钮使丝杆上的调节滑块移动，通过调节螺钉固定住调节滑块，实现曲柄长度的可调，从而可以达到控制金属材料试样的移动距离，进而控制机械冲击力的大小，并通过测力传感器能实时的监测到冲击力的变化情况。同时，通过电路短路在接触点处产生热冲击来实验模拟涂层失效的过程。电路发生短路时，接触点处会瞬间产生大量热，给接触处造成热冲击；热冲击的大小可通过电加载装置调节控制电路中电流的大小来控制；同时还可通过调试控制电路来避免产生弧光放电；并通过红外测温探头能实时监测接触点瞬时温度变化情况。该装置的金属材料试样在循环撞击硬质合金涂层平板的过程中，硬质合金涂层平板能在受到机械冲击后，又受到热冲击，热冲击结束后，机械冲击也接着结束，从而实现了机械—热冲击循环载荷的共同作用。
本发明的有益效果是：该装置结构简单、操作简便，巧妙的实现了机械—热冲击循环载荷加载、共同作用的问题，并且可自由控制机械冲击力和热冲击的大小；可以在机械—热冲击循环载荷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过程中机械—热冲击循环作用下涂层失效的研究奠定实验基础。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明对应图1中A处的局部结构示意图。
图3为本发明装置中可调曲柄机构的分解示意图。
图4为本发明装置中载荷波形与电流波形对比图。
图5为本发明装置试验过程的流程图。
图中，1-减速电机，2-圆盘，3-调节曲柄，4-调节滑块，5-丝杆，6-连杆，7-滑块支座，8-探头支架，9-红外测温探头，10-圆柱阶梯滑块，11-金属材料试样，12-下滑道，13-上滑道，14-固定座，15-紧固条，16-硬质合金涂层平板，17-耐热绝缘平板，18-测力传感器，19-电加载装置，20-红外测温器，21-底板，22-轴承，23-内轴承盖，24-调节螺钉，25-外轴承盖，26-丝杆旋钮。
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1至图5所示，本发明包括底板21、减速电机1、曲柄滑块机构、金属材料试样11、硬质合金涂层平板16、测力传感器18、固定座14、上滑道13、下滑道12、红外测温器20及电加载装置19；所述的底板21上固定有所述的减速电机1、滑块支座7及下滑道12；所述的减速电机1、曲柄滑块机构、金属材料试样11依次顺序联接；所述的硬质合金涂层平板16、耐热绝缘平板17、测力传感器18通过紧固条15与固定座14固定，固定座14与上滑道13固定，上滑道13、下滑道12可自由滑动和固定；金属材料试样11和硬质合金涂层平板16分别与电加载装置19的正负极相连。
所述的曲柄滑块机构包括圆盘2、调节曲柄3、调节滑块4、调节螺钉24、丝杆5、丝杆旋钮26、轴承22、内轴承盖23、外轴承盖25、连杆6、圆柱阶梯滑块10及滑块支座7。调节曲柄3通过螺钉固定在圆盘2上，调节曲柄3与调节滑块4之间通过丝杠传动联接，丝杆5一端设有丝杆旋钮26，用于旋转丝杆5，丝杆5与调节曲柄3之间安有轴承22，通过内轴承盖23、外轴承盖25固定。同时调节滑块4两侧设有调节螺钉24，用于与调节曲柄3之间的自由可调固定。调节滑块4与连杆6、连杆6与圆柱阶梯滑块10之间均为转动副联接。
所述的圆柱阶梯滑块10另一端装夹有金属材料试样11，两者螺纹联接。所述的滑块支座7、连杆6、紧固条15及固定座14的制作材料均为绝热绝缘材料。在形成电流回路时能绝缘电流和热对其他装置的影响。金属材料试样11呈圆柱形，外侧端部为半球状。所述的红外测温器20和电加载装置19均放置于底板21上，红外测温探头9与红外测温器20相连，并通过探头支架8固定在滑块支座7顶部，红外测温探头9旋转角度自由可调。
具体操作过程如下：
（1）开启减速电机1，带动圆盘2转动，固定在圆盘2上的调节曲柄3和与调节滑块4转动副联接的连杆6，使圆柱阶梯滑块10在滑块支座7内带动金属材料试样11循环往返移动，通过调节上滑道13、下滑道12的相对位置，可控制硬质合金涂层平板16与金属材料试样11之间的距离，然后通过滑道内的螺栓联接使上滑道13、下滑道12相对位置固定；
（2）通过旋转丝杆旋钮26来控制调节曲柄3内的丝杆5，使丝杆5上的调节滑块4移动，然后通过两端的调节螺钉24固定住调节滑块4，通过调节曲柄的长度，从而达到控制金属材料试样11的移动距离，进而控制机械冲击力大小的目的。在此过程中，受到机械冲击的硬质合金涂层平板16通过耐热绝缘平板17，将机械冲击力传递给测力传感器18，测力传感器18能实时的监测到冲击力的变化情况，结果通过数据采集器以及计算机处理后能实时观察到载荷波形，并能实时测量出冲击载荷大小、频率、占空比等；
（3）开启电加载装置19，电加载装置19的电源两极分别接到金属材料试样11与硬质合金涂层平板16上，电加载装置19经过控制电路1给金属材料试样11和硬质合金涂层平板16通入目标矩形波脉冲电流，控制电路2能调节目标脉冲电流大小、频率、占空比等，然后通过示波器观察电流波形。通过观察记录载荷波形与电流波形信息，当两者波形频率相同、电流占空比小于载荷占空比、t1小于t2时，调试完成。当金属材料试样11与硬质合金涂层平板16撞击接触时，电路回路产生，电路发生短路，在两者接触处阻力最大。根据焦耳定律，接触点处会瞬间产生大量热，给接触处造成热冲击，同时当载荷产生后才加载电流，且载荷卸载前电流变为零，热冲击的大小基本能稳定，不至于产生弧光放电。热冲击的大小可通过调节电加载装置19中控制电路2电流的大小来控制；所述的红外测温探头9能准确测出两者接触点处时的瞬时温度变化情况，并将结果输出到计算机；
（4）记录数据，通过测得的机械冲击力值和接触点温度值，并结合实验后涂层试样表面的损伤情况来研究机械—热冲击循环载荷共同作用下涂层失效行为，为研究在机械—热冲击载荷作用下硬质合金涂层刀具铣削金属材料时刀具涂层失效行为奠定实验基础。

Claims (6)

1.一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：包括底板、减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样、硬质合金涂层平板、测力传感器、固定座、上滑道、下滑道、红外测温器及电加载装置；所述的底板上固定有所述的减速电机、滑块支座及下滑道；所述的减速电机、曲柄滑块机构、金属材料试样依次顺序联接；所述的硬质合金涂层平板、耐热绝缘平板、测力传感器通过紧固条与固定座固定，固定座与上滑道固定，上滑道、下滑道可自由滑动和固定；所述的金属材料试样和硬质合金涂层平板分别与电加载装置的正负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：所述的曲柄滑块机构包括圆盘、调节曲柄、调节滑块、调节螺钉、丝杆、丝杆旋钮、轴承、内轴承盖、外轴承盖、连杆、圆柱阶梯滑块及滑块支座；所述的调节曲柄固定在圆盘上，调节曲柄与调节滑块之间通过丝杠传动联接，丝杆一端设有丝杆旋钮，丝杆与调节曲柄之间设置有轴承，通过内轴承盖、外轴承盖固定；所述的调节滑块两侧设有调节螺钉；所述的调节滑块与连杆、连杆与圆柱阶梯滑块之间均为转动副联接。
3.根据权利要求1所述的一种考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：所述的圆柱阶梯滑块另一端装夹有金属材料试样，两者螺纹联接；所述的滑块支座、连杆、紧固条及固定座的制作材料均为绝热绝缘材料；所述的金属材料试样呈圆柱形，外侧端部为半球状；所述的红外测温器和电加载装置均放置于底板上，红外测温探头与红外测温器相连，并通过探头支架固定在滑块支座顶部。
4.根据权利要求1所述的考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：所述的减速电机带动圆盘转动，所述的调节曲柄和连杆使圆柱阶梯滑块在滑块支座内带动金属材料试样循环往返移动，通过对上滑道、下滑道的相对位置自由调节和固定，可控制硬质合金涂层平板与金属材料试样之间的距离；同时，通过旋转丝杆旋钮使丝杆上的调节滑块移动，通过调节螺钉固定住调节滑块，实现曲柄长度的可调，从而可以达到控制金属材料试样的移动距离，进而控制机械冲击力的大小；所述的测力传感器能实时的监测到冲击力的变化情况。
5.根据权利要求1所述的考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：当所述的金属材料试样与所述的硬质合金涂层平板撞击接触时，电路发生短路，接触点处会瞬间产生大量热，给接触处造成热冲击；热冲击的大小可通过电加载装置调节控制电路中电流的大小来控制；同时还可通过调试控制电路来避免产生弧光放电；所述的红外测温探头能实时监测接触点瞬时温度变化情况。
6.根据权利要求1所述的考虑机械—热冲击循环载荷作用的涂层失效试验装置，其特征在于：所述的金属材料试样在循环撞击硬质合金涂层平板的过程中，硬质合金涂层平板能在受到机械冲击后，又受到热冲击，热冲击结束后，机械冲击也接着结束，从而实现了机械—热冲击循环载荷的共同作用。
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