CN107543752B - 纳米压痕仪专用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米压痕仪专用夹具，工件支撑板上面设有四个伸缩架及工件夹持块，伸缩架底部设有伸缩滑块，工件夹持块和伸缩滑块嵌入伸缩滑槽内；伸缩架尾端设有电磁铁，工件支撑板下方设有倾斜齿轮，工件支撑板侧边设有旋转支撑架；倾斜齿轮与倾斜齿条啮合连接，倾斜齿条底部通过移动滑条与移动滑槽连接，移动滑条内均设有弹簧，千分尺端部与倾斜齿条接触连接；旋转支撑架底部和齿条架均固定于下方的旋转圆盘上；旋转圆盘内侧设有带倾角的轮齿，固定圆盘外侧设有均匀分布的轮齿，旋转圆盘通过轮齿与固定圆盘啮合连接。该夹具操作简便，能够实现工件的多自由度运动，确保纳米压痕仪工作过程中，压头与待测工件表面接触良好，实验结果准确、可靠。

Description

纳米压痕仪专用夹具

技术领域

本发明涉及一种纳米压痕仪，尤其是一种纳米压痕仪专用夹具，属于纳米压痕仪技术领域。

背景技术

纳米压痕仪主要用于微纳米尺度材料的力学性能测试。纳米压痕仪工作过程中，压头以一定的载荷作用于待测工件表面，制造出具有特定形状和尺寸的压痕，通过卸载阶段压力与压入深度的曲线分析出材料的硬度和弹性模量、接触刚度、蠕变、断裂韧性、存储模量及损耗模量等特性。见戎俊梅，柴国钟，郝伟娜.基于纳米压痕技术及有限元模拟的薄膜力学性能研究[J].浙江工业大学学报,2011,39(6):674-678；马增胜. 纳米压痕法表征金属薄膜的里力学性能[D].湘潭大学，2011。待测工件可以为软质或硬质材料，包括金属、合金、半导体、玻璃、矿物和有机材料等。

此外，纳米压痕仪还能够用于制造工件表面划痕，使用压头以一定的载荷在工件表面以特定的水平移动速率进行划擦，引起工件表面的材料断裂，最终形成划痕。目前纳米压痕实验过程中存在以下几个问题：（1）常用的纳米压痕仪并无特定的夹具，目前常采用502粘结方式或螺钉夹持的方式将待测工件固定于测试台面上。若采用502粘结方法，在实验完成后，用刀片分离工件时可能会破坏工件，并且残留的胶体可能对工件的表面形貌造成影响。螺钉夹持方法无法保证工件表面受力均匀，对工件夹持的过紧，可能导致工件底部与平台有缝隙；夹持的过松，可能在压头移动过程中，引起工件轻微的移动。夹具对工件的夹持力度将会直接影响到压头与工件的接触刚度，严重影响材料的力学分析结果；（2）纳米压痕测试无法适用于带倾角的工件的测试；（3）无法灵活实现工件表面的多方位测试，每次测试完成后需要重新调整工件的位置才能实现另一个方位的测试。因此，需要设计一种纳米压痕仪专用夹具，能够实现工件的固定和夹紧，确保工件受力均匀，保证压头与工件表面的良好接触，并实现工件的倾斜和旋转运动，使之适用于带倾角的工件测试和工件表面多方位的测试。该装置结构简单，操作简便，有效提高纳米压痕实验的准确性和灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米压痕仪专用夹具，在纳米压痕实验过程中，确保工件的固定和受力均匀，并能够实现工件的倾斜和旋转运动，确保纳米压痕实验的准确性和灵活性。

本发明的技术方案：一种纳米压痕仪专用夹具，包括工件支撑板、伸缩滑槽、伸缩架、工件夹持块、压电传感器、伸缩滑块、调节滑槽、电磁铁、倾斜齿轮、旋转支撑架、倾斜齿条、移动滑条、弹簧、齿条架、移动滑槽、千分尺、旋转圆盘、旋转手柄、固定圆盘、夹具底座，所述工件支撑板上沿待测工件圆周方向均布有四个伸缩架，伸缩架顶端连接有工件夹持块，工件夹持块外侧安置压电传感器，所述伸缩架底部设有伸缩滑块，工件夹持块和伸缩滑块嵌入工件支撑板上的伸缩滑槽内；伸缩架尾端设有电磁铁，电磁铁底部嵌入工件支撑板上的调节滑槽内，由压电传感器控制电磁铁动作，从而调整伸缩架的长度，实现对待测工件的夹紧和固定；所述工件支撑板下方设有倾斜齿轮，工件支撑板侧边设有对称的旋转支撑架；倾斜齿轮与置于齿条架上方的倾斜齿条啮合连接，倾斜齿条底部通过移动滑条与齿条架上设置的移动滑槽连接，移动滑条内均设有弹簧，弹簧一端固定于移动滑条内，另一端固定于齿条架上，齿条架侧边设有千分尺，千分尺端部与倾斜齿条接触连接；所述旋转支撑架底部和齿条架均固定于下方的旋转圆盘上；旋转圆盘内侧设有均匀分布的带倾角的轮齿，外侧设有旋转手柄；固定圆盘外侧设有均匀分布的轮齿，固定圆盘固定于夹具底座上，旋转圆盘通过轮齿与固定圆盘啮合连接。

所述旋转支撑架与工件支撑板通过轴承连接，工件支撑板与倾斜齿轮通过螺钉固定连接，旋转支撑架用于支撑和稳定工件支撑板。

所述旋转圆盘与固定圆盘的轮齿的齿数相等；固定圆盘上设有均匀标识的角度刻度线。

当转动千分尺时，所述千分尺端部和弹簧的共同作用于倾斜齿条上，推拉倾斜齿条运动，从而实现工件支撑板和待测工件的倾斜；当转动旋转圆盘时，所述旋转圆盘带动工件支撑板和待测工件的旋转，通过待测工件的倾斜运动和旋转运动，使之适用于带倾角的待测工件的测量，并且能够灵活调整测量位置。

所述伸缩架尾端设有两个电磁铁，通过调节两个电磁铁的间距，实现伸缩架伸长量的调整，保证工件受力均匀，且实现待测工件的固定和夹紧。

本发明的有益效果是：

本发明的纳米压痕仪专用夹具，能够确保工件的固定、夹紧和受力均匀，确保压头与工件表面的良好接触，并实现工件的倾斜和旋转运动，适用于带倾角的工件测试和工件表面多方位的测试。该装置结构简单，操作简便，有效提高纳米压痕实验的准确性和灵活性。

附图说明

图1为本发明的纳米压痕仪专用夹具整体结构示意图

图2为本发明的纳米压痕仪专用夹具实现倾斜运动的结构示意图；

图3为本发明的纳米压痕仪专用夹具实现旋转运动的结构示意图；

图中的各主要部件的代号：

1—待测工件、2—工件支撑板、3—伸缩滑槽、4—伸缩架、5—工件夹持块、6—压电传感器、7—伸缩滑块、8—调节滑槽、9—电磁铁、10—倾斜齿轮、11—旋转支撑架、12—倾斜齿条、13—移动滑条、14—弹簧、15—齿条架、16—移动滑槽、17—千分尺、18—旋转圆盘、19—旋转手柄、20—固定圆盘、21—夹具底座。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明的纳米压痕仪专用夹具，主要由工件支撑板2、伸缩滑槽3、伸缩架4、工件夹持块5、压电传感器6、伸缩滑块7、调节滑槽8、电磁铁9、倾斜齿轮10、旋转支撑架11、倾斜齿条12、移动滑条13、弹簧14、齿条架15、移动滑槽16、千分尺17、旋转圆盘18、旋转手柄19、固定圆盘20、夹具底座21等组成。

工件支撑板2上沿待测工件1圆周方向均布有四个伸缩架4，伸缩架4顶端连接有工件夹持块5，工件夹持块5外侧安置压电传感器6，所述伸缩架4底部设有伸缩滑块7，工件夹持块5和伸缩滑块7嵌入工件支撑板2上的伸缩滑槽3内；伸缩架4尾端设有电磁铁9，电磁铁9底部嵌入工件支撑板2上的调节滑槽8内，由压电传感器6控制电磁铁9动作，从而调整伸缩架4的长度，实现对待测工件1的夹紧和固定；所述工件支撑板2下方设有倾斜齿轮10，工件支撑板2侧边设有对称的旋转支撑架11；倾斜齿轮10与置于齿条架15上方的倾斜齿条12啮合连接，倾斜齿条12底部通过移动滑条13与齿条架15上设置的移动滑槽16连接，移动滑条13内均设有弹簧14，弹簧14一端固定于移动滑条13内，另一端固定于齿条架15上，齿条架15侧边设有千分尺17，千分尺17端部与倾斜齿条12接触连接； 所述旋转支撑架11底部和齿条架15均固定于下方的旋转圆盘18上；旋转圆盘18内侧设有均匀分布的带倾角的轮齿，外侧设有旋转手柄19；固定圆盘20外侧设有均匀分布的轮齿，固定圆盘20固定于夹具底座21上，旋转圆盘18通过轮齿与固定圆盘20啮合连接。

当转动千分尺17时，千分尺17端部和弹簧14共同作用于倾斜齿条12上，推拉倾斜齿条12运动，从而实现工件支撑板2和待测工件1的倾斜；当转动旋转圆盘18时，旋转圆盘18带动工件支撑板2和待测工件1的旋转，实现待测工件1的倾斜运动和旋转运动，使之适用于带倾角的待测工件1的测量，并且能够灵活调整测量位置。

本发明通过压电传感器和电磁铁控制系统，根据待测工件1的尺寸大小进行压力调整，从而达到固定待测工件1和保证待测工件1表面受力均匀的目的。本发明利用倾斜齿条12的水平运动带动倾斜齿轮10的旋转，实现待测工件1的倾斜，通过旋转圆盘18的转动实现待测工件1的旋转。

实验开始前，伸缩架4尾端的每对电磁铁7均置于调节滑槽8的两端，此时伸缩架4为未伸长的状态。如图1所示，将待测工件1置于工件支撑板2中间，由压电传感器6检测待测工件1与工件夹持块5之间的实时压力，同时将该压力信号转换为电信号输入到输出执行单元，控制伸缩架4尾端四对电磁铁9的磁力，调节每对电磁铁9的间距，进而调整伸缩架4的伸长量。当压力信号偏小时（例如压力为零），调节电磁铁9使之相互靠近，同时带动伸缩滑块7沿伸缩滑槽3向工件支撑板2中部运动，使工件夹持块5靠近待测工件1；同理，当压力信号偏大时，调节电磁铁9使之相互排斥，同时带动伸缩滑块7沿伸缩滑槽3向工件支撑板2边缘运动，使工件夹持块5离开待测工件1，直到压电传感器6测得的元件四周压力信号均相等且均大于零。此时，完成待测工件1的固定与夹紧，并且保证待测工件1下表面与工件支撑板2上表面间无缝隙，确保上方的压痕仪压头与工件表面的良好接触。

对于带有倾角的待测工件，将工件固定于工件支撑板2后，转动齿条架15侧边的千分尺17，推动倾斜齿条12沿移动滑槽16水平运动。利用倾斜齿条12与倾斜齿轮10轮齿的啮合，带动倾斜齿轮10和工件支撑板2的旋转，实现待测工件的倾斜，使工件待测面与上方的压痕仪压头保持垂直。

对于需要旋转以调整测量点方位的工件，沿着顺时针方向转动旋转手柄19，实现旋转圆盘18的旋转，同时带动工件支撑架2和待测工件1完成旋转运动。根据固定圆盘20上的角度刻度线，将待测工件1旋转至所需的位置。

如图2所示，为本发明实现倾斜运动的结构示意图。倾斜齿条12底部设有两个移动滑条13，弹簧14一端固定于移动滑条13内，一端固定于齿条架15上，千分尺17端部与倾斜齿条12接触。转动千分尺17，在千分尺17端部和弹簧14的共同作用下实现倾斜齿条12沿移动滑槽16的推拉运动，从而实现工件支撑板2和待测工件1的倾斜。在本结构中，旋转支撑架11与工件支撑板2通过轴承连接，工件支撑板2与倾斜齿轮10通过螺钉连接固定，旋转支撑架11始终用于支撑和稳定工件支撑板2。

如图3所示，为本发明实现旋转运动的结构示意图。固定圆盘20通过螺钉连接固定于夹具底座21上，固定圆盘20外圈设有均匀分布的轮齿，旋转圆盘18内圈设有均匀分布的带倾斜角度的轮齿，旋转圆盘18与固定圆盘20的轮齿的齿数相等。由于旋转圆盘18内圈轮齿带有一定的倾角，旋转圆盘18只能沿顺时针方向进行旋转。依据固定圆盘上均匀标识的角度刻度线，转动旋转手柄19至所需角度后，旋转圆盘18内圈带有倾角的轮齿将与固定圆盘20外圈的轮齿配合，此时，将旋转圆盘20固定在所需的位置。此外，支撑架11上端与工件支撑板2连接，下端通过螺钉固定于旋转圆盘18上，因此，旋转圆盘18转动时，将带动工件支撑板2和待测工件1的旋转。

本发明操作简单，结构合理，能够有效提高纳米压痕实验的准确性和灵活性。此外，本发明也可作为接触式粗糙度测量仪的专用夹具。

Claims (5)

1.一种纳米压痕仪专用夹具，包括工件支撑板(2)、伸缩滑槽(3)、伸缩架(4)、工件夹持块(5)、压电传感器(6)、伸缩滑块(7)、调节滑槽(8)、电磁铁(9)、倾斜齿轮(10)、旋转支撑架(11)、倾斜齿条(12)、移动滑条(13)、弹簧(14)、齿条架(15)、移动滑槽(16)、千分尺(17)、旋转圆盘(18)、旋转手柄(19)、固定圆盘(20)、夹具底座(21)，其特征在于：所述工件支撑板(2)上沿待测工件(1)圆周方向均布有四个伸缩架(4)，伸缩架(4)顶端连接有工件夹持块(5)，工件夹持块(5)外侧安置压电传感器(6)，所述伸缩架(4)底部设有伸缩滑块(7)，工件夹持块(5)和伸缩滑块(7)嵌入工件支撑板(2)上的伸缩滑槽(3)内；伸缩架(4)尾端设有电磁铁(9)，电磁铁(9)底部嵌入工件支撑板(2)上的调节滑槽(8)内，由压电传感器(6)控制电磁铁(9)动作，从而调整伸缩架(4)的长度，实现对待测工件(1)的夹紧和固定；所述工件支撑板(2)下方设有倾斜齿轮(10)，工件支撑板(2)侧边设有对称的旋转支撑架(11)；倾斜齿轮(10)与置于齿条架(15)上方的倾斜齿条(12)啮合连接，倾斜齿条(12)底部通过移动滑条(13)与齿条架(15)上设置的移动滑槽(16)连接，移动滑条(13)内均设有弹簧(14)，弹簧(14)一端固定于移动滑条(13)内，另一端固定于齿条架(15)上，齿条架(15)侧边设有千分尺(17)，千分尺(17)端部与倾斜齿条(12)接触连接；所述旋转支撑架(11)底部和齿条架(15)均固定于下方的旋转圆盘(18)上；旋转圆盘(18)内侧设有均匀分布的带倾角的轮齿，外侧设有旋转手柄(19)；固定圆盘(20)外侧设有均匀分布的轮齿，固定圆盘(20)固定于夹具底座(21)上，旋转圆盘(18)通过轮齿与固定圆盘(20)啮合连接。

2.根据权利要求1所述的纳米压痕仪专用夹具，其特征在于：所述旋转支撑架(11)与工件支撑板(2)通过轴承连接，工件支撑板(2)与倾斜齿轮(10)通过螺钉固定连接，旋转支撑架(11)用于支撑和稳定工件支撑板(2)。

3.根据权利要求1所述的纳米压痕仪专用夹具，其特征在于：所述旋转圆盘(18)与固定圆盘(20)的轮齿的齿数相等；固定圆盘(20)上设有均匀标识的角度刻度线。

4.根据权利要求1所述的纳米压痕仪专用夹具，其特征在于：当转动千分尺(17)时，所述千分尺(17)端部和弹簧(14)共同作用于倾斜齿条(12)上，推拉倾斜齿条(12)运动，从而实现工件支撑板(2)和待测工件(1)的倾斜；当转动旋转圆盘(18)时，所述旋转圆盘(18)带动工件支撑板(2)和待测工件(1)的旋转，通过待测工件(1)的倾斜运动和旋转运动，使之适用于带倾角的待测工件(1)的测量，并且能够灵活调整测量位置。

5.根据权利要求1-4任一所述的纳米压痕仪专用夹具，其特征在于：所述伸缩架(4)尾端设有两个电磁铁(9)，通过调节两个电磁铁(9)的间距，实现伸缩架(4)伸长量的调整，保证工件受力均匀，且实现待测工件(1)的固定和夹紧。

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