CN111238358B - 基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极、装置及方法，包括电极压头、电极杆、电极外壳、弹性件、供电装置和调节件，所述的导电管安装所述的电极外壳内，电极杆套装在导电管内，两者之间可相对移动，且电极杆的一端穿过导电管延伸到导电管外与电极压头相连，电极杆的另一端位于电极外壳内与所述弹性件的一端相连，弹性件的另一端与调节件相连，所述的调节件用于调节弹性件的伸缩长度。

Description

基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极、装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于电阻值的刀具涂层厚度无损测量方法及装置，具体地涉及一种面向单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的无损测量方法及装置。

背景技术

切削加工利用刀具切除被加工零件表层材料，形成已加工表面。由于金属材料硬度高、韧性好，金属切削过程中会产生高的切削力和大量切削热，使刀具快速磨损、破损，缩短刀具寿命。目前工业上一般采用PVD或CVD等工艺制备耐磨、热障涂层于刀具表面，可在保证刀具硬度和韧性的基础上提高刀具寿命。耐磨涂层可以有效降低刀具与被加工零件、切屑之间的摩擦系数，提高刀具耐磨性能，热障涂层可以有效降低传递到刀具基体的热量、降低刀具体内部热应力，减少刀具磨损并抑制刀具发生破损。

耐磨、热障刀具涂层按照层数可分为单层、双层和多层涂层。硬质合金刀具表面常涂覆一层厚度1-20μm的TiC、TiN、Al2O3或TiAlN涂层。

涂层厚度是影响涂层刀具性能最重要的因素之一，涂层过薄或过厚都会降低涂层刀具的切削性能和刀具寿命。过薄的涂层无法提供足够的热阻，而且涂层易被切削快速磨穿而失效，过厚的涂层内易产生过大内应力，在切削过程中快速开裂、剥落。因此，为保证涂层刀具能在一定工况下长时间有效工作，必须测量和控制涂层的厚度。

目前涂层厚度的常用测定方法按是否破坏被测刀具分为有损测膜厚法和无损测膜厚法。

有损测膜厚法按测试原理分为取涂层-基体断面测膜厚法和球坑仪法。取涂层-基体断面测膜厚法是采用电火花切割获得涂层基体断面，借助扫描电镜测定膜厚的方法，操作复杂，需要仪器较多。球坑仪法需要借助专门的球坑仪，借助标准不锈钢球研磨涂层刀具表面直至裸露出刀具基体，利用环形圆投射定理计算涂层厚度，需要多次试验确定合理研磨时间及研磨速度。两种有损测膜厚法均需要破坏刀具，只能采取抽样检测，不能实现对所有刀具涂层厚度的检测。

无损测膜厚法按测试原理分为涡流法、超声脉冲法、干涉法等。涡流法是应用交变电流在被测刀具内激起交变涡流，再测量涡流产生的交变磁场，以反映刀具涂层厚度的方法，需要一定大小的平整平面。但是涂层刀具具有尺寸小且几何形状复杂的特点，涡流产生的交变磁场强度过低，难以准确测量涂层厚度。

超声脉冲法是通过测量高频脉冲在材料中往返一次所需的时间来推算材料厚度的方法。测试时向涂层表面发射超声波，再测量发射入射波和收到反射波的时间间隔，按波长计算材料厚度。其缺点是为有效采集反射波，收发超声波的时间间隔不能过短，一般只能测量60微米以上厚度的薄层材料，远大于涂层刀具耐磨、热障涂层的厚度。

超声干涉法的原理是将一束超声波持续的射入刀具，使从涂层的上下两界面反射回来的反射波相叠加，其幅值就能反映两反射波的相差。根据相差，结合涂层厚度的估计值，可以算出被测涂层的厚度。由于超声干涉法需要以很高精度做多次拉普拉斯变换，计算量大，使用不方便，不适合涂层刀具等大批量产品的检测。

除此之外，还有太赫兹波法、磁性法等。这些方法都是将一定的机械振动或电磁场施加到被测物体表面，观测被测物体的受迫振动或被测物体对电磁场的扰动。它们都存在一定的技术缺陷，不适用于测量涂层刀具耐磨、热障涂层厚度。

发明内容

本发明涉及一种面向单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的无损测量方法。本发明提供了一种更好的涂层刀具耐磨、热障涂层厚度测量方案，适应涂层刀具生产批量大、涂层薄的测量，面向涂层刀具涂层厚度测量可以达到无损、高效的效果。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极，包括电极压头、电极杆、电极外壳、弹性件、供电装置和调节件，所述的导电管安装所述的电极外壳内，所述的电极杆套装在导电管内，两者之间可相对移动，且电极杆的一端穿过导电管延伸到导电管外与电极压头相连，电极杆的另一端位于电极外壳内与所述弹性件的一端相连，所述弹性件的另一端与调节件相连，所述的调节件用于调节弹性件的伸缩长度，进而调节电极杆相对于电极外壳的伸出长度，进而实现电极压头的调节。

作为进一步的技术方案，所述的电极压头通过锥柄直接插在电极杆上，根据被测涂层的大致厚度选择，随插随用。不使用时应将电极压头拆下，以防电极压头因脱落而丢失、损坏。

作为进一步的技术方案，所述的供电装置包括电刷和导线，所述的电刷安装在电极外壳上，与导电管可靠接触，导线连接在电刷上，使导线与电极压头可靠导通。

第二方面，本发明基于上述测量电极，提出了一种刀具涂层厚度测量装置，其包括两个所述的测量电极，两个测量电极固定在一个支撑架或者机械臂上。

作为进一步的技术方案，所述的支撑架包括一个横梁、两根立柱和一个底座，所述的横梁通过两根立柱与底座相连，待检测的刀具固定在底座上，两个测量电极固定在横梁上，两个测量电极的电极压头压在待检测的刀具上。

作为进一步的技术方案，所述的电极压头直径应选为待测涂层厚度估计值的10倍。

作为进一步的技术方案，所述的刀具通过夹具固定在底座上。

作为进一步的技术方案，所述的电极压头压入涂层时，其压入厚度为涂层厚度的0.15-0.25倍。

作为进一步的技术方案，当被测涂层刀具的基体材料硬度较高时，电极压头采用软质材料制作。

第三方面，本发明还提供了一种刀具涂层厚度测量方法，如下：

根据涂层厚度的估计值选择电极压头的半径D和电极压头压入被测刀具的深度H；选择电极压头所受顶紧力的大小F、计算涂层表面凹坑的半径r；

调整测量电极的调节螺栓，得到预先选定的顶紧力；

将测量电极和待测刀具安装在支撑架上；

用手拉回测量电极的电极杆，插上压头。将电极的电极压头缓慢地放在待检测的刀具上；

将两个测量电极与直流电源的正负极相连，且在连接的电路上安装电流表和电压表；

读取电压表和电流表的值；并带入下列公式得到涂层厚度；

其中；U-电极两端的电压，I-电极上流过的电流，ρ-涂层材料的电阻率；h-涂层的厚度；r-涂层表面凹坑的半径。

本发明的有益效果如下：

本发明利用上述支撑架或者机械臂夹持上述的一对测量电极，使两电极压头间隔一定距离顶在被测刀具表面。利用测量电极内的弹性件(软弹簧)使压头向被测刀具表面施加一定的顶紧力，使之可靠导通。在两电极压头间施加一定的电势差并测量流过涂层刀具的电流，据此就能计算涂层的厚度。使用这种方法能方便快捷地测量极薄涂层的厚度，也可实现在线检测，实时指导生产活动。本专利可方便地更换电极压头、调整顶紧力和间距，既适用于单品种大批量生产中单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的测量，又适用于其他多品种小批量生产中单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的测量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1a是刀具涂层厚度测试原理图，图1b是电极压头-涂层刀具接触点示意图。

图2是刀具涂层厚度测量装置装配图。

图3是测试电极结构图。

其中：1、测试电极a、2、测试电极b；3、直流电源；4、电流表；5、电压表；6、耐磨、热障涂层；7、基体；8、电极压头；9、横梁；10、支撑立柱；11、刀具夹具；12、被测涂层刀具；13、底板；14、导线；15、电刷；16、电极支架；17、调节螺栓18、弹簧；19、铜管；20、电极外壳；21、电极杆。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

下面以单层涂层的硬质合金涂层刀具为例，结合附图详细说明本发明的工作原理进行说明：

如图1a是刀具涂层厚度测试原理图。本实施例的测试原理是利用一对测试电极，将一对电极压头间隔一定距离用一定的顶紧力紧顶在被测涂层刀具12表面，使之可靠导通。在两电极压头间施加一定的电势差并测量流过涂层刀具的电流，据此计算涂层的厚度。

如图1b是电极压头-涂层刀具接触点示意图。将电极压头8用一定的压紧力压入涂层刀具时，平板状的涂层会略微向下凹陷，凹陷部分可以看成球壳的一部分。在两电极压头间施加一定的电势差后，涂层刀具内部会产生恒定电流场。涂层材料一般是金属的氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物等，电导率低，而刀具的硬质合金基体电导率高。因此，刀具基体可视为等势体。耐磨、热障涂层6和基体7(或粘结层)之间存在的边界效应可忽略。由于涂层很薄且涂层表面的曲率相对于涂层厚度较小，计算电阻时可视为平板，按有介质的电容器模型计算。

根据电阻率的定义，有：

其中R-涂层的电阻，ρ-涂层材料的电阻率，h-涂层的厚度，s-接触面的面积。球形电极压头与刀具涂层表面的实际接触面积为：

S＝πr² (2)

其中r-涂层表面凹坑的半径。根据欧姆定律，有：

其中U-电极两端的电压，I-电极上流过的电流。将(2)、(3)代入(1)中，得：

接下来计算涂层表面凹坑的半径r与电极压头所受顶紧力F的关系。由于涂层很薄，假设涂层体积不变。由于形变较小，忽略剪切变形。根据杨氏模量的定义，有：

其中E-被测刀具基体材料的杨氏模量，σ-材料表面的应力，ε-材料所受应变。

根据应力和应变的定义，有：

其中f-标准试验中试样所受均布力合力的大小，S-标准试样(被测刀具)的横截面积。Δl-标准试样(被测刀具基体)受均布力时的压缩量，L-标准试样(被测刀具)的厚度。

据式(5)、(6)、(7)，有：

其中F-电极压头所受顶紧力的大小。E、S、L都是常数。显然，在被测刀具与电极压头的接触面上对材料的压缩量积分，等于材料表面凹坑的体积。有：

其中V-电极压头形成的球缺形凹坑的体积。球缺体积的计算公式为：

其中D-电极压头的半径。据式(8)、(9)，有：

其中，E-被测刀具基体材料的杨氏模量，S-被测刀具的横截面积，H电极压头压入被测刀具的深度，L-被测刀具的厚度；D-电极压头的半径；

涂层表面凹坑的半径r与电极压头压入被测刀具的深度H有如下关系：

r²+H²＝D² (11)

即:

通过测量两电极之间的电压和电流，根据涂层材料查出涂层材料的电阻率，跟据式(10)、(11)算得压痕的直径，就可以据式(4)得到被测涂层厚度。在实际生产中，对同一批刀具进行测试时，F、U、L、E、ρ等与被测刀具和测试装置有关的参数不变，电流I和涂层的厚度h成反比。因此在计算完式(10)、(11)后，就能利用第一片刀具的数据快速计算第二片刀具的数据，方便快捷，适用于工业生产中单品种大批量涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的测量。

实施例1

基于上述测量原理，本实施例首先提出了一种基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极，其如图3所示，包括电极压头8、电极杆21、电极外壳20、铜管19、弹簧18、调节螺栓17、电极支架16、电刷15和导线14；

铜管19安装在电极外壳20内，电极杆21安装在铜管19内，电极杆21可在铜管19内往复滑动；电极压头8通过锥柄插在电极杆21上；电刷15安装在电极外壳20上，与铜管19可靠接触，导线14连接在电刷15上，使导线14与电极压头8可靠导通。弹簧18是一根软弹簧，安装在电极杆21尾部，用调节螺栓17顶紧。电极外壳20由橡胶制成，能提供可靠绝缘。电极外壳20通过过盈配合安装在电极支架16上装配时，按照铜管19、电极杆21、弹簧18、调节螺栓17、电极支架16、电刷15、导线14的顺序安装在电极外壳20上。电极压头8通过锥柄直接插在电极杆21上，根据被测涂层的大致厚度选择，随插随用。不使用时应将电极压头8拆下，以防电极压头因脱落而丢失、损坏。

实施例2

本实施例基于实施例1，又设计了一种涂层测厚装置，如图2所示，该装置包括两个测量电极，测试电极a1、测试电极b 2，测试电极a1、测试电极b 2是两个完全相同的部件，与实施例1公开的结构完全相同，在此不进行赘述。

测试电极a1、测试电极b 2的非工作端用螺栓固定在横梁9上，横梁9由两个支撑立柱10安装在底板13上。被测涂层刀具12用刀具夹具11夹持，刀具夹具11用螺栓固定在底板13上。

使用这一装置时，按刀具尺寸选择刀具夹具11，使电极压头8被顶紧在被测涂层刀具12表面时，电极杆21在铜管19内部处于悬空状态，上下表面都不接触电极外壳20。由于弹簧18是一根软弹簧，压缩量变化不大时弹力可以看成定值。按涂层厚度的估计值选择电极压头8。据式(10)、(11)估算和选择顶紧力，通过选择弹簧18和调节螺栓17得到所选择的顶紧力。

实施例3

本实施例基于实施例2，提出了一种测量方法，具体的包括以下步骤：

根据涂层厚度的估计值选择电极压头的半径D和电极压头压入被测刀具的深度H。根据前面原理部分介绍的公式(10)、公式(11)选择电极压头所受顶紧力的大小F、计算涂层表面凹坑的半径r；

调整测量电极的调节螺栓，得到预先选定的顶紧力；

将测量电极和待测刀具安装在支撑架上；

用手拉回测量电极的电极杆，插上压头。将电极的电极压头缓慢地放在待检测的刀具上；

将两个测量电极与直流电源的正负极相连，且在连接的电路上安装电流表和电压表；

读取电压表和电流表的值；并带入下列公式得到涂层厚度；

其中；U-电极两端的电压，I-电极上流过的电流，ρ-涂层材料的电阻率；h-涂层的厚度；r-涂层表面凹坑的半径。

电极压头的半径D和电极压头压入被测刀具的深度H的选择，下面进行进一步的说明：

过小的电极压头会压入涂层刀具表面过深，不仅损伤刀具涂层，也会产生测量误差。过大的电极压头产生的压痕不清晰，接触面积大小不稳定。因此，电极压头直径应选为待测涂层厚度估计值的10倍。在实际应用中，建议企业制作一批尺寸为优先数系的电极压头并根据优先数系选用。例如按照R10和R20系列，制作直径为40.0μm、50.0μm、63.0μm、80.0μm、100.0μm等的电极压头。待测涂层厚度估计在3.55μm-4.50μm时选用直径为40.0μm的电极压头，待测涂层厚度估计在4.50μm-5.60μm时选用直径为50.0μm的电极压头，以此类推。

过小的顶紧力不能保证可靠导通，也不利于正确计算接触面积，而过大的顶紧力易使电极压头和刀具破损。因此，应预先根据前面的公式(10)、(11)估算并合理选择顶紧力，使电极压头压入涂层时，压入涂层厚度的0.15到0.25倍。若涂层较薄或电导率极低，建议酌情取较大值。反之，建议酌情取较小值。若被测涂层刀具的基体材料硬度过高，电极压头难以压入，可以使用由软质材料，例如铜、铅等制成的电极压头，使电极压头变形而紧贴在涂层表面。此时，公式(1)中的s是电极压头变形后产生的平面的面积，建议用显微镜测得。使用软质电极压头时，每次测量后都要更换电极压头。

其他耐磨、热障涂层亦可在一定电压下击穿而适用于本发明的测量方法。本专利能测量极薄涂层的厚度，而且在宏观范围内，涂层越薄越利于测量。本专利使用简便，只要将涂层刀具正确装夹就能快速测得被测涂层的厚度。若将测试电极安装在机械臂或类似机构上，可实现在线检测，实时指导生产活动。本专利允许技术人员根据具体情况方便地更换电极压头、调整顶紧力和间距，适用于其他多品种小批量生产中单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的测量。应用本专利对同一批刀具进行测试时，电流I和涂层的厚度h成反比，在计算完公式(10)、(11)后，就能利用第一片刀具的数据快速计算第二片刀具的数据。因此，本专利也适用于单品种大批量生产中单层涂层刀具耐磨、热障涂层厚度的测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极，其特征在于，包括电极压头、电极杆、电极外壳、弹性件、供电装置和调节件，导电管安装在所述的电极外壳内，所述的电极杆套装在导电管内，两者之间可相对移动，且电极杆的一端穿过导电管延伸到导电管外与电极压头相连，电极杆的另一端位于电极外壳内与所述弹性件的一端相连，所述弹性件的另一端与调节件相连，所述的调节件用于调节弹性件的伸缩长度；所述的供电装置包括电刷和导线，所述的电刷安装在电极外壳上，与导电管可靠接触，导线连接在电刷上，使导线与电极压头可靠导通。

2.如权利要求1所述的基于电阻值测试的刀具涂层厚度测量电极，其特征在于，所述的电极压头通过锥柄直接插在电极杆上。

3.一种刀具涂层厚度测量装置，其特征在于，其包括两个权利要求1-2任一所述的测量电极，两个测量电极固定在一个支撑架或者机械臂上。

4.如权利要求3所述的刀具涂层厚度测量装置，其特征在于，所述的支撑架包括一个横梁、两根立柱和一个底座，所述的横梁通过两根立柱与底座相连，待检测的刀具固定在底座上，两个测量电极固定在横梁上。

5.如权利要求3所述的刀具涂层厚度测量装置，其特征在于，所述的电极压头直径应选为待测涂层厚度估计值的10倍。

6.如权利要求3所述的刀具涂层厚度测量装置，其特征在于，所述的电极压头压入涂层时，其压入厚度为涂层厚度的0.15-0.25倍。

7.利用权利要求3-6任一所述的刀具涂层厚度测量装置进行刀具涂层厚度测量方法，其特征在于，如下：

根据涂层厚度的估计值选择电极压头的半径D和电极压头压入被测刀具的深度H；选择电极压头所受顶紧力的大小F、计算涂层表面凹坑的半径r；

调整测量电极的调节螺栓，得到预先选定的顶紧力；

将测量电极和待测刀具安装在支撑架上；

用手拉回测量电极的电极杆，插上压头，将电极的电极压头缓慢地放在待检测的刀具上；

将两个测量电极与直流电源的正负极相连，且在连接的电路上安装电流表和电压表；

读取电压表和电流表的值；并带入下列公式得到涂层厚度；

其中；U-电极两端的电压，I-电极上流过的电流，ρ-涂层材料的电阻率；h-涂层的厚度；r-涂层表面凹坑的半径。

8.如权利要求7所述的刀具涂层厚度测量装置进行刀具涂层厚度测量方法，其特征在于，所述的顶紧力F通过下面的公式获得：

其中：E-被测刀具基体材料的杨氏模量，S-被测刀具的横截面积，H-电极压头压入被测刀具的深度，L-被测刀具的厚度；D-电极压头的半径。

9.如权利要求7所述的刀具涂层厚度测量装置进行刀具涂层厚度测量方法，其特征在于，所述的

其中：D-电极压头的半径；H-电极压头压入被测刀具的深度。

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