CN114323918A - 关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置及其测试方法，测试装置包括机架、钻针夹具、钻针、顶压机构和测力系统；该机架包括平台和滑台；该钻针包括柄部和钻针段；该钻针夹具包括安装块和V形块，V形块和安装块间形成安装槽，钻针夹具的安装槽夹接钻针的柄部，钻针夹具装接在滑台且钻针竖直布置；该顶压机构包括X轴驱动机构和压头，X轴驱动机构带动压头沿X轴滑动，压头前端面凹设有配合槽，配合槽和钻针配合；该测力传感器连接压头以获力学信息。它具有如下优点：可以对钻针的折断力以及弯曲疲劳进行测试，为钻针的结构设计及材料性能提供折断力以及弯曲疲劳极限等重要参考标准，可用于钻针的寿命、疲劳特性等能力的评价。

Description

关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置及其测试方法。

背景技术

随着智能手机、平板电脑等电子设备的小型化，不但推动了印制电路板(PCB)的小型化，而且促进了PCB电路图形的精细化，因此对于微钻技术的性能提出了更高的要求。钻针的断针机理主要是切屑堵塞，它是造成钻针轴向力增大的关键因素，随着进给量和钻孔深度的增加，钻针的轴向力也会增加。因此，研究和提高钻针的折断力和弯曲疲劳极限是改善微钻技术性能的重要举措。

发明内容

本发明提供了关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置及其测试方法，其克服了背景技术中所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，包括机架、钻针夹具、钻针、顶压机构和测力系统；该机架包括平台和能相对平台沿Y及Z轴进行调节的滑台；该钻针包括一体成型的柄部和钻针段；该钻针夹具包括安装块和V形块，该V形块和安装块间形成安装槽，该钻针夹具的安装槽夹接钻针的柄部，该钻针夹具装接在滑台且钻针竖直布置；该顶压机构包括装接在平台上的X轴驱动机构和能相对平台滑接的压头，该X轴驱动机构传动连接压头且带动压头沿X轴滑动，该压头前端面凹设有上下贯穿的配合槽，该配合槽和钻针配合；该测力系统包括测力传感器，该测力传感器连接压头以获力学信息。

一实施例之中：该安装块设第一V型槽，该V形块设第二V形槽，该第一V型槽和第二V形槽配合构成上述安装槽。

一实施例之中：该压头具有末小头大的圆台，该圆台末端面凹设上述配合槽。

一实施例之中：该配合槽横截面呈弧形槽，且弧形槽直径和钻针段直径相等。

一实施例之中：该平台上设光学平板，该光学平板上固设有放大镜，该X轴驱动机构、滑台装设在光学平板上。

一实施例之中：该光学平板和滑台间设两个方向的螺旋测微器，通过螺旋测微器调节滑台。

一实施例之中：该测力系统还包括电荷放大器、数据采集卡和电脑主机，该电脑主机连接数据采集卡，该数据采集卡连接电荷放大器，该电荷放大器连接测力传感器。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置的测试方法，包括：

(1)滑台带动钻针在Y、Z方向上运动，靠近压头；

(2)微调钻针在Y、Z方向上位置，使钻针与压头上的配合槽对齐，但不接触；

(3)X轴驱动机构驱动压头向钻针运动，此时测力系统开始采集动态力信号，压头和钻针接触时，产生力信号，当力信号达到临界值时，压头和钻针完全接触，完成对刀；

(4)X轴驱动机构初始位置清零；

(5)X轴驱动机构沿X方向运动，使钻针折断，在此过程中记录力信号和X轴驱动机构以获载荷-位移曲线，及，钻针弯曲破坏时的临界载荷和最大挠度；

(6)确定钻针弯曲折断的最大挠度后，以上述最大挠度为上限，设定不同的钻针挠度，即X轴驱动机构X方向运动幅值A，接着重复上述步骤(1)-(4)，X轴驱动机构在X方向往复运动，使钻针产生弯曲疲劳现象，N次后，钻针产生弯曲疲劳断裂，通过不同的钻针挠度、钻针几何参数和钻针力学性能参数计算出不同的挠曲应力S，不同的S对应不同的N，以绘制出钻针弯曲疲劳的S-N曲线，同时从S-N曲线中可获得钻针的疲劳极限应力，为钻针的使用工况和几何机构设计提供参考。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：可以对钻针的折断力以及弯曲疲劳进行测试，为钻针的结构设计及材料性能提供折断力以及弯曲疲劳极限等重要参考标准，同时可用于钻针的寿命、疲劳特性等能力的评价。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本具体实施方式的测试装置的立体示意图。

图2为本具体实施方式的测试装置的主视示意图。

图3为本具体实施方式的安装块的立体示意图。

图4为本具体实施方式的V形块的立体示意图。

图5为本具体实施方式的压头的立体示意图。

图6为逐次加载下钻针折断的力信号图。

图7为振幅80μm、频率5Hz下钻针疲劳断裂过程中的力信号图。

图8为振幅80μm、频率5Hz下钻针疲劳断裂后截面的SEM形貌图。

标号说明：滑台1、光学平板11、L型板12；钻针2；钻针夹具3、安装块31、V形块32、安装槽33；顶压机构4、压头41、X轴驱动机构42、配合槽43；测力系统5、顶压机构4。

具体实施方式

请查阅图1至图8，关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，包括机架、钻针夹具3、钻针2、顶压机构4和测力系统5；该机架包括平台和能相对平台沿Y及Z轴进行调节的滑台1；该钻针2包括一体成型的柄部和钻针段；该钻针夹具3包括安装块31和V形块32，该V形块32和安装块31间形成安装槽33，该钻针夹具3的安装槽33夹接钻针2的柄部，该钻针夹具3装接在滑台1且钻针3竖直布置；该顶压机构4包括装接在平台上的X轴驱动机构42和能相对平台滑接的压头41，该X轴驱动机构42传动连接压头41且带动压头41沿X轴滑动，该压头41前端面凹设有上下贯穿的配合槽43，该配合槽43和钻针段配合；该测力系统包括测力传感器，该测力传感器连接压头41以获力学信息，测力传感器和压头41如通过螺纹连接。

该安装块31设第一V型槽，该V形块32设第二V形槽，该第一V型槽和第二V形槽配合构成上述安装槽33；该V形块32和安装块31通过螺纹连接，安装块31通过螺纹固定在高精度二维滑台1上，二维滑台1通过螺纹固定在光学平板11上。

该压头41具有末小头大的圆台，该圆台末端面为平面且凹设上述配合槽43，该配合槽43横截面呈弧形槽，且弧形槽直径和钻针段直径相等，弧形槽深度为钻针直径的0.1-0.5倍。该配合槽与钻针贴合，保证测试时压头能有效稳定地对钻针施加载荷。

该平台上设光学平板11，该光学平板11上固设有放大镜，该X轴驱动机构、滑台装设在光学平板上，放大镜放大倍数可达到1000倍，并配备有8个亮度可调的LED灯光源，以提升安装精度。该光学平板和滑台间设两个方向的螺旋测微器，通过螺旋测微器调节滑台，其行程为30-100mm，定位精度优于1μm，重复定位精度优于10微米。根据需要，还包括L型板12，该X轴驱动机构包括直线电机，该测力传感器通过螺纹与L型板连接，该L型板通过螺纹固定在直线电机上，该直线电机通过螺纹固定在光学平板上。该直线电机包括导轨、滑块、大理石底板、限位开关、缓冲块等零件，并配备光栅系统与交流伺服驱动器，其行程为50-200mm，定位精度优于0.1μm，重复定位精度优于0.5微米，其额定推力40N，峰值推力120N。该测力系统还包括电荷放大器、数据采集卡和电脑主机，该电脑主机连接数据采集卡，该数据采集卡连接电荷放大器，该电荷放大器连接测力传感器，高精度力传感器的基本参数要求为测力范围大于-20-20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz(避开共振频率)，可采集动态力信号；所述数据采集卡的基本参数要求为采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit。

具体结构中：将PCB印刷电路板的钻针柄部固定在夹具上，该夹具通过螺纹固定的方式装配在二维滑台上，该二维滑台通过旋转两个方向上的螺旋测微器来提供竖直面上两个方向的运动，其定位精度优于1μm，重复定位精度优于10μm。将压头通过夹具安装在直线电机上，并达到临界接触状态；压头另一端与高精度测力系统相连接；通过直线电机移动压头，将其顶部的凹槽与钻针对齐；直线电机包括导轨、滑块、大理石底板、限位开关、缓冲块等零件，并配备光栅系统与交流伺服驱动器，使其在水平方向上运动的定位精度优于0.1μm，重复定位精度优于0.5μm，其额定推力40N，峰值推力120N；所述接触力临界值Ncrit＝0.01N，高精度测力系统包括力传感器、电荷放大器、数据采集卡和电脑主机，其中高精度传感器的基本参数为：测力范围大于-20-20N，测力精度高于0.002N，固有频率小于5KHz或大于50KHz(避开共振频率)，数据采集卡的基本参数要求为采样频率高于1MHz，A/D分辨率高于12Bit。

一种钻针折断力及弯曲疲劳的测试方法，包括：

(1)二维滑台带动钻针在Y、Z方向上运动，靠近所述定制压头。

(2)在放大镜的辅助下，微调钻针在Y、Z方向上位置，使钻针头部与定制压头上的凹槽对齐，但不要接触。

(3)直线电机驱动定制压头向钻针头部运动，此时与定制压头连接的测力系统开始采集动态力信号，定制压头和钻针头部接触时，产生力信号，当力信号达到某一临界值时，认为定制压头和钻针头部完全接触，完成对刀。

(4)奖励信号和直线电机初始位置清零。

(5)直线电机沿X方向运动，使钻针折断，在此过程中记录力信号和电机位置即可得到载荷-位移曲线，及钻针弯曲破坏时的临界载荷和最大挠度。

(6)确定钻针弯曲折断的最大挠度后，以上述最大挠度为上限，设定不同的钻针挠度，即直线电机X方向运动幅值A，接着重复上述步骤(1)-(4)，直线电机在X方向往复运动，使钻针产生弯曲疲劳现象，一定次数N后，钻针产生弯曲疲劳断裂，通过不同的钻针挠度、钻针几何参数和钻针力学性能参数计算出不同的挠曲应力S，不同的S对应不同的N，即可绘制出钻针弯曲疲劳的S-N曲线，同时从所述的S-N曲线中可获得钻针的疲劳极限应力，为钻针的使用工况和几何机构设计提供参考。

具体的折断力测试方法为：通过直线电机移动压头，让其顶击钻针使钻针弯曲，随着压头的位移逐渐增大，钻针的弯曲程度也变大，直至折断，此时可以通过测量系统得到钻针开始受力到折断的位移-载荷曲线，从而得到钻针的折断力。弯曲疲劳的测试方法为：通过直线电机给压头施加一个往复的位移，使压头不断地往复冲撞钻针，导致钻针反复弯曲，测试在不同的弯曲程度下，钻针达到弯曲疲劳直至折断所承受的循环弯曲次数。从而获得不同材料钻针的S-N曲线。图6为逐次加载下钻针折断的力信号图。以10μm为一次加载，逐次增加压头的位移。由图6可看到，第11次加载后钻针折断，表明钻针折断的极限挠度在100μm-110μm之间。根据测试精度的要求，可以选择更小的单次加载位移，获得更高的精确度。图7为振幅80μm、频率5Hz下钻针疲劳断裂过程中的力信号图。根据钻针的折断极限挠度，选择合适的振幅。本次实施案例选择振幅80μm、频率5Hz。由图8可知，钻针由于压头的重复冲击而不断弯曲，直至达到其弯曲疲劳极限然后折断。根据加载时间和频率，即可计算出钻针达到弯曲疲劳直至折断所承受的循环弯曲次数。

本发明测试方法可以模拟钻针在钻削过程中的真实工况，对钻针折断力以及弯曲疲劳极限进行量化分析。通过该测试方法，可以得到钻针开始受力到折断的位移-载荷曲线，弯曲疲劳极限也可以通过钻针反复弯曲直到折断的弯曲次数来表征。相关的测试结果可以为钻针的结构设计及材料性能提供折断力以及弯曲疲劳极限等重要参考标准，同时可用于钻针的寿命、疲劳特性等能力的评价。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：包括机架、钻针夹具、钻针、顶压机构和测力系统；该机架包括平台和能相对平台沿Y及Z轴进行调节的滑台；该钻针包括一体成型的柄部和钻针段；该钻针夹具包括安装块和V形块，该V形块和安装块间形成安装槽，该钻针夹具的安装槽夹接钻针的柄部，该钻针夹具装接在滑台且钻针竖直布置；该顶压机构包括装接在平台上的X轴驱动机构和能相对平台滑接的压头，该X轴驱动机构传动连接压头且带动压头沿X轴滑动，该压头前端面凹设有上下贯穿的配合槽，该配合槽和钻针配合；该测力系统包括测力传感器，该测力传感器连接压头以获力学信息。

2.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该安装块设第一V型槽，该V形块设第二V形槽，该第一V型槽和第二V形槽配合构成上述安装槽。

3.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该压头具有末小头大的圆台，该圆台末端面凹设上述配合槽。

4.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该配合槽横截面呈弧形槽，且弧形槽直径和钻针段直径相等。

5.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该平台上设光学平板，该光学平板上固设有放大镜，该X轴驱动机构、滑台装设在光学平板上。

6.根据权利要求5所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该光学平板和滑台间设两个方向的螺旋测微器，通过螺旋测微器调节滑台。

7.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：该测力系统还包括电荷放大器、数据采集卡和电脑主机，该电脑主机连接数据采集卡，该数据采集卡连接电荷放大器，该电荷放大器连接测力传感器。

8.根据权利要求5所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置，其特征在于：还包括L型板，该X轴驱动机构包括直线电机，该测力传感器通过螺纹与L型板连接，该L型板通过螺纹固定在直线电机上，该直线电机通过螺纹固定在光学平板上。

9.根据权利要求1所述的关于钻针折断力及弯曲疲劳的测试装置的测试方法，其特征在于：包括：

(1)滑台带动钻针在Y、Z方向上运动，靠近压头；

(2)微调钻针在Y、Z方向上位置，使钻针与压头上的配合槽对齐，但不接触；

(3)X轴驱动机构驱动压头向钻针运动，此时测力系统开始采集动态力信号，压头和钻针接触时，产生力信号，当力信号达到临界值时，压头和钻针完全接触，完成对刀；

(4)X轴驱动机构初始位置清零；

(5)X轴驱动机构沿X方向运动，使钻针折断，在此过程中记录力信号和X轴驱动机构以获载荷-位移曲线，及，钻针弯曲破坏时的临界载荷和最大挠度；

(6)确定钻针弯曲折断的最大挠度后，以上述最大挠度为上限，设定不同的钻针挠度，即X轴驱动机构X方向运动幅值A，接着重复上述步骤(1)-(4)，X轴驱动机构在X方向往复运动，使钻针产生弯曲疲劳现象，N次后，钻针产生弯曲疲劳断裂，通过不同的钻针挠度、钻针几何参数和钻针力学性能参数计算出不同的挠曲应力S，不同的S对应不同的N，以绘制出钻针弯曲疲劳的S-N曲线，同时从S-N曲线中可获得钻针的疲劳极限应力，为钻针的使用工况和几何机构设计提供参考。

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