CN114323920A - 高温划痕仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高温划痕仪，包括结构部件、运动部件、温控部件、测力部件和划痕测试部件；该运动部件包括X轴直线驱动机构、Y轴运动平台和Z轴直线驱动机构；该温控部件包括高温炉，通过X轴直线驱动机构带动高温炉划擦，通过Y轴运动平台调整高温炉位置；该测力部件包括测力仪；该划痕测试部件包括安装在测力仪上的压头、固设在炉腔内的载物台和随行块，该载物台上装试样，该随行块固装在高温炉外且设由随行块顶面凹设至炉腔的孔洞且压头和孔洞适配，该孔洞和载物台上下对齐，该压头穿过孔洞并配合载物台上的试样实现划擦。它具有如下优点：能实现自动高温划痕测试，并配合随行块以提升测试稳定性和可靠性。

Description

高温划痕仪

技术领域

本发明涉及高温材料力学性能测试仪领域，尤其涉及一种高温划痕仪。

背景技术

近年来，随着镀膜工艺发展，推动了相关产业技术革新。切削刀具行业利用新镀膜工艺不断研制新型涂层刀具，涂层刀具是在强度和韧性较好硬质合金或高速钢或陶瓷或金刚石或立方氮化硼基体面上，利用气相沉积方法涂覆一层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物制备而成。高速加工因具备诸多优势成为了制造业发展趋势。涂层刀具在制造业中被广泛使用，在高速加工的工况下会产生大量切削热从而对涂层刀具造成影响，导致涂层损失严重影响加工质量，因此每一款新型涂层刀具在应用前离不开膜基结合强度的检测，尤其是在高温情况下的膜基结合强度检测。划痕测试法是常用的测试表面膜与基体材料之间结合强度的标准方法之一，以硬度大于表面膜的材料制成尖头在样品或工件表面上划痕，向划头上增加载荷直到膜和基材脱离接触，此时载荷即为临界载荷，进而可计算得出表面膜与基体材料之间的结合强度。划痕仪是进行划痕测试法必不可少的工具，然而，现有市场上的划痕仪，例如CN209036512U所述的一种划痕仪，存在手动加载缺乏测力部件加载精度差操作不便，通过手动划擦造成随机误差，缺乏温控部件无法进行高温实验等诸多局限性问题，难以满足实际需求。

发明内容

本发明提供了高温划痕仪，其克服了背景技术中划痕仪所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：高温划痕仪，包括结构部件、运动部件、温控部件、测力部件和划痕测试部件；

该结构部件包括平台和安装在平台上的龙门；

该运动部件包括安装在平台上用于划擦的X轴直线驱动机构、安装在X轴直线驱动机构上用于调整位置的Y轴运动平台和安装在龙门上用于加载的Z轴直线驱动机构，该Z轴直线驱动机构和Y轴运动平台对应；

该温控部件包括安装在Y轴运动平台上的高温炉，通过X轴直线驱动机构带动高温炉划擦，通过Y轴运动平台调整高温炉位置，该高温炉设炉腔；

该测力部件包括安装在Z轴直线驱动机构上的测力仪，通过Z轴直线驱动机构带动测力仪Z轴运动实现加载；

该划痕测试部件包括安装在测力仪上的压头、固设在炉腔内的载物台和随行块，该载物台上装试样，该随行块固装在高温炉外且设由随行块顶面凹设至炉腔的孔洞且压头和孔洞适配，该孔洞和载物台上下对齐，该压头穿过孔洞并配合载物台上的试样实现划擦。

一实施例之中：该高温炉包括炉体、炉盖、炉衬、炉衬盖板、加热模块、第一进出水机构、第二进出水机构和外接的冷却水循环机；该炉体包括多个炉壁且多个炉壁围成上述开口朝上布置的炉腔，该炉衬适配装设在炉腔内且其内具有加热腔，该炉衬盖板密封盖接加热腔，该加热模块加热该加热腔，该载物台固装在加热腔内且顶面设载物槽以通过加热模块加热载物台；该炉体设位于炉壁内的第一冷却腔，该第一进出水机构接通第一冷却腔；该炉盖装接在炉体上且盖接在炉衬盖板上，该炉盖内设第二冷却腔，该第二进出水机构接通第二冷却腔；该冷却水循环机接通第一冷却腔、第二冷却腔；该孔洞凹至加热腔。

一实施例之中：该炉壁分底炉壁和侧炉壁，该第一冷却腔包括位于底炉壁内的底冷却腔和位于侧炉壁内的侧冷却腔，该底冷却腔和侧冷却腔接通；该第一进出水机构包括第一进水管和第一出水管，该第一进水管和第一出水管分别接通两面对布置的侧冷却腔。

一实施例之中：该炉盖包括两左右布置的板件，该板件内设分冷却腔且分冷却腔内设隔水段通过隔水段使分冷却腔呈S形，该第二冷却腔包括上述两板件的分冷却腔；该第二进出水机构包括第二进水管、第二出水管和接通管，该第二进水管和第二出水管分别接通两盖板腔，该接通管接通两盖板腔。

一实施例之中：还包括温度传感器，该温度传感器伸入加热腔内。

一实施例之中：该测力仪还包括夹具固定块、压头夹具和外接的冷却水循环机，该夹具固定块安装在Z轴直线驱动机构，通过压头夹具将压头固装在夹具固定块上，该压头夹具上设第三冷却腔，该冷却水循环机接通第三冷却腔。

一实施例之中：该结构部件还包括支架，该平台固装在支架上；该龙门上安装有高度调节板，该Z轴直线驱动机构安装在高度调节板。

一实施例之中：该温控部件还包括电控柜，该电控柜连接温度传感器和加热模块且通过电控柜至多能设置九个加热阶段，每个加热阶段都设置电流、电压、目标温度和保温时间，以实现从室温到1400℃的可调多段式加热与长时间保温。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

高温划痕仪包括结构部件、运动部件、温控部件、测力部件和划痕测试部件，温控部件包括高温炉，划痕测试部件包括安装在测力仪上的压头、固设在炉腔内的载物台和随行块，随行块固装在高温炉外且设由随行块顶面凹设至炉腔的孔洞且压头和孔洞适配，压头穿过孔洞并配合载物台上的试样实现划擦，能实现自动高温划痕测试，并配合随行块以提升测试稳定性和可靠性。

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是具体实施方式的划痕仪的方框示意图。

图2是具体实施方式的划痕仪的立体示意图之一。

图3是具体实施方式的划痕仪的立体示意图之二。

图4是具体实施方式的划痕仪的立体分解示意图。

图5是具体实施方式的X轴直线驱动机构的立体示意图。

图6是具体实施方式的X轴直线驱动机构之去除第一顶板的立体示意图。

图7是具体实施方式的Y轴运动平台的立体示意图。

图8是具体实施方式的Z轴直线驱动机构的立体示意图。

图9是具体实施方式的Z轴直线驱动机构之去除第三顶板的立体示意图。

图10是具体实施方式的温控部件、测力部件和划痕测试部件的部分结构示意图。

标号说明：结构部件1、运动部件2、温控部件3、测力部件4、划痕测试部件5；平台11、龙门12、高度调节板13；第一导轨211、X轴滑座212、X轴直线电机213、第一顶板214；第二导轨221、第二顶板222、微分头223；第三导轨231、Z轴滑座232、Z轴直线电机233、第三顶板234；炉体31、炉盖32、炉衬33、炉衬盖板34、加热模块35、第一冷却腔36、第二冷却腔37、温度传感器38；压头夹具41、第三冷却腔42；压头51、载物台52、随行块53、试样54。

具体实施方式

请查阅图1至图9，高温划痕仪，包括结构部件1、运动部件2、温控部件3、测力部件4和划痕测试部件5。

该结构部件1包括平台11和安装在平台11上的龙门12，该龙门12上安装有高度调节板13；具体结构中：该结构部件1还包括支架，该平台11固装在支架上；该结构部件1还包括辅助固定龙门12的螺钉垫块、分别安装在平台11和龙门12上的加强筋；该支架顶部设四个通过螺纹配合的橡胶支撑垫，通过旋转改变四个橡胶支撑垫的高度，以能调节平台水平度；该平台顶面设若干螺纹孔和通孔，多数螺纹孔为安装零件的定位孔，少数大螺纹孔和通孔用于平台放置于在支架上的安装过程的吊装孔；龙门前面有长通槽和螺纹孔，长通槽用于螺钉垫块配合长螺钉通过从龙门底部至长通槽底部的通孔将龙门固定于平台上的螺纹孔，螺纹孔用于高度调节板的安装；高度调节板前面有短沉头槽配合螺钉固定于龙门前面的螺纹孔上，通过调整螺钉在短沉头槽的位置调节高度调节板到平台的距离，高度调节板后面有沉头通孔配合螺钉固定Z轴直线电机；支架所用材料为灰口铸铁，平台所用材料为大理石，龙门所用材料为大理石。

该运动部件2包括安装在平台11上用于划擦的X轴直线驱动机构、安装在X轴直线驱动机构上用于调整位置的Y轴运动平台和安装在高度调节板13上用于加载的Z轴直线驱动机构，该Z轴直线驱动机构和Y轴运动平台对应；具体结构中：该X轴直线驱动机构包括设在平台的第一导轨211、滑接在第一导轨的X轴滑座212、驱动X轴滑座212滑动的X轴直线电机213和固接在滑座212上的第一顶板214，X轴直线电机使用螺钉安装在平台上，通过外接的控制柜和电脑的电机控制软件可以设置X轴直线电机的刚度、速度和位移，持续推力120N，峰值推力150N，最高速度2m/s，位移通过光栅尺和位移传感器配合驱动直线电机运动可以输入和输出位置信息，行程150mm，定位精度0.1μm。该Y轴运动平台包括设在第一顶板214的第二导轨221、滑接在第二导轨221的第二顶板222和带动第二顶板222滑动的微分头223，Y轴运动平台使用螺钉安装在X轴直线电机上，使用弹簧和微分头以对顶的手动调节方式实现了Y轴方向的往复运动，行程13mm,定位精度1μm。该Z轴直线驱动机构包括设在高度调节板13的第三导轨231、滑接在第三导轨的Z轴滑座232、驱动Z轴滑座232滑动的Z轴直线电机233和固接在Z轴滑座232上的第三顶板234，Z轴直线电机使用螺钉安装高度调节板上，通过外接的控制柜和电脑的电机控制软件可以设置Z轴直线电机的刚度、速度和位移，持续推力200N，峰值推力250N，最高速度2.5m/s，位移通过光栅尺和位移传感器配合驱动直线电机运动可以输入和输出位置信息，行程200mm，定位精度0.1μm。

该温控部件3包括安装在Y轴运动平台上的高温炉，通过X轴直线驱动机构带动高温炉31划擦，通过Y轴运动平台调整高温炉位置，该高温炉设炉腔。

该高温炉包括炉体31、炉盖32、炉衬33、炉衬盖板34、加热模块35、第一进出水机构、第二进出水机构和外接的冷却水循环机；该炉体31包括多个炉壁且多个炉壁围成上述开口朝上布置的炉腔，该炉衬33适配装设在炉腔内且其内具有加热腔，该炉衬盖板34密封盖接加热腔，该加热模块35加热该加热腔；该炉体31设位于炉壁内的第一冷却腔36，该第一进出水机构接通第一冷却腔36；该炉盖32装接在炉体31上且盖接在炉衬盖板34上，该炉盖32内设第二冷却腔37，该第二进出水机构接通第二冷却腔37；该冷却水循环机接通第一冷却腔36、第二冷却腔37。该炉壁分底炉壁和侧炉壁，该第一冷却腔36包括位于底炉壁内的底冷却腔和位于侧炉壁内的侧冷却腔，该底冷却腔和侧冷却腔接通；该第一进出水机构包括第一进水管和第一出水管，该第一进水管和第一出水管分别接通两面对布置的侧冷却腔。该炉盖32包括两左右布置的板件，该板件内设分冷却腔且分冷却腔内设隔水段通过隔水段使分冷却腔呈S形，该第二冷却腔37包括上述两板件的分冷却腔；该第二进出水机构包括第二进水管、第二出水管和接通管，该第二进水管和第二出水管分别接通两盖板腔，该接通管接通两盖板腔。根据需要，还包括温度传感器38，该温度传感器伸入加热腔内。本具体实施方式之中：该高温炉的炉体内腔涂有氧化锆涂层。

该测力部件4包括安装在Z轴直线驱动机构上的测力仪，通过Z轴直线驱动机构带动测力仪Z轴运动实现加载。测力仪主体使用螺钉安装在Z轴直线电机上，测力仪型号优选Kistler9119AA2,量程0～4000N，优选量程0～200N，测力精度0.001N，根据实验需求在外接的电脑测力软件设置量程和采样频率等参数，采集的压力和摩擦力可实时显示在电脑测力软件上，实现了力的高速反馈。

该划痕测试部件5包括安装在测力仪上的压头51、固设在加热腔内的载物台52和随行块53，该载物台52上装试样54，该随行块53固装在炉盖32之上且设由随行块53顶面凹设至加热腔的孔洞且压头51和孔洞适配，该孔洞和载物台上下对齐，该压头穿过孔洞并配合载物台上的试样实现划擦；该高温炉内的载物台可放置直径为13mm,高度大于2mm的圆柱形试样，载物台所用材料为立方氮化硼。该测力部件4还包括实现两轴联动的外接的控制柜、外接的数据采集卡、电荷放大器、电脑，该电脑连接控制柜、数据采集卡、电荷放大器，该控制柜连接X轴直线驱动机构和Z轴直线驱动机构。

本具体实施方式之中：该测力仪还包括夹具固定块43、压头夹具41和外接的冷却水循环机，该夹具固定块安装在Z轴直线驱动机构，通过压头夹具将压头固装在夹具固定块上，该压头夹具上设第三冷却腔42，该冷却水循环机接通第三冷却腔。

本具体实施方式之中：高温炉外接的电控柜的温控软件中至多可设置九个加热阶段，每个加热阶段可设置电流、电压、目标温度和保温时间，电控柜根据程序设置输出电能，电能转化为热能提高炉腔温度，炉腔中的热电偶采集炉腔内温度信息反馈给电控柜实时显示，电控柜根据温控软件内置程序调节电能输出使炉腔内温度在保温时间内稳定于目标温度，实现了从室温到1400℃的可调多段式加热与长时间保温，温度误差±1℃的具有高速反馈的温度闭环控制。

本具体实施方式之中：高温炉的随行块有配合划痕测试部件进入的孔洞，当压头进入炉腔运动时带动随行块进行同步运动，实验过程中始终隔绝高温炉内外。

本具体实施方式的高温微米划痕仪可在从室温到1400℃的高温空气条件下完成多次最大载荷为200N最高速度为2m/s的划痕测试，生成实验过程中随位移变化的压力和摩擦力的图像并输出文本文件。

本具体实施方式的高温微米划痕仪使用说明：

步骤一：取下随行块，向相反方向旋转高温炉左右炉盖打开，取出炉衬盖板，将试样固定在载物台上，放回炉衬盖板，逆向旋转高温炉左右炉盖关闭。

步骤二：打开高温微米划痕仪总电源和各个部件的分电源，打开电机控制软件、温控软件、测力软件，根据实验需求在测力软件上设置量程和采样频率等参数，通过电机控制软件操控Z轴直线电机抬高适当高度，安装划痕测试部件。

步骤三：通过电机控制软件操控X轴直线电机和Z轴直线电机，使得压头迅速靠近试样表面，修改电机控制软件上的参数，使得压头缓慢靠近试样表面直至触碰，当测力软件采集到力信号的时候，将此时X轴直线电机和Z轴直线电机的位置输出并记录为起始接触点，修改电机控制软件上的参数，使得压头抬高适当高度。

步骤四：修改电机控制软件上的参数，使得压头沿着X轴方向移动合适的距离(确定划痕的长度)，修改电机控制软件上的参数，使得压头迅速靠近试样表面，修改电机控制软件上的参数，使得压头缓慢靠近试样表面直至触碰，当测力软件采集到力信号的时候，将此时X轴直线电机和Z轴直线电机的位置输出并记录为终端接触点，修改电机控制软件上的参数，使得压头抬高适当高度退出高温炉炉腔，放回随行块。

步骤五：根据实验需求在温控软件上设置所需加热阶段的电流、电压、目标温度、保温时间，点击开始加热，等待温度达到目标温度后开展实验。

步骤六：通过电机控制软件操控X轴直线电机和Z轴直线电机，使得压头通过随行块上的孔洞进入炉腔后回到初始接触点位置，结合实验需求使得压头下压直至测力软件上的力大小满足需求，将此时X轴直线电机和Z轴直线电机的位置记录并输出起始压入点，测力软件会记录压入过程中位移-载荷的变化生成图像可输出文本文件，对比起始接触点和起始压入点的Z轴坐标求出差值，将这个差值与终端接触点的Z轴坐标求和作为终端压入点。

步骤七：在电机控制软件上根据实验需求设置划擦参数，使得压头从起始压入点运动至终端压入点，即完成一次划痕测试，测力软件会记录划擦过程中位移-载荷的变化生成图像可输出文本文件，修改电机控制软件上的参数，使得压头离开试样表面但不退出高温炉炉腔。

第八步：如果要进行多次划痕测试，手动调节Y轴运动平台的微分头，根据实际情况移动适当距离，重复步骤七和步骤八，即可在同一温度完成多次划痕测试实验，之后修改电机控制软件上的参数，使得压头退出高温炉炉腔。

第九步：如果在温控软件中设置多个加热阶段，当完成一个加热阶段的划痕实验后等待温度达到下一个加热阶段的目标温度，重复步骤七到步骤九，即可在不同温度完成多次划痕测试实验。

第十步：完成所有划痕实验后，等待温控软件所显示温度回落至室温后，拆卸划痕测试部件，使Z轴直线电机运动到最低点，关闭电机控制软件、温控软件、测力软件，关闭各个部件的分电源和高温划痕仪的总电源，取下随行块，向相反方向旋转高温炉左右炉盖打开高温炉，取出炉衬盖板，取出试样，放回炉衬盖板，逆向旋转高温炉左右炉盖关闭高温炉。

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 (8)

1.高温划痕仪，其特征在于：包括结构部件、运动部件、温控部件、测力部件和划痕测试部件；

该结构部件包括平台和安装在平台上的龙门；

该运动部件包括安装在平台上用于划擦的X轴直线驱动机构、安装在X轴直线驱动机构上用于调整位置的Y轴运动平台和安装在龙门上用于加载的Z轴直线驱动机构，该Z轴直线驱动机构和Y轴运动平台对应；

该温控部件包括安装在Y轴运动平台上的高温炉，通过X轴直线驱动机构带动高温炉划擦，通过Y轴运动平台调整高温炉位置，该高温炉设炉腔；

该测力部件包括安装在Z轴直线驱动机构上的测力仪，通过Z轴直线驱动机构带动测力仪Z轴运动实现加载；

该划痕测试部件包括安装在测力仪上的压头、固设在炉腔内的载物台和随行块，该载物台上装试样，该随行块固装在高温炉外且设由随行块顶面凹设至炉腔的孔洞且压头和孔洞适配，该孔洞和载物台上下对齐，该压头穿过孔洞并配合载物台上的试样实现划擦。

2.根据权利要求1所述的高温划痕仪，其特征在于：该高温炉包括炉体、炉盖、炉衬、炉衬盖板、加热模块、第一进出水机构、第二进出水机构和外接的冷却水循环机；该炉体包括多个炉壁且多个炉壁围成上述开口朝上布置的炉腔，该炉衬适配装设在炉腔内且其内具有加热腔，该炉衬盖板密封盖接加热腔，该加热模块加热该加热腔，该载物台固装在加热腔内且顶面设载物槽以通过加热模块加热载物台；该炉体设位于炉壁内的第一冷却腔，该第一进出水机构接通第一冷却腔；该炉盖装接在炉体上且盖接在炉衬盖板上，该炉盖内设第二冷却腔，该第二进出水机构接通第二冷却腔；该冷却水循环机接通第一冷却腔、第二冷却腔；该孔洞凹至加热腔。

3.根据权利要求2所述的高温划痕仪，其特征在于：该炉壁分底炉壁和侧炉壁，该第一冷却腔包括位于底炉壁内的底冷却腔和位于侧炉壁内的侧冷却腔，该底冷却腔和侧冷却腔接通；该第一进出水机构包括第一进水管和第一出水管，该第一进水管和第一出水管分别接通两面对布置的侧冷却腔。

4.根据权利要求2所述的高温划痕仪，其特征在于：该炉盖包括两左右布置的板件，该板件内设分冷却腔且分冷却腔内设隔水段通过隔水段使分冷却腔呈S形，该第二冷却腔包括上述两板件的分冷却腔；该第二进出水机构包括第二进水管、第二出水管和接通管，该第二进水管和第二出水管分别接通两盖板腔，该接通管接通两盖板腔。

5.根据权利要求2所述的高温划痕仪，其特征在于：还包括温度传感器，该温度传感器伸入加热腔内。

6.根据权利要求1所述的高温划痕仪，其特征在于：该测力仪还包括夹具固定块、压头夹具和外接的冷却水循环机，该夹具固定块安装在Z轴直线驱动机构，通过压头夹具将压头固装在夹具固定块上，该压头夹具上设第三冷却腔，该冷却水循环机接通第三冷却腔。

7.根据权利要求1所述的高温划痕仪，其特征在于：该结构部件还包括支架，该平台固装在支架上；该龙门上安装有高度调节板，该Z轴直线驱动机构安装在高度调节板。

8.根据权利要求1所述的高温划痕仪，其特征在于：该温控部件还包括电控柜，该电控柜连接温度传感器和加热模块且通过电控柜至多能设置九个加热阶段，每个加热阶段都设置电流、电压、目标温度和保温时间，以实现从室温到1400℃的可调多段式加热与长时间保温。

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