CN201133893Y - 多功能材料表面性能试验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及检测设备，具体的涉及一种用于材料表面机械性能检测的多功能材料表面性能试验仪。该多功能试验仪运用声检测技术、摩擦力检测、微米位移测量技术及微机自控技术，在一台仪器上，以组件方式实现了压痕试验、划痕试验、旋转摩擦试验、往复摩擦试验、粗糙度检测、弹性模量检测、台阶仪、高速往复摩擦试验等模式，由一台设备分别配置各种基座组件，就可以完成对材料表面多项机械性能的检测。由于采用了计算机控制技术，可以实现信号自动采集、分析、计算和记录。

Description

多功能材料表面性能试验仪

技术领域

本实用新型涉及检测设备，具体的涉及一种用于材料表面机械性能检测的多功能材料表面性能试验仪。

背景技术

目前市场上的大载荷球-盘摩擦实验机具有小载荷测量精度不够、高速测量稳定性差的缺陷，并且设备自身体积较大、使用成本高、自动化程度较低、运动形式单一。而目前市场上现有的划痕试验机虽然体积小，但又具有加载范围小、操作繁杂、测量精度不高、检测方式单一的技术缺陷。上述试验机都具有检测模式单一、不能实现对材料的多种机械性能进行的检测的问题。而且，上述试验机或采用弹簧加载方式，或采用砝码加载方式。采用弹簧加载方式的试验机加载的线形度不好，采用砝码加载方式的试验机又存在对较大量程加载操作困难、不能实现可变加载的摩擦试验、且设备体积大、造价高的缺陷。

因此，需要一种具有多种检测方式，能够对材料表面多种机械性能进行检测的试验仪，尤其是适合于检测离子镀涂层各项机械性能的多功能试验仪。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种能够克服上述缺点的多功能材料表面性能试验仪，该试验仪在小载荷、高速度测量工作模式下，具有精度高、稳定性好的优点，并且设备自身体积较小、采用计算机全自动控制、数据处理技术，具有自动化程度高的优点。该试验仪可以实现在一台设备上通过使用不同组件，实现了直线往复模式检测和旋转模式检测。该试验仪在用于划痕试验时，可以加大载荷范围，并可以结合采用声传感器、摩擦力传感器、微米位移检测、光学显微观察等多种检测手段，大大提高了检测精度。该试验仪具有多种检测试验模式，可以进行划痕试验、压痕试验、旋转摩擦试验、往复摩擦试验、粗糙度试验、弹性模量试验、台阶仪试验等多种试验。下面首先说明本实用新型试验仪的工作方式。

划痕试验：通过自动加载机构将负荷连续加至金刚石压头上，同时移动试样，使金刚石压头划过涂层表面。通过生传感器获取涂层脱落时的声信号，通过摩擦力传感器获得摩擦力变化信号，由此可得到涂层与基体的结合强度临界载荷，还可以进一步采用光学显微镜组件观察确定上述两种试验结果。

压痕试验模式：通过金刚石压头作用于试样表面，在逐渐增大载荷过程中，通过显微镜组件观察压痕变化，当压痕周围涂层材料出现较大裂纹时，表明涂层的结合力失效，此时的压力载荷为涂层压应力结合强度的临界载荷。

旋转摩擦试验模式：运用球-盘摩擦原理，将砝码或可变加载机构所施加的载荷加载在磨球上，材料试样随试验台模组以设定的转速旋转，实现摩擦副的旋转摩擦。通过摩擦力传感器获取摩擦过程的摩擦力信号，经过计算机运算得到材料表面在不同载荷、速度条件下的摩擦系数曲线，再通过轮廓仪测量其磨损深度，即可得到材料表面的耐磨强度。当材料表面具有涂层时，摩擦系数曲线发生跳变，表明磨球已摩擦到涂层下的底层材料，此时即可得到涂层在特定条件下的耐磨强度。

往复摩擦试验模式：运用球-盘摩擦原理，将砝码或可变加载机构所施加的载荷加载在磨球上，材料试样随试验台模组左右移动，实现摩擦副的往复直线摩擦。通过摩擦力传感器获取摩擦时的摩擦力信号，经过计算机运算得到材料表面在不同载荷、速度条件下的摩擦系数曲线。

粗糙度试验模式：将例如0.05牛顿的微小载荷施加到金刚石压头上，作用于试样表面，试样随试样台模组做匀速直线运动，通过位移传感器得到划针的微小波动信号，经过计算机处理得到材料表面的粗糙度曲线。

弹性模量检测：将载荷按设定的加载速率由压头作用于试样表面，通过位移传感器感应压头位移信号，经过计算机处理得到材料的载荷-深度曲线，再按设定的卸载速率得到卸载时的载荷-深度曲线，通过两组数据经过计算得到材料的弹性模量。

台阶仪：将例如0.05牛顿的微小载荷施加到金刚石压头上，作用于涂层表面，试样随试样台模组以匀速直线运动，通过位移传感器获得划针的微小波动信号，经过计算机处理得到涂层和基体的落差曲线，即可得到涂层的厚度。

高速往复摩擦试验模式：运用球-盘摩擦原理，将砝码或可变加载机构所施加的载荷加载在磨球上，材料试样随试验台模组作高速往复直线运动，提供设定电机转速调节摩擦副的相对运动速度。通过摩擦力传感器获取摩擦时的摩擦力信号，经过计算机运算得到材料表面在不同载荷、不同速度条件下的摩擦系数曲线。

本实用新型的一种多功能材料表面性能试验仪，包括部件：砝码定位杆、砝码托盘、加载梁、声传感器、压头、试样固定夹具、基座、加载梁平衡调整螺钉、加载梁固定旋钮、加载梁升降调整手轮、升降架定位螺钉、试样台模组、加载涡轮、加载蜗杆；其特征在于：可以通过加载涡轮、加载蜗杆自动地动态连续加载；或通过砝码静态加载；为划痕试验、压痕试验模式、旋转摩擦试验模式、往复摩擦试验模式、粗糙度试验模式、弹性模量检测、台阶仪、高速往复摩擦试验配置多种基座，每种基座内设置电机和传动机构，用于驱动试样台模组运动。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：加载梁内设置加载杆，加载杆下端通过压头连接架固定压头和声传感器，加载梁通过加载杆将载荷施加到压头，加载梁内靠近加载杆处设置摩擦力传感器；该摩擦力传感器感应加载杆位移，检测压头所受摩擦力，并将摩擦力信号传输给计算机；声传感器感应涂层脱落时所发声响，将声音信号传输给计算机。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：在加载梁一侧设置光学显微镜，旋转加载梁可使光学显微镜对准试验以便对试样直接观察。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：位移传感器通过位移传感器固定旋钮固定在位移传感器支架上，通过调节位移传感器高度调节旋钮使该传感器接触加载梁顶部，位移传感器支架通过位移传感器支架固定旋钮被固定在基座一侧。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第一基座内电机通过传动链带动丝杠旋转，驱动试样台模组左右移动，和前后移动手轮驱动试样台模组前后移动；或者，通过左右移动手轮和前后移动手轮驱动试样台模组移动。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第二基座内电机通过连杆驱动试样台模组高速左右移动，通过前后移动手轮驱动试样台模组前后移动。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第三基座内电机通过传动链驱动试样台模组旋转运动。

根据本实用新型的上述多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：加载电机驱动加载蜗杆以带动加载涡轮按照设定的加载速率加载，和按照设定的卸载速率卸载。

本实用新型的多功能材料表面性能试验仪，运用声检测技术、摩擦力检测、微米位移测量技术及微机自控技术，在一台试验仪上，以配置不同基座和试样台模组方式实现了压痕试验、划痕试验、旋转摩擦试验、往复摩擦试验、粗糙度检测、弹性模量检测、台阶仪、高速往复摩擦试验等模式，由一台设备就可以完成对材料表面多项机械性能的检测。由于采用了计算机控制技术，可以实现信号自动采集、分析、计算和记录。

附图说明

图1为本实用新型多功能试验仪的总体结构示意图；

图2为本实用新型多功能试验仪用于划痕试验、往复摩擦试验、粗糙度试验、台阶仪试验所配置的试样台模组、基座、加载装置结构示意图；

图3A、3B为本实用新型多功能试验仪的光学显微镜组件结构示意图；

图4为本实用新型多功能试验仪的加载梁内部结构示意图；

图5为本实用新型多功能试验仪用于高速往复摩擦试验所配置的试样台模组、基座、加载装置结构示意图；

图6A、6B为本实用新型多功能试验仪用于粗糙度试验、弹性模量检测、台阶仪所配置的位移传感器装置结构示意图；

图7为本实用新型多功能试验仪用于旋转摩擦试验所配置的试样台模组、基座结构示意图。

具体实施方式

图1至7中，相同的附图标记代表同样的结构部件。具体附图标记所代表的结构部件如下：1砝码定位杆，2砝码托盘，3加载梁，4声传感器，5压头，6试样固定夹具，7左右移动手轮，8基座，9前后移动手轮，10加载梁平衡调整螺钉，11加载梁固定旋钮，12加载梁升降调整手轮，13升降架定位螺钉，14试样台模组，15第一基座内置电机，16加载涡轮，17加载蜗杆，18光学显微镜组件，19加载杆，20摩擦力传感器，21第二基座内置电机，22连杆，23位移传感器，24位移传感器固定旋钮，25位移传感器高度调节旋钮，26位移传感器支架，27位移传感器支架固定旋钮，28水平移动丝杠，29第三基座内置电机，30传动链。根据试验模式不同，压头可采用倒圆锥形金刚石，也可采用钢球或圆钢柱。

如图1所示，本实用新型的多功能试验仪，其中基座部分为可拆卸结构，为不同试验目的可以配置不同基座，各种基座内均设置电机和传动机构用于驱动试样台模组以所需要的方式运动，可以完成多功能的材料表面性能试验。该试验仪的加载梁可以通过加载梁升降调整手轮调整高度位置，加载梁高度位置被升降架定位螺钉固定；加载梁可以围绕升降架转动以调节压头与试样之间相对位置，该相对位置用加载梁固定旋钮固定。

图2所示为用于划痕试验、往复摩擦试验、粗糙度试验、台阶仪试验所配置的试样台模组、基座、加载装置结构示意图。其中所使用的基座称为第一基座，该第一基座内设置电机，由电机通过传动链驱动丝杠转动，带动试样台模组向左或向右移动。加载电机驱动加载蜗杆带动加载涡轮，为加载梁连续动态加载或卸载，也可以利用砝码托盘静态加载。图2为简洁起见，没有具体图示加载电机，尽用虚线框表示了加载电机的安装位置，加载电机与加载升降调整手轮都用于驱动加载蜗杆。通过计算机控制加载电机，可以按照预先设置的加载速率加载，也可以按照设置的加载速率卸载。

图3A和3B为本实用新型多功能试验仪的光学显微镜组件配置结构示意图。光学显微镜组件安装在加载梁一侧，通过转动加载梁可以将光学显微镜对准试样，进行光学检测，例如观察材料表明裂纹。光学显微镜配备摄像装置，将图象传输给监视器或计算机，以显示和记录图象。

图4所示为本实用新型多功能试验仪的加载梁内部结构示意图。图4中，加载梁通过加载杆将载荷传递给压头，由压头作用在试样材料表面。摩擦力传感器用于感应试样台相对压头运动时所产生的摩擦力，将摩擦力信号传输给计算机。声传感器感应摩擦过程中材料表面涂层脱落产生的声音信号，将声信号传输给计算机。图4中各个箭头所表示含义如下，D1表示试样台模组左右移动方向，D2表示试样台模组前后移动的方向，D3表示加载过程中压头对试样表面施加压力方向，D4表示动态连续加载过程中，加载梁运动方向。

图5为本实用新型多功能试验仪用于高速往复摩擦试验所配置的试样台模组、基座、加载装置结构示意图。其中的加载装置部分与图2相同，在此不再重复描述。图5中，由第二种基座内设置的电机，通过连杆带动试样台模组作高速的左右往复运动，通过计算机控制电机转速，可以调节左右往复运动的速度。连杆一端偏心连接在电机轴盘上，另一端以可枢转方式连接试样台模组，该连杆将电机的旋转运动转换为试样台模组的高速直线往复运动。压头使用钢珠或圆钢柱。

图6A、6B为本实用新型多功能试验仪用于粗糙度试验、弹性模量检测、台阶仪所配置的位移传感器装置结构示意图。图中所示，位移传感器通过位移传感器高度调节旋钮调节到适当位置，使传感器对准并接触加载梁上端对应压头施力方向的位置，利用位移传感器固定旋钮将位移传感器固定在支架上，位移传感器支架由位移传感器支架固定旋钮固定在基座一侧面上。在进行粗糙度试验、弹性模量检测、台阶仪模式试验过程，试样台模组左右运动，由于材料表面不平整使压头带动加载梁上、下微量位移，位移传感器感应加载梁上、下位移量，将位移信号传输给计算机。

图7为本实用新型多功能试验仪用于旋转摩擦试验所配置的试样台模组、基座结构示意图。图7所示，第三基座内设置的电机通过传动链带动试样台模组旋转，通过计算机控制电机转速，可以控制试样台模组转速。在旋转摩擦试验中，压头使用钢珠或圆钢柱。

采用本实用新型的多功能试验仪进行不同试验时所使用的试验参数以及所使用的压头材料、形状如下：

划痕试验：加荷范围：0.5N-200N自动连续加荷、精度0.5N；划痕长度：2mm-50mm；加荷速率：20N/min-100N/min；测量范围：0.2μm-50μm；压头：金刚石、锥角120°、尖端半经0.2mm。

压痕试验：加荷范围：0.5N-300N自动连续加荷、精度0.5N；加荷速率：20N/min-100N/min；测量范围：0.5μm-100μm；压头：金刚石、锥角120°、尖端半径0.2mm或其它规格压头。

旋转摩擦：加载范围：10g-20000g、动态加载、精度0.5g；平台转速：1转/mi n-3000转/mi n精度±1转；升降高度：20mm；试样厚度：1mm-10mm/片；旋转半径：3mm-10mm；压头：Φ2-6mm球或Φ2-4mm圆柱。

往复摩擦：加载范围：10g-20000g、动态加载，精度0.5g；往复频率：1-30次/min-3000转/min，精度±1转；升降高度：20mm；试样厚度：0.1mm-4mm精度0.01mm；线速度：3mm-10mm；压头：Φ2-6mm球或Φ2-4mm圆柱。

粗糙度试验：试验载荷：5g-10g；试样移动速度：1mm/s；测量范围：0.5μm-1000μm；试样厚度：1mm-10mm片；分辨率：0.1μm；试样半径：Φ10-40mm的圆片或30mm×100mm片；压头：金刚石、锥角120°、尖端半经0.2mm。

弹性模量：加荷范围：0.5N-300N自动连续加荷、精度0.5N；加荷速率：20N/min-100N/min；测量范围：0.5μm-100μm；压头：金刚石、锥角120°、尖端半经0.2mm；压入深度：0.5μm-100μm；分辨率：0.1μm。

台阶仪：试验载荷：5g-10g；试样移动速度：1mm/s；测量范围：0.5μm-1000μm；试样厚度：1mm-10mm/片；分辨率：0.1μm；试样半径：Φ10-40mm的圆片或30mm×100mm片；压头：金刚石、锥角120°、尖端半经0.5mm。

高速往复摩擦：加载范围：10g-2000g，精度0.1g；往复频率：50Hz；升降高度：20mm；试样厚度：0.1mm-4mm精度0.01mm；压头：Φ2-6mm球或Φ2-4mm圆柱。

本实用新型的上述实施例及附图仅为说明用途，并不构成对保护范围的限定。本实用新型保护范围由权利要求书所限定。

Claims (8)

1.一种多功能材料表面性能试验仪，包括部件：砝码定位杆、砝码托盘、加载梁、声传感器、压头、试样固定夹具、基座、加载梁平衡调整螺钉、加载梁固定旋钮、加载梁升降调整手轮、升降架定位螺钉、试样台模组、加载涡轮、加载蜗杆；

其特征在于：可以通过加载涡轮、加载蜗杆自动地动态连续加载；或通过砝码静态加载；

为划痕试验、压痕试验模式、旋转摩擦试验模式、往复摩擦试验模式、粗糙度试验模式、弹性模量检测、台阶仪、高速往复摩擦试验配置多种基座，每种基座内设置电机和传动机构，用于驱动试样台模组运动；压头为倒圆锥形金刚石或钢球或圆钢柱。

2.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：加载梁内设置加载杆，加载杆下端通过压头连接架固定压头和声传感器，加载梁通过加载杆将载荷施加到压头，加载梁内靠近加载杆处设置摩擦力传感器；该摩擦力传感器感应加载杆位移，检测压头所受摩擦力，并将摩擦力信号传输给计算机；声传感器感应涂层脱落时所发声响，将声音信号传输给计算机。

3.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：在加载梁一侧设置光学显微镜，旋转加载梁可使光学显微镜对准试验以便对试样直接观察。

4.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：位移传感器通过位移传感器固定旋钮固定在位移传感器支架上，通过调节位移传感器高度调节旋钮使该传感器接触加载梁顶部，位移传感器支架通过位移传感器支架固定旋钮被固定在基座一侧。

5.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第一基座内电机通过传动链带动丝杠旋转，驱动试样台模组左右移动，和前后移动手轮驱动试样台模组前后移动；或者，通过左右移动手轮和前后移动手轮驱动试样台模组移动。

6.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第二基座内电机通过连杆驱动试样台模组高速左右移动，通过前后移动手轮驱动试样台模组前后移动。

7.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：第三基座内电机通过传动链驱动试样台模组旋转运动。

8.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：加载电机驱动加载蜗杆以带动加载涡轮按照设定的加载速率加载，和按照设定的卸载速率卸载。

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