CN202947937U - 一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置，包括支架、抗冲击底座、扇叶轮和传动系统，扇叶轮通过轴承固设于支架上，在支架上设有电机连接传动系统驱动扇叶轮，金刚石复合片试件设置于抗冲击底座上的试件凹槽中，电机通过传动系统带动扇叶轮转动，使钢球自动循环冲砸金刚石复合片试件，实现了冲击过程的自动化运转，可以高效并自动实现金刚石复合片抗冲击性能的检测。本实用新型将垫片与金刚石复合片试件采用夹紧片压置在试件凹槽中，能够有效的控制金刚石复合片试件与钢球的冲击点位置，提高实验效率。本实用新型采用了较为简单的激光感应计数器进行冲击次数计量，装置简单，成本低廉，可操作性强，易于推广。

Description

一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置

技术领域

本实用新型公开一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置，属于材料物理性能检测技术领域。

背景技术

金刚石复合片（Polycrystalline Diamond Compact，以下简称为PDC）是由硬质合金和人造聚晶金刚石经过高温高压合成的，既具有硬质合金的韧性和可焊性，又具有金刚石的高耐磨性，作为高效切削刀具广泛地应用于石油钻探、机械加工等领域。由于复合片自身结构的特点，以及在实际使用过程中的受破坏方式，使得复合片一般都是受冲击破坏而失效，因此抗冲击性能是衡量复合片质量优劣的一项重要指标。然而，由于聚晶金刚石具有极高的硬度和化学惰性，如何高效的检测PDC材料的抗冲击韧性已成为迫切需要解决的难题之一。

目前，对于如何检测PDC材料抗冲击韧性，国内外的著名公司和研究机构都依据实用对象，设计了各自独特的测试方法，测试结果并不能够相互比较，因而，没有形成统一的标准，其主要的测试方法（原理）有：美国GE公司所采用的高速运动颗粒冲蚀法；英国De Beers公司所采用的PDC车削带槽花岗岩棒转撞击法；美国Sandia国家实验室采用的大功率落块冲击法；我国和美国合成公司所采用的DFZY 型PDC抗动载性能测试、JZ型落锤式冲击功测定仪测试和可变换冲击功落球式冲击法。以冲击功作为抗冲击性能的定量指标，得到了较为广泛的认同。即测试时，使冲头逐次冲砸PDC试件的边缘部分,直至试样表面出现可见裂纹或产生破碎时，所得到的冲击功（冲击次数与单次冲击能量之积）。

该种测试过程还存在以下技术难点：1）加载功如何能够尽可能地作用到复合片上。显示测试中，复合片被直接放置于底座上，导致大部分的冲击能量损失。2）如何实现冲头与复合片的点对点的冲击。金刚石复合片的硬度很大，如果冲击次数过多，会导致冲头与复合片形成面对面的接触，甚至冲头破坏。3）复合片表面裂纹出现的判断和冲击次数的计数困难。4）如何实现测试过程的自动化，以提高测试效率。因为一般的测试方法测试次数很多，采用人工记录冲击次数，重复性的工作量太大，繁琐易产生误差，且难于第一时间观察到裂纹出现。随着PDC制造技术的不断进步，PDC的质量得到了大幅度的提高，如果测试一个试样甚至经过数千次仍然不能破坏样品，将导致无法给出冲击功的具体数。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决现有测试过程存在的技术难点，而提供一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置，结构简单、使用方便、可操作性强，能准确地检测出金刚石复合片的抗冲击韧性。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置，包括支架1、抗冲击底座12、扇叶轮6和传动系统。所述的扇叶轮6通过轴承设置于支架1上，在支架1上设有电机2连接传动系统驱动所述扇叶轮6；在抗冲击底座12上设有试件凹槽13，金刚石复合片试件设置于试件凹槽13中，在试件凹槽13一侧设有下端导滑槽9连接到扇叶轮6的底部，在扇叶轮6内扇叶的交集处引出上端导滑槽8，上端导滑槽8的另一端连接到竖直设置的冲击滑槽10的上端口，冲击滑槽10的下端口位于试件凹槽13的上方，冲头从冲击滑槽10落下冲砸金刚石复合片试件。

作为本实用新型的优选方案，所述扇叶轮6为圆桶形，其封闭的一端通过传动系统与电机连接，开口的一端通过上端导滑槽8和下端导滑槽9连接到抗冲击底座12，在扇叶轮6内部的扇叶在扇叶轮的中心轴线交集并留有一个供上端导滑槽8放置的缺口。

所述扇叶轮6的中心轴线水平设置，所述上端导滑槽8朝冲击滑槽10向下倾斜设置，下端导滑槽9朝扇叶轮6向下倾斜设置。

作为本实用新型的优选方案，所述金刚石复合片试件与垫片15重叠放置于试件凹槽13中，并通过夹紧片14固定压置在试件凹槽13中，金刚石复合片试件朝上。

所述垫片15采用硬质合金、金刚石复合片或聚晶立方氮化硼垫片。

所述垫片15的厚度为1mm-20mm。

所述垫片15表面粗糙度为Ra0.02-1.25μm。

作为本实用新型的优选方案，在所述抗冲击底座12上设有记录冲击滑槽10中冲头冲砸金刚石复合片试件次数的激光感应计数器11。

作为本实用新型的优选方案，所述传动系统采用链传动，电机2的输出端设置有一小链轮3，小链轮3通过链条4与扇叶轮6端部的大链轮5相连。 

所述电机2为可调速电机。

本实用新型采用上述技术方案，在现有的落球式冲击法的基础上，引入冲击动力学原理和自动控制原理。通过在金刚石复合片试件下面装上垫片，将二者重叠放置（机械式固定）在一起进行冲击测试，在测试试件和试验机底座间形成一个刚性碰撞界面，使得反射进入金刚石复合片试件内的拉伸波增多，从而使金刚石复合片试件在有限的次数内，发生冲击破坏，实现了金刚石复合片试件抗冲击韧性的高效测定；经过可调速电机自动控制的钢球自由落体下落，使复合片经过数十次的冲击后，表面出现可见裂纹或产生破碎，快速地有效地测定金刚石复合片试件的冲击功值，使得可变换冲击功落球式冲击法的重复性工作量大大降低，误差减小，更加简便。

本实用新型根据冲击滑槽的高度，确定单次冲击功，即钢球落下的重力势能。还可根据实验的需要调整支架的高度，获得钢球落下的不同重力势能。通过记录钢球的下落次数，得到冲击功值。其公式如（1）所示：

                      W=mgh                      （1）

其中，m为钢球重量，g为重力加速度，h为落球高度，g=9.8m/s²。

本实用新型装置具有如下有益效果。

1）通过电机带动扇叶轮转动，使钢球自动循环冲砸样品，实现了冲击过程的自动化运转。

2）能高效自动的实现金刚石复合片抗冲击性能的检测，金刚石复合片试件的抗冲击韧性只需要十几次到几十次的钢球冲击便可测试出来，减少了重复性的工作量。

3）本实用新型将垫片与金刚石复合片试件采用夹紧片压置在凹槽中，能够有效的控制金刚石复合片试件与钢球的冲击点位置（冲击点位置对测试结果的影响极大，若位置变化，所获得的结果会存在较大的误差）。

4）本实用新型装置实现了钢球和样品的点对点接触，能很好的模拟金刚石复合片的实际受力状态。

5）当冲击频率太高时，载荷作用时间较短，破坏的过程得不到充分的发展，会使破坏速度下降，本实用新型方法可以通过调节电机方便地控制落球的频率，从而控制冲击频率。

6）采用了较为简单的激光感应计数器进行冲击次数计量，装置简单，成本低廉，可操作性强，易于推广。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图。

图2为本实用新型冲击底座试件凹槽部分放大示意图。

图中标号：1-支架；2-电机；3-小链轮，4-链条；5-大链轮，6-扇叶轮，7-钢球，8-上端导滑槽，9-下端导滑槽，10-冲击滑槽，11-激光感应计数器，12-抗冲击底座，13-试件凹槽，14-夹紧片，15-垫片，16-金刚石复合片试件。

具体实施方式

下面结合具体附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1和图2，检测装置包括支架1、抗冲击底座12、扇叶轮6和电机2。扇叶轮6通过轴承固设于支架1上。在支架1上设有电机2，电机2的输出端设置有一小链轮3，小链轮3通过链条4与扇叶轮6同轴设置的大链轮5相连；扇叶轮6为圆桶形，其封闭的一端通过传动系统与电机连接，在扇叶轮6内部的扇叶在扇叶轮的中心轴线交集并留有一个供上端导滑槽8放置的缺口。

在抗冲击底座12上设有试件凹槽13，金刚石复合片试件16与垫片15重叠放置于试件凹槽13上，金刚石复合片试件16朝上，夹紧片14与金刚石复合片试件16表面中线的靠边部位接触，其两端通过螺栓固定在抗冲击底座12上将金刚石复合片试件16与垫片15固定压置在试件凹槽13中。试件凹槽13位于夹紧片14的另一边通过下端导滑槽9连接到扇叶轮6的底部，在扇叶轮6中心轴线的缺口处引出上端导滑槽8，上端导滑槽8的另一端连接到竖直设置的冲击滑槽10的上端口，冲击滑槽10的下端口位于试件凹槽13的上方，冲头从冲击滑槽10落下冲砸金刚石复合片试件。本装置的扇叶轮6的中心轴线水平设置，上端导滑槽8朝冲击滑槽10向下倾斜设置，下端导滑槽9朝扇叶轮6向下倾斜设置。在抗冲击底座12上设有记录冲击滑槽10中冲头冲砸次数的激光感应计数器11。

本实用新型装置的工作过程是：测试同一批次金刚石复合片试件。首先将待测金刚石复合片试件与垫片15通过夹紧片14压置在试件凹槽13中，将作为冲头的钢球7置于扇叶轮6最低处，然后接通电机2电源，调节好电机相应的转动频率，使电机2通过链传动带动扇叶轮6及其内的钢球7进行转动，钢球7接触的扇叶转至水平位置并继续上升时，钢球7会顺着扇叶向扇叶交集的中心滚落到上端导滑槽8，钢球7沿着倾斜的上端导滑槽8向前滚动，从冲击滑槽10的上端口竖直落下，冲击滑槽10的挡板使钢球7能刚好砸到试件凹槽13上的金刚石复合片试件的冲击点位置，同时激光计数器11计数一次，最后钢球7沿着倾斜的下端导滑槽9重新滚进扇叶轮6最低处，从而实现钢球7不断循环往复的冲击样品，直至达到金刚石复合片试件破坏为止。

实施例1

通过上述结构的检测装置，采用表面粗糙度为Ra0.02μm的硬质合垫片，厚度为1.00mm，钢球直径：300mm；钢球质量：878.2g；钢球材料：轴承钢；落球高h=164mm；电机电压220V, 电机功率25W，电机转速1转/分；对于同一金刚石复合片试件圆周上选择间隔90o的4个点，钢球冲击次数分别为38,38,39,38次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为38.25。

计算得单次冲击功：W=mgh=1.411J。

此PDC试件的冲击功值为38.25×1.411=53.97J。

实施例2

采用表面粗糙度为Ra0.5μm的金刚石复合片垫片，厚度为15.12mm，钢球直径：300mm；钢球质量：890.1g；钢球材料：轴承钢；落球高h=168mm；电机电压220V,电机功率15W，电机转速5转/分；对于同一金刚石复合片试件圆周上选择间隔90o的4个点，冲击次数分别为34,36,33,34次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为34.25。

计算得单次冲击功：W=mgh=1.465J。

此PDC试件的冲击功值为34.25×1.465=50.18J。

实施例3

采用表面粗糙度为Ra1.25μm的聚晶立方氮化硼垫片，厚度为20mm，钢球直径：300mm；钢球质量：875.4g；钢球材料：轴承钢；落球高h=170mm；电机电压220V,电机功率6W，电机转速10转/分；对于同一金刚石复合片试件圆周上选择间隔90o的4个点，冲击次数分别为37,35,35,37次，试件表面产生可见裂纹。平均冲击次数为36.00。

计算得单次冲击功：W=mgh=1.458J。

此PDC试件的冲击功值为36.00×1.458=52.48J。

从实施例1、2、3可知，经过数十次的冲击，即可很快的测定PDC试件的冲击功值，满足复合片测试的需要。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动检测金刚石复合片抗冲击韧性的装置，其特征是：包括支架（1）、抗冲击底座（12）、扇叶轮（6）和传动系统；所述的扇叶轮（6）通过轴承设置于支架（1）上，在支架（1）上设有电机（2）连接传动系统驱动所述扇叶轮（6）；

在抗冲击底座（12）上设有试件凹槽（13），金刚石复合片试件设置于试件凹槽（13）中，在试件凹槽（13）一侧设有下端导滑槽（9）连接到扇叶轮（6）的底部，在扇叶轮（6）内扇叶的交集处引出上端导滑槽（8），上端导滑槽（8）的另一端连接到竖直设置的冲击滑槽（10）的上端口，冲击滑槽（10）的下端口位于试件凹槽（13）的上方，冲头从冲击滑槽（10）落下冲砸金刚石复合片试件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述扇叶轮（6）为圆桶形，其封闭的一端通过传动系统与电机连接，开口的一端通过上端导滑槽（8）和下端导滑槽（9）连接到抗冲击底座（12），在扇叶轮（6）内部的扇叶在扇叶轮的中心轴线交集并留有一个供上端导滑槽(8)放置的缺口。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述扇叶轮（6）的中心轴线水平设置，所述上端导滑槽（8）朝冲击滑槽（10）向下倾斜设置，下端导滑槽（9）朝扇叶轮（6）向下倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是：所述金刚石复合片试件与垫片（15）重叠放置于试件凹槽（13）中，并通过夹紧片（14）固定压置在试件凹槽（13）中，金刚石复合片试件朝上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述垫片（15）采用硬质合金、金刚石复合片或聚晶立方氮化硼垫片。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述垫片（15）的厚度为1mm-20mm。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述垫片（15）表面粗糙度为Ra0.02-1.25μm。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：在所述抗冲击底座（12）上设有记录冲击滑槽（10）中冲头冲砸金刚石复合片试件次数的激光感应计数器（11）。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述传动系统采用链传动，电机（2）的输出端设置有一小链轮（3），小链轮（3）通过链条（4）与扇叶轮（6）端部的大链轮（5）相连。

10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述电机（2）为可调速电机。

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