CN209656427U - 一种硬质薄膜协同变形施加装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种硬质薄膜协同变形施加装置，该装置的组成包括底座和支撑架、压力施加模块、安装试样模块和压力传感模块；支撑架由正方形端盖和4根支撑柱组成；4根支撑柱的上端分别固定在正方形端盖的下端面的四角，4根支撑柱的下端固定在底座上；所述的支撑架的顶部端盖的中心开有圆孔；所述的施加压力模块的组成包括施力螺杆、六角螺母和圆形手柄；所述的安装试样模块的组成包括拉伸弹簧、U型槽和试样固定圆柱；所述的压力传感模块的组成包括压力传感器和传感器螺杆。本实用新型结构简单，成本低廉，操作方便，可以模拟零件在装配过程中的变形过程。

Description

一种硬质薄膜协同变形施加装置

技术领域

本实用新型涉及硬质薄膜结合强度测试领域，特别是对薄膜在装配或服役过程中随基体协同变形的零件。

背景技术

薄膜与基体的界面结合强度是决定薄膜是否能进行工程应用的重要因素，特别是对于硬质薄膜，虽然硬度较高，但韧性相对较低，且热胀系数与基体相差较大，如果工件在受热、服役和装配等过程中发生变形，沉积在工件表面的薄膜容易剥落，失去耐磨和减磨功能，造成设备不正常运转，产生噪声和卡顿。

现有的测试硬质薄膜与基体界面结合强度的试验方法有很多，如压痕法、划痕法、拉伸法和喷丸法等。压痕法和划痕法为最常用的两种方法，其中压痕法使用洛氏硬度计进行加载，压头为圆形或四棱锥型，载荷1471N，加载后用100倍的光学显微镜进行观察，观察是否引起压痕边缘相邻的膜层破坏，根据破坏的程度对薄膜的结合强度进行评级，如果边缘整齐，没有剥离的痕迹，说明薄膜与基体结合强度较好，该方法虽然简单易操作，但加载为固定值加载，因此只能对结合强度进行定性的评估，难以精确测定临街载荷，在实际生产中使用较多。

划痕法作为另一种常用的薄膜与基体界面强度测试方法，具有操作简单、直观、可量化的有点，目前在硬质薄膜的科学研究中具有重要的应用，且国内外生产和研制了多种型号的划痕试验机，且已形成行业标准。其原理是使用特定的金刚石锥角压头，不断增加载荷，保持压头匀速直线划刻薄膜直至薄膜破坏，通过监测整个过程中声发射信号或摩擦力信号变化标定出薄膜破坏时的临界载荷值Lc，严格意义上在整个划移过程中可分为三个阶段：一是薄膜内出现少量裂纹阶段，摩擦力和声发射信号较平稳；二是裂纹横向扩展阶段，划痕边缘出现薄膜剥落，摩擦力和声信号突变，产生失效临界载荷Lc；三是压头与基体接触，基体塑性变形，摩擦力和声发射信号缓和。但该方法是由条件限制的，只有当薄膜的抗剪切强度大于薄膜与基体的结合强度时才具有实际意义，当薄膜相对硬度较低(纳米硬度≤10GPa，厚度≤5μm，层状润滑薄膜)，剪切强度小时，划痕法测试中声信号和摩擦力曲线没有突变点，没有临界载荷Lc，因此无法进行定量分析。

因此，对于该类剪切强度较小的薄膜如何有效的测量薄膜与基体的结合强度是薄膜测试过程中的难题，虽然在实际生产和工程应用中前几种方法可以有效评估薄膜的结合强度，但对科学研究并不能给出定量分析，研究和开发更简便、有效和准确的薄膜与基体界面结合强度的装置和方法，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的为针对当前剪切强度较小的硬质薄膜无法测量结合强度的问题，提供了一种薄膜协同基体变形施加装置。该装置使用拉力弹簧和固定圆柱来固定片状试样，抛光的圆柱表面在试样弯曲收缩的过程中不会划表面的薄膜，并且可根据被测试样的弯曲强度调整拉力弹簧的量程，使被测试样处于紧固状态，在变形过程中避免被测样品在大的变形下出现两边向中间隆起导致的形变不均匀，确保形变后的试样与正下方的支撑物外轮廓贴合度良好，有效模拟实际零件的装配工况。并且加载过程为手动连续加载，底部有压力传感器，可实时显示加载力。

本实用新型的技术方案为：

一种硬质薄膜协同变形施加装置，该装置的组成包括底座和支撑架、施加压力模块、安装试样模块和压力传感模块；

所述的底座为正方形板材；支撑架由正方形端盖和4根支撑柱组成；4根支撑柱的上端分别固定在正方形端盖的下端面的四角，4根支撑柱的下端固定在底座上；所述的支撑架的顶部端盖的中心开有带螺纹的圆孔；底座和正方形端盖的中心相同；

所述的施加压力模块的组成包括施力螺杆、六角螺母和圆形手柄；圆形手柄通过六角螺母固定在施力螺杆的顶端；施力螺杆通过外侧的螺纹安装在支撑架的顶部端盖的圆形螺孔上，上方与圆形手柄连接，下方与安装试样模块顶部连接；

所述的安装试样模块的组成包括拉伸弹簧、U型槽和试样固定圆柱；

所述的U型槽是由前壁、后壁和顶板组成的正方体，顶板的上端与施加压力模块中的施力螺杆的底端固连；前壁、后壁的左右两侧各固定有一个固定螺钉；每个螺钉上均悬挂有一个拉伸弹簧；前壁和后壁的下端，各有一个试样固定圆柱，每个试样固定圆柱的两端均固定有一个固定螺钉，其上部对应的拉伸弹簧的下端与该固定螺钉相连；

所述的压力传感模块的组成包括压力传感器和传感器螺杆，传感器螺杆通过螺纹连接固定在底座的中心的圆孔上，压力传感器固定在传感器螺杆的顶部。

本实用新型与现有技术相比的优点和产生的积极效果。

本实用新型结构简单，成本低廉，操作方便，可以模拟零件在装配过程中的变形过程，特别适用于模拟自润滑关节轴承在装配成形时外圈的变形，夹取式样的弹簧可适应0～5mm不同厚度的式样，且在加载变形过程中不会脱落，底部支撑槽可放置不同形状的支撑物，最终通过制样和截面观察，可用薄膜的剥落比例来半定量的评定薄膜的结合强度，完善硬质薄膜中硬度和膜厚相对较低的薄膜结合强度的测试。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为安装试样模块结构示意图；

其中，1底座；2支撑架；3拉伸弹簧；4固定螺钉；5施力螺杆；6六角螺母；7圆形手柄；8 U型槽；9试样固定圆柱；10压力传感器；11传感器螺杆；

具体实施方式

本实用新型所述的硬质薄膜协同变形施加装置如图1所示，该装置的组成包括底座1和支撑架2、施加压力模块、安装试样模块和压力传感模块；

所述的底座1为正方形板材；支撑架2由正方形端盖和4根支撑柱组成；4根支撑柱2的上端分别固定在正方形端盖的下端面的四角，4根支撑柱2的下端固定在底座1上；所述的支撑架2的顶部端盖的中心开有带螺纹的圆孔；底座1和正方形端盖的中心相同；

所述的施加压力模块的组成包括施力螺杆5、六角螺母6和圆形手柄7；圆形手柄7通过六角螺母6固定在施力螺杆5的顶端；施力螺杆5通过外侧的螺纹安装在支撑架2的顶部端盖的圆形螺孔上，上方与圆形手柄连接，下方与安装试样模块顶部连接；

所述的安装试样模块的组成如图2所示，包括拉伸弹簧3、U型槽8和试样固定圆柱9；所述的U型槽8是由前壁、后壁和顶板组成的正方体，顶板的上端与施加压力模块中的施力螺杆5的底端固连；前壁、后壁的左右两侧各固定有一个固定螺钉4；每个螺钉上均悬挂有一个拉伸弹簧3；前壁和后壁的下端，各有一个试样固定圆柱9，每个试样固定圆柱9的两端均固定有一个固定螺钉4，其上部对应的拉伸弹簧3的下端与该固定螺钉4相连；

所述的压力传感模块的组成包括压力传感器10和传感器螺杆11，传感器螺杆11通过螺纹连接固定在底座1的中心的圆孔上，压力传感器10由中皖金诺公司生产，型号为JHBM-H1，固定在传感器螺杆11的顶部；

所述的施加压力模块中，施力螺杆规格为M20，长度55mm，六角螺母外径18mm，厚度10mm，位于圆形手柄上方中心位置，圆形手柄直径为50mm，厚度5mm，边缘加工防滑纹路，圆形手柄中心与施力螺杆轴向中心重合；

所述的安装试样模块中，8个拉伸弹簧的外径5mm，长度15mm，固定螺丝规格为M5.0，长度10mm，共8个，上方一对螺丝固定，下方一对螺丝可上下移动，固定圆柱地面半径2.5mm，长度30mm，表面抛光，共2个，U型槽的外尺寸45mm，内槽宽35mm，槽深35mm；

所述的压力传感模块中，压力传感器直径25mm，高度22mm，量程为≤200kg，受力方向为垂直圆心向下，传感器螺杆规格为M20，长度15mm，固定在传感器正下方，可供调节传感器高度；底座1和支撑架2为整体框架，底座长宽高为130mm×130mm×20mm，支撑架长宽高为10mm×10mm×120mm，共4根，分别焊接在底座的四个角上，不可拆卸。

支撑架2顶部端盖中心和安装试样模块顶部的中心分别有规格为M20的螺纹孔，施力螺杆5用于连接施加压力模块和安装试样模块，可通过施力螺杆5的旋转来调节安装试样模块的高度，底座1中心设计有螺纹孔，用于装配传感器螺杆11，传感器螺杆上装有压力传感器 10，通过螺杆的旋转，调节压力传感器高度，压力传感器正上方有凹槽，可以放置圆形支撑物，待测样品向下移动过程中，中心部位接触圆形支撑物，产生变形，随移动距离的增大，待测样品的变形量也增大。

在规格为厚度≤6mm，宽度≤20mm，长度≥40mm的基片上制备硬质薄膜，将安装式样模块两侧的式样固定圆柱9垂直向下拉开，拉伸弹簧3被拉伸，出现空间后，水平插入试样。，松开试样固定圆柱，检查待测式样是否夹紧并处于待测中心，随后在压力传感器上可放置不同形状的支撑物，顺时针手动旋转圆形手柄7，安装试样模块整体下降，使待测试样向下移动，接触传感器上方的圆形支撑物，传感器显示数或确认有明显接触即可，如果待测试样较厚或刚度较高，无法徒手选装圆形手柄7时，可用扳手旋转六角螺母6来进行加载，待测式样受力弯曲时，表面的薄膜也随基体产生协同变形，水平式样呈现一定曲率，压力传感器11 有示数。通常情况下薄膜的厚度不超过20μm，相比待测基体厚度1-5mm，在测试时可以忽略基体表面薄膜对基体变形过程中的阻力作用，在相同材料和尺寸的集体上制备的薄膜若进行对比，可直接根据压力传感的示数进行判断，传感器示数相同时，代表待测试样曲率相同，既变形程度相同。随后取出试样，进行切割和制样，观察截面是否有薄膜与基体剥落现象。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

Claims (1)

1.一种硬质薄膜协同变形施加装置，其特征为该装置的组成包括底座和支撑架、施加压力模块、安装试样模块和压力传感模块；

所述的底座为正方形板材；支撑架由正方形端盖和4根支撑柱组成；4根支撑柱的上端分别固定在正方形端盖的下端面的四角，4根支撑柱的下端固定在底座上；所述的支撑架的顶部端盖的中心开有带螺纹的圆孔；底座和正方形端盖的中心相同；

所述的施加压力模块的组成包括施力螺杆、六角螺母和圆形手柄；圆形手柄通过六角螺母固定在施力螺杆的顶端；施力螺杆通过外侧的螺纹安装在支撑架的顶部端盖的圆形螺孔上，上方与圆形手柄连接，下方与安装试样模块顶部连接；

所述的安装试样模块的组成包括拉伸弹簧、U型槽和试样固定圆柱；

所述的U型槽是由前壁、后壁和顶板组成的正方体，顶板的上端与施加压力模块中的施力螺杆的底端固连；前壁、后壁的左右两侧各固定有一个固定螺钉；每个螺钉上均悬挂有一个拉伸弹簧；前壁和后壁的下端，各有一个试样固定圆柱，每个试样固定圆柱的两端均固定有一个固定螺钉，其上部对应的拉伸弹簧的下端与该固定螺钉相连；

所述的压力传感模块的组成包括压力传感器和传感器螺杆，传感器螺杆通过螺纹连接固定在底座的中心的圆孔上，压力传感器固定在传感器螺杆的顶部。