CN104990819B - 一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，包括固定台，固定台一侧设有载物台，载物台一侧固定有试样压板，试样压板用于固定试样，试样与转接头相接触，转接头与力传感器连接，力传感器的另一侧连接压电致动器，压电致动器连接丝杠，压电致动器和丝杠分别通过压电致动器压板、支撑螺母固定在固定台上，向压电致动器施加不同形式、不同空占比、不同频率的电压信号，压电致动器产生相应的冲击力，通过力传感器和转接头施加于试样上。本发明有效解决现有牵引式电磁铁和气动装置实现冲击运动存在的冲击力信号形式单一、空占比固定、频率较低、试验台体积较大的问题。

Description

一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置。

背景技术

涂层刀具广泛用于切削加工，与未涂层刀具相比有效地降低了切削加工时产生的热应力、切削力和刀具摩擦、磨损，显著提高了刀具使用寿命和切削效率。用来测试涂层刀具力学性能的方法很多，其中冲击试验是用来模拟切削过程中工件对涂层刀具的冲击作用，测试涂层刀具的抗冲击性能。

冲击试验中，球形压头以一定频率、一定大小的冲击力连续冲击涂层刀具表面，使涂层刀具表面发生弹性变形甚至塑性变形，涂层刀具表层或亚表层固有的微裂纹和由局部塑性应变集中引起的裂纹在循环应力的作用下发生扩展，最终使涂层刀具失效。通过对涂层刀具表面失效形式、失效区域大小进行分析，可实现对涂层刀具抗冲击性能的评价。

目前用于实现冲击运动的方式主要有牵引式电磁铁和气动装置。牵引式电磁铁产生的冲击力信号形式单一、空占比固定，并且因线圈发热等原因，冲击力大小和频率较低，制造成本较高。气动装置产生的冲击力同样存在信号形式单一、空占比固定、频率较低的特点，需要配备空气压缩机等体积较大装置，被测试刀具体积很小，整个测试系统，极不协调，还存在噪音污染。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，本装置有效解决现有牵引式电磁铁和气动装置实现冲击运动存在的冲击力信号形式单一、空占比固定、频率较低、试验台体积较大的问题，冲击力信号形式、空占比和频率可由信号发生器调节，能够实现较大冲击力，体积小、成本低，适合涂层刀具冲击性能测试。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，包括固定台，固定台一侧设有载物台，载物台一侧固定有试样压板，试样压板用于固定试样，试样与转接头相接触，转接头与力传感器连接，力传感器的另一侧连接压电致动器，压电致动器连接丝杠，压电致动器和丝杠分别通过压电致动器压板、支撑螺母固定在固定台上，向压电致动器施加不同形式、不同空占比、不同频率的电压信号，压电致动器产生相应的冲击力，通过力传感器和转接头施加于试样上。

所述转接头包括压盖、球形压头和压头基座，压盖和压头基座通过螺纹连接，将球形压头固定在压头基座内，方便更换球形压头，球形压头以转接头的形式通过螺纹与力传感器连接，力传感器、压电致动器、丝杠之间的面与面配合通过螺纹连接紧固，通过增加紧固螺母来消除丝杠与支撑螺母在轴向上的间隙。

所述压盖盖面中心有球弧形孔，与球形压头球面配合，压盖后端为螺纹孔，通过螺纹与压头基座连接。所述球形压头可根据需要选用硬质合金、陶瓷、金刚石等硬度较高的材料。

所述压头基座前端面有半球形凹坑，与球形压头球面配合；外侧面为螺纹面，通过螺纹与压盖连接；后端为螺纹柱，通过螺纹与力传感器连接。

所述压电致动器为封装成圆柱状的压电陶瓷，前端为带有内螺纹孔的圆柱，通过螺纹与力传感器连接；后端面有内螺纹孔，通过螺纹与丝杠连接。

所述丝杠前端为螺纹柱，通过螺纹与压电致动器连接；后端带有用于夹持的方形台；丝杠通过支撑螺母固定在工作台上，通过紧固螺母保证丝杠与支撑螺母在轴向无间隙配合。

所述丝杠的转动驱使压电致动器、力传感器和转接头进行轴向运动，调节球形压头与试样之间的距离。

所述载物台侧面有螺纹孔，通过螺栓与试样压板连接；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

所述固定台中间设有压电致动器基座，压电致动器基座上有半圆柱凹坑，与压电致动器圆柱面配合并且避免与丝杠干涉；上平面有螺纹孔，通过螺栓与压电致动器压板连接；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

所述丝杠固定于螺母基座上，螺母基座固定于固定台上，螺母基座上有通孔，与支撑螺母形成过盈配合；侧面有螺纹孔，通过螺栓将支撑螺母固定在螺母基座上；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

所述压电致动器连接有放大器，信号发生器通过放大器连接压电致动器。

本发明的工作原理为：压电致动器为通过机械结构封装成圆柱状的压电陶瓷，压电陶瓷是一种能够将机械能和电能相互转换的信息功能陶瓷材料，在压电陶瓷极化方向上施加电场，压电陶瓷便发生变形，电场去掉后，压电陶瓷的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。封装后的压电陶瓷即压电致动器，在电场的作用下压电陶瓷发生变形使压电致动器前端圆柱发生位移，电场去掉后，圆柱位移消失。

基于压电陶瓷具有逆压电效应的特点，由信号发生器产生的任意电压信号经放大器放大后接到压电致动器上，可使压电致动器前端圆柱产生往复运动。通过固定试样使其阻碍圆柱的往复运动而产生冲击力。调节信号发生器可产生不同形式、不同空占比、不同频率的电压信号，调节放大器可产生不同大小的电压信号，从而使压电致动器产生不同形式、不同空占比、不同频率以及不同大小的冲击力。

压电致动器属于大出力小位移的电子元器件，为消除冲击试验台在轴向上由于面与面之间配合产生间隙而带来压电致动器位移(冲击力)的损失，试样通过试样压板紧固在载物台上，球形压头以转接头的形式通过螺纹与力传感器连接，力传感器、压电致动器、丝杠之间的面与面配合通过螺纹连接紧固，通过增加紧固螺母来消除丝杠与支撑螺母在轴向上的间隙。压电陶瓷为脆性材料，为保证冲击力方向和压电致动器轴向保证一致，通过压电致动器盖板限制压电致动器的径向运动。根据需要选择不同材质的球形压头并将其固定在转接头上，通过转动丝杠可以使压电致动器、力传感器和转接头进行轴向运动，从而调节球形压头与试样之间的距离，方便更换不同厚度的试样。通过调节信号发生器和放大器，可以获得不同形式、不同空占比、不同频率以及不同大小的冲击力。

本发明的有益效果为：

(1)本发明设计牢靠，可靠性高，通过设置压电致动器能够获得信号形式、空占比、频率和大小可调的冲击力；

(2)相比将球形压头镶嵌或焊接到转接头上，通过盖板紧固可根据需要更换球形压头；

(3)可靠的控制压电致动器的轴向位移，消除轴向面与面配合间隙；

(4)本发明结构紧凑，具有体积、噪音小和成本低的特点。

附图说明

图1是用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置示意图；

图2是用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置部件分解示意图；

图3压电致动器、压电致动器及压电致动器压板分解示意图；

图4是丝杠、螺母及螺母基座结构示意图；

图5是转接头剖视图；

图6是转接头分解图。

其中，1.载物台，1a.载物台侧面螺纹孔，1b.载物台底部螺纹孔，2.试样，3.试样压板，4.压盖，4a.压盖盖面中心球弧形孔，4b.压盖后端螺纹孔，5.球形压头，6.压头基座，6a.压头基座前端半球凹坑，6b.压头基座侧面螺纹，6c.压头基座后端螺纹柱，7.力传感器，8.压电致动器压板，9.压电致动器，9a.圆柱，9b.电压信号输入口，9c.内螺纹孔，10.压电致动器基座，10a&10b.压电致动器基座半圆柱凹坑，10c.压电致动器基座顶部螺纹孔，10d.压电致动器基座底部螺纹孔，11.丝杠，11a.丝杠前端螺纹柱，11b.方形台，12.支撑螺母，13.螺母基座，13a.螺母基座通孔，13b.螺母基座侧面螺纹孔，13c.螺母基座底部螺纹孔，14.紧固螺母，15.固定台。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验台，包括工作台(1，10，13，15)，转接头(4～6)与力传感器7连接，压电致动器9分别与力传感器7和丝杠11连接，压电致动器7通过压电致动器压板8和丝杠11通过支撑螺母12及紧固螺母14固定在工作台上。

如图1、图2、图3和图4所示，所述工作台包括载物台1、压电致动器基座10、螺母基座13和固定台15，载物台1、压电致动器基座10和螺母基座13分别通过螺栓与固定台15连接。所述载物台1侧面有两个螺纹孔1a，通过螺栓与试样压板3连接；底部有六个螺纹孔1b，通过螺栓与固定台15连接。所述压电致动器基座10上有半圆柱凹坑10a，与压电致动器圆柱面配合，半圆柱凹坑10b，避免与丝杠11干涉；上平面有两个螺纹孔10c，通过螺栓与压电致动器压板8连接；底部有四个螺纹孔10d，通过螺栓与固定台15连接。所述螺母基座13上有通孔13a，与支撑螺母12形成过盈配合；侧面有六个螺纹孔13b，通过螺栓将支撑螺母12固定在螺母基座13上；底部有六个螺纹孔13c，通过螺栓与固定台15连接。

如图1、图2和图5、图6所示，所述转接头(4～6)包括压盖4、球形压头5和压头基座6，压盖4和压头基座6通过螺纹连接，将球形压头5固定在压头基座6内，方便更换球形压头5。所述压盖4盖面中心有球弧形孔4a，与球形压头球面配合；后端为螺纹孔4b，通过螺纹与压头基座连接。所述球形压头5可根据需要选用硬质合金、陶瓷、金刚石等硬度较高的材料。所述压头基座6前端面有半球形凹坑6a，与球形压头球面配合；外侧面为螺纹面6b，通过螺纹与压盖连接；后端为螺纹柱6c，通过螺纹与力传感器连接。

如图1、图2和图3所示，所述压电致动器9为封装成圆柱状的压电陶瓷，前端为带有内螺纹孔的圆柱9a，通过螺纹与力传感器7连接；后端设有电压信号输入接口9b；后端面有内螺纹孔9c，通过螺纹与丝杠11连接。

如图1、图2和图4所示，所述丝杠11前端为螺纹柱11a，通过螺纹与压电致动器9连接；后端带有用于夹持的方形台11b；丝杠11通过支撑螺母12固定在工作台上，通过紧固螺母14保证丝杠11与支撑螺母12在轴向无间隙配合。

试样2在试样压板3的作用下紧固在载物台上，通过转动丝杠11可以使压电致动器9、力传感器7和转接头(4～6)进行轴向运动，从而调节球形压头5与试样2之间的距离，方便更换不同厚度的试样2。通过调节信号发生器和放大器，经电压信号输入接口9b将电压信号施加到压电致动器9上，可以获得不同形式、不同空占比、不同频率以及不同大小的冲击力。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：包括固定台，固定台一侧设有载物台，载物台一侧固定有试样压板，试样压板用于固定式样，试样与转接头相接触，转接头与力传感器连接，力传感器的另一侧连接压电致动器，压电致动器连接丝杠，压电致动器和丝杠分别通过压电致动器压板、支撑螺母固定在固定台上，向压电致动器施加不同形式、不同空占比、不同频率的电压信号，压电致动器产生相应的冲击力，通过力传感器和转接头施加于试样上；

所述转接头包括压盖、球形压头和压头基座，压盖和压头基座通过螺纹连接，将球形压头固定在压头基座内，方便更换球形压头，球形压头以转接头的形式通过螺纹与力传感器连接，力传感器、压电致动器、丝杠之间的面与面配合通过螺纹连接紧固，通过增加紧固螺母来消除丝杠与支撑螺母在轴向上的间隙。

2.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述压盖盖面中心有球弧形孔，与球形压头球面配合，压盖后端为螺纹孔，通过螺纹与压头基座连接。

3.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述压头基座前端面有半球形凹坑，与球形压头球面配合；外侧面为螺纹面，通过螺纹与压盖连接；后端为螺纹柱，通过螺纹与力传感器连接。

4.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述压电致动器为封装成圆柱状的压电陶瓷，前端为带有内螺纹孔的圆柱，通过螺纹与力传感器连接；后端面有内螺纹孔，通过螺纹与丝杠连接。

5.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述丝杠前端为螺纹柱，通过螺纹与压电致动器连接；后端带有用于夹持的方形台；丝杠通过支撑螺母固定在工作台上，通过紧固螺母保证丝杠与支撑螺母在轴向无间隙配合，丝杠的转动驱使压电致动器、力传感器和转接头进行轴向运动，调节球形压头与试样之间的距离。

6.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述载物台侧面有螺纹孔，通过螺栓与试样压板连接；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

7.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述固定台中间设有压电致动器基座，压电致动器基座上有半圆柱凹坑，与压电致动器圆柱面配合并且避免与丝杠干涉；上平面有螺纹孔，通过螺栓与压电致动器压板连接；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

8.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述丝杠固定于螺母基座上，螺母基座固定于固定台上，螺母基座上有通孔，与支撑螺母形成过盈配合；侧面有螺纹孔，通过螺栓将支撑螺母固定在螺母基座上；底部有螺纹孔，通过螺栓与固定台连接。

9.如权利要求1所述的一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，其特征是：所述压电致动器连接有放大器，信号发生器通过放大器连接压电致动器。