一種小載荷表面劃痕測試裝置的製作方法
2023-06-01 14:53:46 1
專利名稱：一種小載荷表面劃痕測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及碳基薄膜的表面機械性能測試領域，更具體地說，涉及一種小載荷表面劃痕測試裝置。
背景技術：
近年來，以碳基薄膜為代表的納米薄膜以其優異的高硬度、低摩擦係數等機械性 能，作為理想的耐磨保護塗層以及固體潤滑劑，在機械、電子、磁介質保護和醫學領域獲得 廣泛的應用，引起了研究者的關注。目前，對碳基薄膜的機械性能評價方法主要有大載荷表面劃痕儀、AFM納米劃痕裝 置、以及摩擦磨損實驗等多種方法，雖然這些分析方法能夠相對準確地給出被測試材料的 性能評價，但是往往存在耗時較多、價格昂貴、測試方法複雜等缺點，在尋找最佳薄膜製備 參數時，無法滿足快速評價要求，特別是對幾百個納米厚度的高硬度薄膜的測試中，使用直 接壓入薄膜施加載荷的大載荷表面劃痕儀和通過電磁感應施加載荷的AFM納米劃痕儀，由 於其載荷範圍的限制，以及摩擦磨損實驗測試時間的限制，都無法對用碳基薄膜的機械性 能實現快速準確的測試。
發明內容
基於上述原因，本發明的目的在於提出一種小載荷(10mg-20g)表面劃痕測試裝 置，它能夠通過調節傳感器內彈簧剛度和預變形來控制加載在被刻劃表面上的刻劃力的大 小，通過調節一維自動位移臺來調節刻劃速度；能夠配合表面形貌儀測量劃痕深度，實現快 速準確地測試被刻劃表面的劃痕狀況。為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案予以實現。一種小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，包括表面形貌儀，試驗臺，設置在試 驗臺上的一維自動位移臺，固定在一維自動位移臺上的試樣夾持臺，以及設置在試驗臺上 並位於一維自動位移臺兩側的用於夾持表面形貌儀的第一三維手動平移臺和用於夾持刻 劃裝置的第二三維手動平移臺；所述刻劃裝置包含金屬直梁，垂直固定在金屬直梁前端的 刻劃頭，兩端分別固定在金屬直梁中後部的金屬薄片，貼敷在金屬薄片上的用於測量刻劃 頭正壓力的電阻應變片，固定在金屬薄片前部的固定件，固定件的後端固定連接第二三維 手動平移臺，固定件的前部設置頂壓金屬直梁的彈簧和螺釘。本發明的進一步改進和特點在於所述固定件的後端通過柔性連接部件固定連接 第二三維手動平移臺，所述柔性連接部件包含金屬基座，一端嵌有彈簧片的塑料連結頭，以 及過渡插件和金屬插頭；所述塑料連結頭的另一端依次串聯插接的過渡插件、和金屬插頭 以及所述固定件的後端；所述金屬基座的一端與第二三維手動平移臺固定，另一端與所述 彈簧片固定連接。所述固定件上設置有用於保護金屬直梁中後部和金屬薄片的金屬圓筒。所述固定件上設置有用於保護金屬直梁前部的細套管和保護刻劃頭金的套頭，所述套頭通過膠水粘接在細套管前端。所述電阻應變片通過數據採集卡接入一計算機，所述計算機控制一維自動位移臺。所述刻劃頭為金剛石頭。本發明小載荷表面劃痕測試裝置，其突出的有益效果如下可以通過調節彈簧和螺釘，彈簧的初始變形改變刻劃時金剛石頭和被測試表面之間的壓力；可以通過調節第 二三維手動位移臺，使金剛石頭和被測試表面之間的接觸壓力固定在系統設計的值，將操 作人和實驗環境對是實驗結果的影響降到最低，同時柔性連接部件的存在可以防止套頭部 分破壞被測試表面；可以通過金屬薄片上的電阻應變片記錄刻划過程中在金剛石頭與被測 試表面間壓力的微小變化，從而得到被測試表面劃痕的大致狀況；可以通過表面形貌儀對 被測試表面劃痕深度進行的測量，得到被測試磨損的詳細狀況，預測出被測試樣的壽命，對 被測試樣做出準確的評價；可以通過控制一維自動位移臺的往復運動參數，設定不同的刻 劃速度；同時本發明採用計算機採集電阻應變片的測量數據和控制控制一維自動位移臺的 往復運動參數。因此，本發明的裝置能夠較快速的測試出被測試樣的磨損壽命，適應實現快 速評價被測試表面性能要求，而且成本較低。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1本發明的一種小載荷表面劃痕測試裝置的結構示意圖；圖2為安裝有一維 自動平移臺的試驗臺結構示意圖；圖3為試樣夾持臺的結構示意圖；圖4為刻劃裝置部分 的爆炸視圖；圖5為柔性夾具結構示意圖；圖中1、為試驗臺；2、一維自動位移臺；201、步 進電機；202、基座；203、絲杆；204、移動平臺；3、試樣夾持臺；301、基板；302活動板；4、第 二三維手動位移臺；5、刻劃裝置；501、固定件；502、金屬直梁；503、金屬薄片；504、電阻應 變片；505、彈簧；506、螺釘；507、細套管；508、刻劃頭；509、套頭；510、金屬圓筒；511、金屬 插頭；512、過渡插件；6、柔性夾具；601、金屬基座；602、塑料連結頭；603、彈簧片；7、剛性 夾具；8、第一三維手動位移臺；9、表面形貌儀器。
具體實施方案參照圖1，為本發明的一種小載荷表面劃痕測試裝置，主要包括試驗臺1，一維自 動位移臺2，試樣夾持臺3，第二三維手動位移臺4，刻劃裝置5，柔性夾具6，夾持柔性夾具6 的剛性夾具7，第一三維手動位移臺8，表面形貌儀器9。一維自動位移臺1設置在試驗臺 上，一維自動位移臺上固定試樣夾持臺3 ；設置在試驗臺1上的用於夾持表面形貌儀9的第 一三維手動平移臺8和用於夾持刻劃裝置5的第二三維手動平移臺4分別位於一維自動位 移臺2兩側。第二三維手動平移臺4具體通過固定剛性夾具7，剛性夾具7夾持柔性夾具 6，柔性夾具6連接刻劃裝置5來實現。參照圖2，一維自動位移臺2主要包括固定在基座202的步進電機201，與步進電 機201軸相連接的絲杆203，與絲杆203通過螺紋連接的移動平臺204。試驗臺1表面開設 有用於動平臺204 —維直線運動的導槽，因此，步進電機201通過絲杆203轉動，可以帶動 移動平臺204直線運動。
結合圖3，試樣夾持臺3包括通過螺栓固定在一維自動位移臺2上的基板301，以及可以再基板301上調節位置的活動板302。試樣放在基板301和活動板302間，通過調節 活動板302，將試樣固定在合適的位置。參照圖4，刻劃裝置5主要包含固定件501，金屬直梁502，垂直固定在金屬直梁 502前端的刻劃頭508，兩端分別固定在金屬直梁502中後部的金屬薄片503，貼敷在金屬薄 片503上的用於測量刻劃頭508正壓力的電阻應變片504，固定件501的前部設置有頂壓金 屬直梁502的彈簧505和螺釘506。金屬薄片503前部固定在固定件501，固定件501的後
端固定連接第二三維手動平移臺4。電阻應變片504用來測量刻劃頭(金剛石頭)508和被測試表面間的正壓力，金屬 直梁502的前端通過螺紋連接固定著刻劃頭508，彈簧505和螺釘506用來調節初始刻劃 載荷；細套管507通過螺釘固定在固定件501前端用來保護金屬直梁502的前部，套頭509 用膠水連結在細套管507端部用來保護金剛石頭，金屬圓筒510通過螺釘固定在固定件501 用來保護金屬直梁502中後部和金屬薄片503。刻劃裝置5前段套頭509的存在減小了小 載荷刻划過程中的振動影響，並實現了金剛石頭的保護。結合圖1、4、5，固定件501的後端具體通過柔性連接部件、剛性夾具7固定連接第 二三維手動平移臺4。柔性連接部件包含由金屬基座601，一端嵌有彈簧片603的塑料鏈 接頭602組成的柔性夾具，以及由過渡插件512、塑料插頭511組成連接插件。塑料連結頭 的另一端依次串聯插接的過渡插件512、和金屬插頭511以及所述固定件501的後端；金屬 基座601的一端與彈簧片603固定連接，另一端固定在剛性夾具7的一端，剛性夾具7的另 一端與第二三維手動平移臺4固定。應變片504的信號通過數據採集卡接入計算機，實時記錄；計算機實時控制一維 自動位移臺2的步進電機201，實現自動刻劃試樣表面；表面形貌儀測量記錄劃痕深度。採用上述小載荷表面劃痕測試裝置的試驗過程說明如下(1)試樣固定測試前， 將試樣放置在試樣夾持臺3上，通過調節試樣夾持臺3上的活動板303將試樣固定在適當 的位置。(2)載荷速度設定測試前，通過調節刻劃裝置傳5的彈簧505和螺釘506設定刻劃 試驗中的所需要的載荷。同時將電阻應變片504的信號通過數據採集板接入計算機，並設 定步進電機轉速，設置合適的刻劃速度。(2)刻劃試驗通過調節第二三維手動移動臺4使刻劃傳裝置5的套頭509剛剛壓 到被測試表面上，啟動一維往復自動位移臺運動，金剛石頭開始刻劃被測試表面，同時記錄 在刻划過程中金剛石頭與被測試表面間壓力的微小變化值。根據壓力變化情況來判斷被測 試表面的磨損情況。(3)劃痕深度測量調節第二三維手動移動臺4移開刻劃裝置，調節第一三維手動 移動臺8至合適位置，使表面形貌儀能夠掃描到刻劃痕跡，同時注意使劃痕方向和形貌儀 器掃描方向垂直，根據形貌儀掃描結果定量判斷被測試表面磨損情況，從而完成一次刻劃試驗。(4)重複測量調節第一二三維手動移動臺8移開表面形貌儀，更換新的試樣或通 過調節第二三維手動位移臺4更換試樣的刻劃位置，完成多次測量。
權利要求
一種小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，包括表面形貌儀(8)，試驗臺(1)，設置在試驗臺(1)上的一維自動位移臺(2)，固定在一維自動位移臺(2)上的試樣夾持臺(3)，以及設置在試驗臺(1)上並位於一維自動位移臺(2)兩側的用於夾持表面形貌儀的第一三維手動平移臺(8)和用於夾持刻劃裝置(5)的第二三維手動平移臺(4)；所述刻劃裝置(5)包含金屬直梁(502)，垂直固定在金屬直梁(502)前端的刻劃頭(508)，兩端分別固定在金屬直梁(502)中後部的金屬薄片(503)，貼敷在金屬薄片(503)上的用於測量刻劃頭正壓力的電阻應變片(504)，固定在金屬薄片(503)前部的固定件(501)，固定件(501)的後端固定連接第二三維手動平移臺(4)，固定件(501)的前部設置頂壓金屬直梁的彈簧(505)和螺釘(506)。
2.根據權利要求1所述的小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，所述固定件(501) 的後端通過柔性連接部件固定連接第二三維手動平移臺(4)，所述柔性連接部件包含金屬 基座(601)，一端嵌有彈簧片(603)的塑料連結頭(602)，以及過渡插件(512)和金屬插頭 (511)；所述塑料連結頭(602)的另一端依次串聯插接的過渡插件(512)和金屬插頭(511) 以及所述固定件(501)的後端；所述金屬基座(601)的一端與第二三維手動平移臺(4)固 定，另一端與所述彈簧片(603)固定連接。
3.根據權利要求1所述的小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，所述固定件(501)上 設置有用於保護金屬直梁(502)中後部和金屬薄片(503)的金屬圓筒(510)。
4.根據權利要求1所述的小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，所述固定件上設置 有用於保護金屬直梁(502)前部的細套管(507)和保護刻劃頭(508)的套頭(509)，所述套 頭(509)通過膠水粘接在細套管(507)前端。
5.根據權利要求1所述的小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，所述電阻應變片 (504)通過數據採集卡接入一計算機，所述計算機控制一維自動位移臺(2)。
6.根據權利要求1所述的小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，所述刻劃頭(508)為 金剛石頭。
全文摘要
本發明涉及碳基薄膜的表面機械性能測試領域，更具體地說，公開了一種小載荷表面劃痕測試裝置，其特徵在於，包括表面形貌儀(8)，試驗臺(1)，設置在試驗臺(1)上的一維自動位移臺(2)，固定在一維自動位移臺(2)上的試樣夾持臺(3)，以及設置在試驗臺(1)上並位於一維自動位移臺(2)兩側的用於夾持表面形貌儀的第一三維手動平移臺(8)和用於夾持刻劃裝置(5)的第二三維手動平移臺(4)。
文檔編號G01N3/56GK101825542SQ20101017943
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月21日 優先權日2010年5月21日
發明者刁東風, 裴新志 申請人:西安交通大學