CN211904972U - 一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高通量划痕‑往复摩擦磨损试验装置，该装置包括基座、带多工位磨头盘系统的可移动多功能机头、样品夹持器系统、样品往复‑划痕平台、样品位移平台、数据采集系统以及计算机系统。基座上分别设有样品位移平台和支撑杆；样品位移平台上设有样品往复‑划痕平台，该样品往复‑划痕平台上设有样品夹持器系统；支撑杆与可移动多功能机头相连，该可移动多功能机头位于样品夹持器系统中样品的正上方；可移动多功能机头、样品夹持器系统、样品往复‑划痕平台、样品位移平台分别经数据采集系统与计算机系统相连。本实用新型单次装卡样品可实现多个涂层试样测试涂层结合所述力、摩擦系数和耐磨性能。

Description

一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置

技术领域

本实用新型涉及材料基因研究中高通量涂层结合力及摩擦磨损性能的测试技术领域，尤其涉及一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置。

背景技术

材料表面性能研究对国防科技、高端装备、新材料等领域的发展具有重要的推动作用，涂层材料涉及航空航天、汽车工业、工具模具、仪器仪表、建筑装饰、生物医疗等各个方面，涂层产品的各项机械性能指标是供需双方关注的首要问题。如何快速获取涂层材料的各项机械性能数据，加快新型涂层材料的研发进度，降低检测成本，满足快速增长的涂层产业需求成为了国内外争相研究的热点。

目前，传统的涂层结合力或摩擦学性能检测设备都是单一检测功能的，一次装卡仅能实现一个样品的某一机械性能的测试，在检测多个样品时过程大多繁琐而漫长，花费的时间甚至数以天计。例如，传统的摩擦实验机多采用固定机头设计，在重复进行检测时一般需要更换摩擦副或重新装卡样品，严重降低了检测效率，无法应对未来的高通量材料性能分析检测任务。因此，亟需一种高通量划痕-往复摩擦试验装置缩短检测时间，提高检测效率，满足涂层研发过程中大量而繁杂的检测任务。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能测试涂层结合力、摩擦系数和耐磨性能的高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置。

为解决上述问题，本实用新型所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：该装置包括基座、带多工位磨头盘系统的可移动多功能机头、样品夹持器系统、样品往复-划痕平台、样品位移平台、数据采集系统以及计算机系统；所述基座上分别设有所述样品位移平台和支撑杆；所述样品位移平台上设有所述样品往复-划痕平台，该样品往复-划痕平台上设有所述样品夹持器系统；所述支撑杆与所述可移动多功能机头相连，该可移动多功能机头位于所述样品夹持器系统中样品的正上方；所述可移动多功能机头、所述样品夹持器系统、所述样品往复-划痕平台、所述样品位移平台分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

所述可移动多功能机头包括与所述支撑杆相连的悬臂梁和多工位磨头盘；所述悬臂梁的中部设有轴承转动装置Ⅰ，一侧通过沿Z轴设置的滑轨与所述支撑杆相连；所述悬臂梁的底部一端设有与所述多工位磨头盘相连的加载杆，其另一端设有与所述滑轨相连的驱动电机Ⅴ，该驱动电机Ⅴ与所述悬臂梁之间设有加载力传感器；所述多工位磨头盘位于所述样品的上方；所述加载杆前方的所述悬臂梁上分别设有摩擦力传感器和声发射传感器；所述加载力传感器、所述驱动电机Ⅴ、所述摩擦力传感器和所述声发射传感器分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

所述多工位磨头盘的中心设有带驱动电机Ⅰ的轴承转动装置Ⅱ，且该多工位磨头盘沿圆周方向均布有数个带内螺纹的工位；所述工位上连有带外螺纹的划针或接触头，该划针或接触头位于所述样品的正上方。

所述接触头由连接在一起的带有所述外螺纹的顶杆和套筒组成；所述套筒内设有摩擦副。

所述样品夹持器系统包括底板及置于所述底板上的边框板、支撑垫块Ⅰ和固定所述样品的支撑板Ⅰ；所述边框板与所述支撑垫块Ⅰ之间的所述底板上设有驱动电机Ⅱ，该驱动电机Ⅱ的驱动轴连有曲柄连杆，该曲柄连杆的一端固定在所述支撑板Ⅰ上；所述支撑垫块Ⅰ与所述支撑板Ⅰ之间设有沿X轴设置的滑动导轨；所述驱动电机Ⅱ通过螺栓Ⅰ经定位孔与所述样品往复-划痕平台相连；所述支撑板Ⅰ上设有位移传感器Ⅰ，该位移传感器Ⅰ与所述驱动电机Ⅱ分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

所述样品往复-划痕平台包括上盖板和下垫板；所述上盖板上设有定位孔，并通过该定位孔与所述样品夹持器系统中的驱动电机Ⅱ相连；所述下垫板上固定有数个支撑垫块Ⅱ，该数个支撑垫块Ⅱ与所述上盖板之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅰ相连；所述上盖板的底部一侧固定有一个支撑垫块Ⅲ，该支撑垫块Ⅲ与所述下垫板之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅱ相连；所述支撑垫块Ⅲ的一侧设有与所述往复导轨Ⅱ相连的驱动电机Ⅲ，该驱动电机Ⅲ与所述上盖板通过螺栓Ⅱ紧固；所述下垫板通过紧固螺栓固定在所述样品位移平台上；所述上盖板上设有位移传感器Ⅱ，该位移传感器Ⅱ与所述驱动电机Ⅲ分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

所述样品位移平台包括固定在所述基座上的平台底座及置于所述平台底座顶部的往复滑动轨道；所述往复滑动轨道的顶部设有线性模块，其一侧连有驱动电机Ⅳ；所述驱动电机Ⅳ的驱动轴与所述线性模块相连，该线性模块通过定位螺孔与所述样品往复-划痕平台中的下垫板相连；所述线性模块上设有位移传感器Ⅲ，该位移传感器Ⅲ与所述驱动电机Ⅳ分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型中设有带多工位磨头盘系统的可移动多功能机头，可实现摩擦副或划针的自由转换，从而解决传统设备单一摩擦副或划针拆卸更换的问题。

2、本实用新型中设有样品夹持器系统，可实现多个涂层试样或单个大尺寸范围试样的加持固定，解决传统设备多次加持或单个小尺寸范围样品加持的问题。

3、本实用新型中设有样品往复-划痕平台，可以实现同台设备涂层样品往复摩擦和划痕测试的评价，解决传统设备单一测试的问题。

4、本实用新型中设有样品位移平台，可以实现大尺寸范围涂层结合力或摩擦性能的评价，解决了传统设备评估性能尺寸限制的问题。

5、本实用新型中设有加载杆、加载力传感器，可实现长时间、高稳定的加载力的精确控制。

6、本实用新型中设有摩擦力传感器、位移传感器以及摩擦副接触头，因此，可以进行摩擦系数和耐磨性能的测试。

7、本实用新型中设有摩擦力传感器和声发射传感器以及划针、位移传感器，因此，可以进行涂层结合力的测试。

8、采用本实用新型，单次装卡样品可实现多个涂层试样不同条件的结合力的划痕法测试表征；同时，可实现多个涂层试样在往复摩擦条件下的摩擦系数和耐磨性能的评价，解决了现阶段涂层检测功能单一、过程繁琐，无法应对材料基因工程中大量而繁杂的检测任务的问题，从而为材料基因组学研究提供了高效、稳定的测试技术。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的三维结构示意图。

图2为本实用新型中多功能机头部分的三维结构示意图。

图3为本实用新型中样品夹持器系统的三维结构示意图。

图4为本实用新型中样品往复-划痕平台的三维结构示意图。

图5为本实用新型中样品位移平台的三维结构示意图。

图中：1-可移动多功能机头；111-摩擦力传感器；12-轴承转动装置Ⅰ；14-悬臂梁；15-驱动电机Ⅴ；2-多工位磨头盘系统；21-接触头；22-轴承转动装置Ⅱ；23-驱动电机Ⅰ；24-多工位磨头盘；25-加载杆；3-样品夹持器系统；31-曲柄连杆；32-驱动电机Ⅱ；33-边框板；34-支撑垫块Ⅰ；35-支撑板Ⅰ；4-样品往复-划痕平台；41-驱动电机Ⅲ；42-上盖板；43-下垫板；44-定位孔；45-支撑垫块Ⅱ；46-支撑垫块Ⅲ；5-样品位移平台；51-驱动电机Ⅳ、52-线性模块；53-往复滑动轨道；6-基座；7-支撑杆。

具体实施方式

如图1~5所示，一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，该装置包括基座6、带多工位磨头盘系统2的可移动多功能机头1、样品夹持器系统3、样品往复-划痕平台4、样品位移平台5、数据采集系统以及计算机（含软件）系统。

基座6上分别设有样品位移平台5和支撑杆7；样品位移平台5上设有样品往复-划痕平台4，该样品往复-划痕平台4上设有样品夹持器系统3；支撑杆7与可移动多功能机头1相连，该可移动多功能机头1位于样品夹持器系统3中样品的正上方；可移动多功能机头1、样品夹持器系统3、样品往复-划痕平台4、样品位移平台5分别经数据采集系统与计算机系统相连。

可移动多功能机头1包括与支撑杆7相连的悬臂梁14和多工位磨头盘24；悬臂梁14的中部设有轴承转动装置Ⅰ12，一侧通过沿Z轴设置的滑轨与支撑杆7相连；悬臂梁14的底部一端设有与多工位磨头盘24相连的加载杆25，其另一端设有与滑轨相连的驱动电机Ⅴ15，该驱动电机Ⅴ15与悬臂梁14之间设有加载力传感器；多工位磨头盘24位于样品的上方；加载杆25前方的悬臂梁14上分别设有摩擦力传感器111和声发射传感器；加载力传感器、驱动电机Ⅴ15、摩擦力传感器111和声发射传感器分别经数据采集系统与计算机系统相连。可移动多功能机头1可实现Z轴方向（竖直方向）的移动。

多工位磨头盘24的中心设有带驱动电机Ⅰ23的轴承转动装置Ⅱ22，且该多工位磨头盘24沿圆周方向均布有数个带内螺纹的工位；工位上连有带外螺纹的划针或接触头21，该划针或接触头21位于样品的正上方。

接触头21由连接在一起的带有外螺纹的顶杆和套筒组成；套筒内设有摩擦副。

样品夹持器系统3包括底板及置于底板上的边框板33、支撑垫块Ⅰ34和固定样品的支撑板Ⅰ35；边框板33与支撑垫块Ⅰ34之间的底板上设有驱动电机Ⅱ32，该驱动电机Ⅱ32的驱动轴连有曲柄连杆31，该曲柄连杆31的一端固定在支撑板Ⅰ35上；支撑垫块Ⅰ34与支撑板Ⅰ35之间设有沿X轴设置的滑动导轨；驱动电机Ⅱ32通过螺栓Ⅰ经定位孔44与样品往复-划痕平台4相连；支撑板Ⅰ35上设有位移传感器Ⅰ，该位移传感器Ⅰ与驱动电机Ⅱ32分别经数据采集系统与计算机系统相连。样品夹持器系统3可实现X轴方向（水平方向）的移动。

样品往复-划痕平台4包括上盖板42和下垫板43；上盖板42上设有定位孔44，并通过该定位孔44与样品夹持器系统3中的驱动电机Ⅱ32相连；下垫板43上固定有数个支撑垫块Ⅱ45，该数个支撑垫块Ⅱ45与上盖板42之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅰ相连；上盖板42的底部一侧固定有一个支撑垫块Ⅲ46，该支撑垫块Ⅲ46与下垫板43之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅱ相连；支撑垫块Ⅲ46的一侧设有与往复导轨Ⅱ相连的驱动电机Ⅲ41，该驱动电机Ⅲ41与上盖板42通过螺栓Ⅱ紧固；下垫板43通过紧固螺栓固定在样品位移平台5上；上盖板42上设有位移传感器Ⅱ，该位移传感器Ⅱ与驱动电机Ⅲ41分别经数据采集系统与计算机系统相连。样品往复-划痕平台4可实现Y轴方向（垂直方向）的移动。

样品位移平台5包括固定在基座6上的平台底座及置于平台底座顶部的往复滑动轨道53；往复滑动轨道53的顶部设有线性模块52，其一侧连有驱动电机Ⅳ51；驱动电机Ⅳ51的驱动轴与线性模块52相连，该线性模块52通过定位螺孔与样品往复-划痕平台4中的下垫板43相连；线性模块52上设有位移传感器Ⅲ，该位移传感器Ⅲ与驱动电机Ⅳ51分别经数据采集系统与计算机系统相连。样品位移平台5可实现X轴方向（水平方向）的移动。

摩擦力传感器111为YZ-65型，声发射传感器为AE303S型，兰州华汇仪器科技有限公提供。

工作原理：通过驱动电机Ⅴ15驱动滑轨使可移动多功能机头1沿Z轴移动，加载力通过加载力传感器和驱动电机Ⅴ15实现精确加载。通过驱动电机Ⅱ32和曲柄连杆31使支撑板Ⅰ35沿X轴移动，通过驱动电机Ⅲ41和往复导轨Ⅱ使上盖板42沿Y轴移动，两者的共同作用实现样品位置的精确定位。试验样品和对偶材料或划针相互接触，样品往复-划痕平台4在驱动电机Ⅳ51和线性模块52的作用下，可沿样品位移平台5的往复滑动轨道53进行X轴方向往复运动或单向移动，从而使试验样品和对偶材料或划针之间产生滑动，产生摩擦力或声信号。实验实施过程中，摩擦力传感器111和声发射传感器等受力或声的作用，打破原先的电路电桥平衡，产生电信号，电信号被数据采集系统接受，经信号处理后，转变为摩擦力、摩擦系数、声信号等，导入到计算机系统，完成数据采集。摩擦配偶或划针可依据驱动电机Ⅰ23使多工位磨头盘24中的摩擦接触头或划针的转换，实现多方位的摩擦接触。

实施例1 对高通量涂层划痕（结合力）进行测试，本测试为固定载荷测试，评估高通量样品中膜基结合力较好的样品。具体过程如下：

多工位磨头盘24上工位安装划针，将待测样品固定于样品夹持器系统3中的支撑板Ⅰ35上，通过调整样品夹持器系统3（X轴）和样品往复-划痕平台4（Y轴）确保样品到达指定位置。通过驱动电机Ⅴ15调整加载杆25的位置，使样品和划针接触，随后通过加载力传感器和驱动电机Ⅴ15施加固定载荷。样品往复-划痕平台4沿样品位移平台5的往复滑动轨道53沿X轴单向匀速移动，从而使试验样品和划针之间产生滑动，产生摩擦力、声信号等。当样品失效时，摩擦系数会增大，声信号增强且波动较大，进而选出高通量样品中膜基结合力较好的样品。更换样品位置，可实现多次测试。实验实施过程中，传感装置受力、声的作用，打破原先的电路电桥平衡，产生电信号，电信号被数据采集系统接受，经信号处理后，转变为摩擦力、摩擦系数、声信号等，导入到计算机系统，完成数据采集。

实施例2 对高通量涂层划痕（结合力）进行测试，本测试为匀加载测试，测试样品的膜基结合力。具体过程如下：

多工位磨头盘24上工位安装划针，将待测样品固定于样品夹持器系统3中，通过调整样品夹持器系统3（X轴）和样品往复-划痕平台4（Y轴）确保样品到达指定位置。通过驱动电机Ⅴ15调整加载杆25的位置，使样品和划针接触，随后通过加载力传感器和驱动电机Ⅴ15施加匀加载载荷。同时样品往复-划痕平台4沿样品位移平台5的往复滑动轨道53沿X轴单向匀速移动，设定终止载荷与划痕位移呈比例，即当加载载荷达到终止载荷时，样品的划痕长度为设定位移。当试验样品和划针之间产生滑动时，产生摩擦力、声信号等。样品失效时，摩擦系数会增大，声信号增强且波动较大，进而测定样品的膜基结合力。调整样品位置，可实现多次测试。实验实施过程中，传感装置受力、声的作用，打破原先的电路电桥平衡，产生电信号，电信号被数据采集系统接受，经信号处理后，转变为摩擦力、摩擦系数、声信号等，导入到计算机系统，完成数据采集。

实施例3 对高通量涂层摩擦磨损进行测试，本测试为固定载荷测试，评估高通量样品的摩擦磨损行为。具体过程如下：

多工位磨头盘24上工位对应的接触头21为摩擦副模块（摩擦副可为球或销），将待测样品固定于样品夹持器系统3中，通过调整样品夹持器系统3（X轴）和样品往复-划痕平台4（Y轴）确保样品到达指定位置。通过驱动电机Ⅴ15调整加载杆25的位置，使样品和摩擦副接触，随后通过加载力传感器和驱动电机Ⅴ15施加固定载荷。样品往复-划痕平台4沿样品位移平台5的往复滑动轨道53沿X轴往复移动，从而使试验样品和摩擦副之间产生滑动，产生摩擦力、摩擦系数等。当样品失效时，摩擦系数会突然增大或摩擦噪声较强，进而评判样品的摩擦磨损性能（也可固定摩擦时间或磨损距离，评判样品的摩擦磨损性能）。更换样品位置，可实现多次测试。实验实施过程中，传感装置受力、声的作用，打破原先的电路电桥平衡，产生电信号，电信号被数据采集系统接受，经信号处理后，转变为摩擦力、摩擦系数、声信号等，导入到计算机系统，完成数据采集。

Claims (7)

1.一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：该装置包括基座（6）、带多工位磨头盘系统（2）的可移动多功能机头（1）、样品夹持器系统（3）、样品往复-划痕平台（4）、样品位移平台（5）、数据采集系统以及计算机系统；所述基座（6）上分别设有所述样品位移平台（5）和支撑杆（7）；所述样品位移平台（5）上设有所述样品往复-划痕平台（4），该样品往复-划痕平台（4）上设有所述样品夹持器系统（3）；所述支撑杆（7）与所述可移动多功能机头（1）相连，该可移动多功能机头（1）位于所述样品夹持器系统（3）中样品的正上方；所述可移动多功能机头（1）、所述样品夹持器系统（3）、所述样品往复-划痕平台（4）、所述样品位移平台（5）分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

2.如权利要求1所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述可移动多功能机头（1）包括与所述支撑杆（7）相连的悬臂梁（14）和多工位磨头盘（24）；所述悬臂梁（14）的中部设有轴承转动装置Ⅰ（12），一侧通过沿Z轴设置的滑轨与所述支撑杆（7）相连；所述悬臂梁（14）的底部一端设有与所述多工位磨头盘（24）相连的加载杆（25），其另一端设有与所述滑轨相连的驱动电机Ⅴ（15），该驱动电机Ⅴ（15）与所述悬臂梁（14）之间设有加载力传感器；所述多工位磨头盘（24）位于所述样品的上方；所述加载杆（25）前方的所述悬臂梁（14）上分别设有摩擦力传感器（111）和声发射传感器；所述加载力传感器、所述驱动电机Ⅴ（15）、所述摩擦力传感器（111）和所述声发射传感器分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

3.如权利要求2所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述多工位磨头盘（24）的中心设有带驱动电机Ⅰ（23）的轴承转动装置Ⅱ（22），且该多工位磨头盘（24）沿圆周方向均布有数个带内螺纹的工位；所述工位上连有带外螺纹的划针或接触头（21），该划针或接触头（21）位于所述样品的正上方。

4.如权利要求3所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述接触头（21）由连接在一起的带有所述外螺纹的顶杆和套筒组成；所述套筒内设有摩擦副。

5.如权利要求1所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述样品夹持器系统（3）包括底板及置于所述底板上的边框板（33）、支撑垫块Ⅰ（34）和固定所述样品的支撑板Ⅰ（35）；所述边框板（33）与所述支撑垫块Ⅰ（34）之间的所述底板上设有驱动电机Ⅱ（32），该驱动电机Ⅱ（32）的驱动轴连有曲柄连杆（31），该曲柄连杆（31）的一端固定在所述支撑板Ⅰ（35）上；所述支撑垫块Ⅰ（34）与所述支撑板Ⅰ（35）之间设有沿X轴设置的滑动导轨；所述驱动电机Ⅱ（32）通过螺栓Ⅰ经定位孔（44）与所述样品往复-划痕平台（4）相连；所述支撑板Ⅰ（35）上设有位移传感器Ⅰ，该位移传感器Ⅰ与所述驱动电机Ⅱ（32）分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

6.如权利要求1所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述样品往复-划痕平台（4）包括上盖板（42）和下垫板（43）；所述上盖板（42）上设有定位孔（44），并通过该定位孔（44）与所述样品夹持器系统（3）中的驱动电机Ⅱ（32）相连；所述下垫板（43）上固定有数个支撑垫块Ⅱ（45），该数个支撑垫块Ⅱ（45）与所述上盖板（42）之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅰ相连；所述上盖板（42）的底部一侧固定有一个支撑垫块Ⅲ（46），该支撑垫块Ⅲ（46）与所述下垫板（43）之间通过沿Y轴设置的往复导轨Ⅱ相连；所述支撑垫块Ⅲ（46）的一侧设有与所述往复导轨Ⅱ相连的驱动电机Ⅲ（41），该驱动电机Ⅲ（41）与所述上盖板（42）通过螺栓Ⅱ紧固；所述下垫板（43）通过紧固螺栓固定在所述样品位移平台（5）上；所述上盖板（42）上设有位移传感器Ⅱ，该位移传感器Ⅱ与所述驱动电机Ⅲ（41）分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

7.如权利要求1所述的一种高通量划痕-往复摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述样品位移平台（5）包括固定在所述基座（6）上的平台底座及置于所述平台底座顶部的往复滑动轨道（53）；所述往复滑动轨道（53）的顶部设有线性模块（52），其一侧连有驱动电机Ⅳ（51）；所述驱动电机Ⅳ（51）的驱动轴与所述线性模块（52）相连，该线性模块（52）通过定位螺孔与所述样品往复-划痕平台（4）中的下垫板（43）相连；所述线性模块（52）上设有位移传感器Ⅲ，该位移传感器Ⅲ与所述驱动电机Ⅳ（51）分别经所述数据采集系统与所述计算机系统相连。

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