CN110082242B - 一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及摩擦磨损测试技术领域，特别为一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置。本发明包括旋转固定机构、切削机构、进给动作机构、摩擦机构、数据采集机构以及调压机构；所述旋转固定机构包括三爪卡盘、用于驱动三爪卡盘周向转动的第一驱动装置，固定安装在三爪卡盘上并用于摩擦实验的柱状工件；所述切削机构包括基座、切削底座、安装在切削底座上的转塔刀架以及安装在转塔刀架上的刀具，所述刀具位于柱状工件的旁侧。本发明能够在保证有足够的接触压力的同时又具有较长的测试时间。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦磨损测试技术领域，特别为一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置。
背景技术
在全球竞争的背景下，为提高生产加工效率，目前工业中对于刀具的加工通常采用非常高的切削速度，在这种高切削状态的苛刻加工条件下，会在刀具的切屑界面和切削刃周围产生极高的机械应力和温度，从而导致刀具在生产加工的过程当中产生过度磨损甚至过早失效，最终导致废品率过高。因此，为了防止这样的情况发生，我们有必要建立精确的切削过程模拟，从刀具材料、刀具几何形状和涂层等方面确定最佳的切削条件，从而维持较高的加工操作生产率，以降低废品率。
为了研究这些出现在加工界面的摩擦学现象，即机械应力问题及温度问题，研究者们其中一种研究的方法是通过实验室模拟测试，目前已经存在或已经开发了几种摩擦装置。最广为人知的装置是销盘系统，例如中国专利号为201810287951X中公开的一种小型销盘接触往复摩擦磨损试验装置，遗憾的是这类型的装置无法模拟切削中的摩擦接触条件，这是由于这种实验方法中销与盘连续重复摩擦，而切削的过程中摩擦面都是新成型面，因此采用销盘系统所模拟的摩擦条件（摩擦面初始形貌，温度，压力）与切削实际条件不一致，因此其并不能够很好地模拟切削过程的摩擦条件。此外，使用这些系统所允许的接触压力由于缺乏刚性接触，接触点的压力难以达到1GPa，因而并不适合于重载摩擦测试。
为了更好的模拟刀具切削摩擦这样的实验条件，本领域技术人员又进行了进一步的探索，例如Olsson等人提出在切削刀具后放置一个销，摩擦滑动速度和接触温度类似发生在干燥加工,但接触压力仍然很低(约15 MPa）。Zemzemi等人设计的高滑动速度（高达400m / min）下模拟更高的接触压力（高达3 GPa），显示了其提供相关摩擦系数的高效率，然而，其发明的装置非常难以管理，并且工件的制造非常长且昂贵。此外，该装置的摩擦持续时间非常有限（大约10秒），不能进行长时间的磨损测试。Hedenqvist等人提出一种具有圆柱形几何形状的销在旋转的表面上摩擦的装置，可以产生足够的速度（几百米/分钟），并且可以长时间测试，但无法提供足够的局部压力（约15MPa）来模拟加工过程中出现的摩擦学现象。
可见，在现有技术中，尚不存在一种既能够提供足够的接触压力同时又能够具有较长测试时间用于测试刀具切削摩擦力的装置。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置,其能够在保证有足够的接触压力的同时又具有较长的测试时间。
本发明通过如下技术方案实现：一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：包括旋转固定机构、切削机构、进给动作机构、摩擦机构、数据采集机构以及调压机构；
所述旋转固定机构包括三爪卡盘、用于驱动三爪卡盘周向转动的第一驱动装置，固定安装在三爪卡盘上并用于摩擦实验的柱状工件；
所述切削机构包括基座、切削底座、安装在切削底座上的转塔刀架以及安装在转塔刀架上的刀具，所述刀具位于柱状工件的旁侧；所述基座上设有向柱状工件一侧延伸的滑轨，所述切削底座活动设置在滑轨上，切削底座与滑轨之间设有使两者直接锁定或解除锁定的锁定装置；
所述调压机构位于柱状工件相对切削机构一侧，调压机构包括调压底座、设置在调压底座上的推块以及安装在调压底座上并用于推动推块向柱状工件一侧运动从而对柱状工件施加载荷的推动装置；
所述摩擦机构包括前部抵制在柱状工件侧面上的摩擦销以及用于夹持摩擦销的夹持座，所述摩擦销的顶端涂覆有待测试刀具涂层；
所述数据采集机构包括用于测试摩擦销与柱状工件之间接触压力的测力计、设置在摩擦销上并用于测量摩擦温度的温度传感器、分别与测力计及温度传感器电连接并用于进行模数信号转换的模数转换模块以及与模数转换模块电连接并用于存储试验数据的存储模块；所述夹持座通过测力计安装在推块上；
所述给进动作机构包括控制基座沿柱状工件长度方向进给动作的第一进给装置、控制调压底座沿柱状工件长度方向进给动作的第二进给装置、用于驱动第一进给装置及第二进给装置动作的第二驱动电机以及设置在第二驱动电机与第一进给装置和第二进给装置之间并用于控制第一进给装置和第二进给装置同步进给的传动装置。
其工作原理和过程如下：
摩擦测试前，驱动转塔刀架使刀具对准柱状工件，并通过调整切削底座的位置来调整刀具与柱状工件之间的相对位置从而确定刀具切削工件深度；驱动推动装置，观测测力计显示的压力值，并根据显示的压力值调整摩擦销与柱状工件之间的压力。而后接通电源，设置第一驱动电机及第二驱动电机的旋转速度，从而分别确定柱状工件的旋转速度和刀具的进给速度。
为了更好的实施本方案,还提供如下优化方案：
进一步的，所述第一驱动装置包括第一驱动电机以及设置在第一驱动电机输出轴与三爪卡盘之间并用于带动三爪卡盘沿中心轴转动的第一带传动机构。
进一步的，所述第一进给装置包括设置在基座上并沿柱状工件进给方向延伸的第一螺孔以及与第一螺孔螺纹连接的第一丝杆；所述第二进给装置包括设置在调压底座上并沿柱状工件进给方向延伸的第二螺孔以及与第二螺孔螺纹连接的第二丝杆；
所述传动装置包括设置在第二驱动电机输出轴与第一丝杆之间并用于带动第一丝杆转动的第二带传动机构以及设置在第二驱动电机输出轴与第二丝杆之间并用于带动第二丝杆转动的第三带传动机构。
优选的，所述温度传感器为热电偶。
进一步的，所述摩擦销的前端部的形状为向外凸起的半球形。
优选的，所述锁定装置为松紧调节螺栓。
较之前技术而言，本发明的有益效果为：
1、本发明所述的切削单元和摩擦单元采用刀具在前、摩擦副在后的组合形，第一电机驱动三爪卡盘旋转，带动柱状工件旋转；另一个第二电机同时驱动刀具和摩擦销的进给，刀具始终在摩擦销运动方向前进，并使两者保持恒定的距离，刀具连续切削工件形成新成型面后，新成型面与摩擦销接触摩擦，从而实现了在不同摩擦实践中使得摩擦副初始条件保持恒定；
2、本发明装置的初始摩擦压力可以通过调整液压缸实现实时调节，通过信号采集单元的测力计，可以显示初始摩擦压力和摩擦过程中的摩擦压力，通过固定在摩擦销表面的热电偶测量摩擦过程中的温度，从而实现了在测量过程当中对摩擦压力和温度的测量；
3、本发明采用柱状工件作为摩擦杆，具有较大的刚性，在较大的载荷下不易变形，从而实现重载摩擦实验，本实验装置创造性地采用了销-棒模式，摩擦销顶端采用半球状结构，半球状表面用以涂覆待测试刀具涂层，球形摩擦副有利于实现大载荷下的力学实验，摩擦销表面涂层可更换，摩擦销可多次使用。
4、本发明所述的摩擦单元中，摩擦销的大小可调，通过调节摩擦销的大小而改变球形摩擦副的半径，满足不同的摩擦压力。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明的旋转固定机构结构示意图；
图3是本发明的切削机构结构示意图；
图4是本发明的调压机构结构示意图；
图5是本发明的摩擦机构结构示意图；
图6是本发明的数据采集机构结构示意图；
图7是本发明的数据采集机构的电路连接框图；
图8是本发明的进给动作机构结构示意图。
标号说明：11-三爪卡盘 121-第一驱动电机 122-第一带传动机构
13-柱状工件 21-基座 211-滑轨
22-切削底座 23-转塔刀架 24-刀具
25-松紧调节螺栓 31-调压底座 32-推块
33-液压缸 41-摩擦销 42-夹持座
51-测力计 611-第一螺孔 612-第一丝杆
621-第二螺孔 622-第二丝杆 63-第二驱动电机
642-第二带传动机构 643-第三带传动机构
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做详细说明：
如图1所示，本发明包括用于为柱状工件13提供旋转动力的旋转固定机构、用于切削柱状工件13表面的切削机构、用于提供和调节实验压力的调压机构、用于摩擦实验的摩擦机构、用于数据采集和分析的数据采集机构以及用于提供柱状工件13相对进给运动的进给动作机构；
如图2所示，所述旋转固定机构包括三爪卡盘11、用于驱动三爪卡盘11周向转动的第一驱动装置，固定安装在三爪卡盘11上并用于摩擦实验的柱状工件13；所述第一驱动装置包括第一驱动电机121以及设置在第一驱动电机121输出轴与三爪卡盘11之间并用于带动三爪卡盘11沿中心轴转动的第一带传动机构122。
如图3所示，所述的切削机构和摩擦机构采用刀具24在前，摩擦副即摩擦销41在后的组合形式，所述切削机构包括基座21、切削底座22、安装在切削底座22上的转塔刀架23以及安装在转塔刀架23上的刀具24，所述刀具24位于柱状工件13的旁侧；所述基座21上设有向柱状工件13一侧延伸的滑轨211，所述切削底座22活动设置在滑轨211上，切削底座22与滑轨211之间设有使两者直接锁定或解除锁定的锁定装置，所述锁定装置为松紧调节螺栓25。
如图4所示，所述调压机构位于柱状工件13相对切削机构一侧，调压机构包括调压底座31、设置在调压底座31上的推块32以及安装在调压底座31上并用于推动推块32向柱状工件13一侧运动从而对柱状工件13施加载荷的推动装置，本实施例推动装置采用的为液压缸33；
如图5所示，所述摩擦机构包括前部抵制在柱状工件13侧面上的摩擦销41以及用于夹持摩擦销41的夹持座42，所述摩擦销41的顶端涂覆有待测试刀具24涂层，所述摩擦销41的前端部的形状为向外凸起的半球形。
如图6-7所示，(为作图方便，图6中除测力计外，其余结构未示出)所述数据采集机构包括用于测试摩擦销41与柱状工件13之间接触压力的测力计51、设置在摩擦销41上并用于测量摩擦温度的温度传感器、分别与测力计51及温度传感器电连接并用于进行模数信号转换的模数转换模块以及与模数转换模块电连接并用于存储试验数据的存储模块，所述温度传感器为热电偶；所述夹持座42通过测力计51安装在推块32上；
如图8所示，所述给进动作机构包括控制基座21沿柱状工件13长度方向进给动作的第一进给装置、控制调压底座31沿柱状工件13长度方向进给动作的第二进给装置、用于驱动第一进给装置及第二进给装置动作的第二驱动电机63以及设置在第二驱动电机63与第一进给装置和第二进给装置之间并用于控制第一进给装置和第二进给装置同步进给的传动装置。所述第一进给装置包括设置在基座21上并沿柱状工件13进给方向延伸的第一螺孔611以及与第一螺孔611螺纹连接的第一丝杆612；所述第二进给装置包括设置在调压底座31上并沿柱状工件13进给方向延伸的第二螺孔621以及与第二螺孔621螺纹连接的第二丝杆622；
所述传动装置包括设置在第二驱动电机63输出轴与第一丝杆612之间并用于带动第一丝杆612转动的第二带传动机构642以及设置在第二驱动电机641输出轴与第二丝杆622之间并用于带动第二丝杆622转动的第三带传动机构643。
尽管本发明采用具体实施例及其替代方式对本发明进行示意和说明，但应当理解，只要不背离本发明的精神范围内的各种变化和修改均可实施。因此，应当理解除了受随附的权利要求及其等同条件的限制外，本发明不受任何意义上的限制。
Claims (6)
1.一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：包括旋转固定机构、切削机构、进给动作机构、摩擦机构、数据采集机构以及调压机构；
所述旋转固定机构包括三爪卡盘(11)、用于驱动三爪卡盘(11)周向转动的第一驱动装置，固定安装在三爪卡盘(11)上并用于摩擦实验的柱状工件(13)；
所述切削机构包括基座(21)、切削底座(22)、安装在切削底座(22)上的转塔刀架(23)以及安装在转塔刀架(23)上的刀具(24)，所述刀具(24)位于柱状工件(13)的旁侧；所述基座(21)上设有向柱状工件(13)一侧延伸的滑轨(211)，所述切削底座(22)活动设置在滑轨(211)上，切削底座(22)与滑轨(211)之间设有使两者直接锁定或解除锁定的锁定装置；
所述调压机构位于柱状工件(13)相对切削机构一侧，调压机构包括调压底座(31)、设置在调压底座(31)上的推块(32)以及安装在调压底座(31)上并用于推动推块(32)向柱状工件(13)一侧运动从而对柱状工件(13)施加载荷的推动装置；
所述摩擦机构包括前部抵制在柱状工件(13)侧面上的摩擦销(41)以及用于夹持摩擦销(41)的夹持座(42)，所述摩擦销(41)的顶端涂覆有待测试刀具(24)涂层；
所述数据采集机构包括用于测试摩擦销(41)与柱状工件(13)之间接触压力的测力计(51)、设置在摩擦销(41)上并用于测量摩擦温度的温度传感器、分别与测力计(51)及温度传感器电连接并用于进行模数信号转换的模数转换模块以及与模数转换模块电连接并用于存储试验数据的存储模块；所述夹持座(42)通过测力计(51)安装在推块(32)上；
所述进给动作机构包括控制基座(21)沿柱状工件(13)长度方向进给动作的第一进给装置、控制调压底座(31)沿柱状工件(13)长度方向进给动作的第二进给装置、用于驱动第一进给装置及第二进给装置动作的第二驱动电机(63)以及设置在第二驱动电机(63)与第一进给装置和第二进给装置之间并用于控制第一进给装置和第二进给装置同步进给的传动装置。
2.根据权利要求1所述的一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：所述第一驱动装置包括第一驱动电机(121)以及设置在第一驱动电机(121)输出轴与三爪卡盘(11)之间并用于带动三爪卡盘(11)沿中心轴转动的第一带传动机构(122)。
3.根据权利要求1所述的一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：所述第一进给装置包括设置在基座(21)上并沿柱状工件(13)进给方向延伸的第一螺孔(611)以及与第一螺孔(611)螺纹连接的第一丝杆(612)；所述第二进给装置包括设置在调压底座(31)上并沿柱状工件(13)进给方向延伸的第二螺孔(621)以及与第二螺孔(621)螺纹连接的第二丝杆(622)；
所述传动装置包括设置在第二驱动电机(63)输出轴与第一丝杆(612)之间并用于带动第一丝杆(612)转动的第二带传动机构(642)以及设置在第二驱动电机(63)输出轴与第二丝杆(622)之间并用于带动第二丝杆(622)转动的第三带传动机构(643)。
4.根据权利要求1所述的一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：所述温度传感器为热电偶。
5.根据权利要求1所述的一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：所述摩擦销(41)的前端部的形状为向外凸起的半球形。
6.根据权利要求1所述的一种用于刀具涂层摩擦性能测试的摩擦实验装置，其特征在于：所述锁定装置为松紧调节螺栓(25)。
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