專利名稱：一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置，適用于陶瓷及人造金剛石膜這類高度脆性材料測定斷裂韌性KIC及彎曲強(qiáng)度σb的自動(dòng)加載試驗(yàn)場合。
現(xiàn)有的國內(nèi)、外各種試驗(yàn)裝置，包括陶瓷及人造金剛石膜這類高度脆性材料測定斷裂韌性KIC及彎曲強(qiáng)度σb的試驗(yàn)裝置，均采用剛性壓力頭。這種剛性壓力頭在其對(duì)試樣施加載荷時(shí)，壓力頭本身的變形是非常微小的，以致一般可以忽略不計(jì)其變形量。這樣的剛性壓力頭，用于陶瓷及人造金剛石膜這類高度脆性材料測定斷裂韌性KIC及彎曲強(qiáng)度σb的自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置時(shí)，存在一個(gè)很大的問題。由于陶瓷及人造金剛石膜這類高度脆性材料，無論用三點(diǎn)彎試樣測定其斷裂韌性KIC，還是測定其彎曲強(qiáng)度σb，考慮到加工和材料的價(jià)格等因素，這類試樣的尺寸均很小，以金剛石膜為例，一般試樣的長X高X厚約為10X2X0.25(mmXmmXmm)，因此，其破壞力值也是很小的了，一般約為十幾或幾十牛頓(N)。對(duì)于這類剛性壓力頭的試驗(yàn)裝置，為了測得小力值，一般加載速度必須選取得非常小，比如對(duì)陶瓷彎曲試驗(yàn)加載時(shí)，一般限制加載時(shí)壓力頭的移動(dòng)速度不大于0.05mm/min。根據(jù)金剛石膜與陶瓷的不同的彈性模量，類比陶瓷的情形，如對(duì)金剛石膜彎曲試驗(yàn)加載時(shí)，應(yīng)限制加載時(shí)壓力頭的移動(dòng)速度不大于0.013mm/min。可見要輕易達(dá)到上述壓力頭的位移速度是不容易的?，F(xiàn)在，即便達(dá)到了上述位移速度，仍然存在問題。哪又是什么問題呢？因?yàn)閷?duì)陶瓷及金剛石膜這類高度脆性材料，其彈性模量極高，約為300-1150GPa，在剛性壓力頭接觸試樣至壓斷，剛性壓力頭相對(duì)于試樣的位移量是極小的，因此，加載過程僅幾秒鐘或不到1秒。這種使用剛性壓力頭的試驗(yàn)裝置，顯然對(duì)于觀測這類材料的斷裂過程，測準(zhǔn)斷裂力值，均會(huì)帶來高成本或不成功，而且無法實(shí)現(xiàn)加載速度控制，無法測出試驗(yàn)時(shí)施力點(diǎn)的位移值。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種以力值作為控制參量，結(jié)構(gòu)合理、裝置成本低、檢測性能可靠、可方便地測出試驗(yàn)時(shí)施力點(diǎn)位移值的帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置。
一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置，包括底座1、立柱2、橫梁3、受控電機(jī)4、升降絲桿5、彈性壓力頭6、力傳感器7、試樣支承盤8、試樣9、實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)10、控制卡11、A/D卡12、圖象卡13及計(jì)算機(jī)14，其特征在于彈性壓力頭6與升降絲桿5相連，力傳感器7設(shè)置在底座1上，彈性壓力頭6由壓力頭61、連接護(hù)套62、兩只鎖緊螺母63、壓力頭體64、滑動(dòng)套65、彈簧66及小軸67組成，力傳感器7通過A/D卡12與計(jì)算機(jī)14相連，受控電機(jī)4通過控制卡11與計(jì)算機(jī)14相連，實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)10通過圖象卡13與計(jì)算機(jī)14相連。
如上所述的一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置，其特征在于彈簧66的彈簧剛度范圍為0.001N/mm至1000N/mm，彈簧66的彈簧高度范圍為1mm至1000mm，彈簧66的彈簧簧圈半徑范圍為1mm至1000mm。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是第一、由于以彈性壓力頭代替原先的剛性壓力頭，以高精度力傳感器測出的力值作為試驗(yàn)時(shí)的控制參量，代替了原先以位移作為試驗(yàn)控制參量，亦即采用了直接以加載速度(dF/dt)控制進(jìn)行試驗(yàn)，各種加載速度可在試驗(yàn)前設(shè)定，方便而精確，有利于對(duì)在各種加載速度下，材料的力學(xué)性能作出正確的評(píng)價(jià)；第二、由于采用了直接以加載速度(dF/dt)控制進(jìn)行試驗(yàn)，使試樣自受力至破斷的時(shí)間可方便地被控制和調(diào)整，有利于觀測試樣破斷的全過程，大大降低觀測、記錄所用設(shè)備的費(fèi)用；第三、由于采用了直接以加載速度(dF/dt)控制進(jìn)行試驗(yàn)，放寬了對(duì)壓頭的位移速度要求，從而簡化了裝置的結(jié)構(gòu)，降低了成本。第四、由于采用了彈性壓力頭，以加載速度(dF/dt)控制進(jìn)行試驗(yàn)，可以方便地得出試驗(yàn)時(shí)施力點(diǎn)的位移值。
附

圖1為本發(fā)明的外形結(jié)構(gòu)圖。
附圖2為本發(fā)明的彈性壓力頭6的結(jié)構(gòu)圖。
其中1-底座，2-立柱，3-橫梁，4-受控電機(jī)，5-升降絲桿，6-彈性壓力頭，7-力傳感器，8-試樣支承盤，9-試樣，10-實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)，11-控制卡，12-A/D卡，13-圖象卡，14-計(jì)算機(jī)，61-壓力頭，62-連接護(hù)套，63-鎖緊螺母，64-壓力頭體，65-滑動(dòng)套，66-彈簧，67-小軸。
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案和工作原理作一詳細(xì)描述。
如圖1所示。本發(fā)明由底座1、立柱2、橫梁3、受控電機(jī)4、升降絲桿5、彈性壓力頭6、力傳感器7、試樣支承盤8、試樣9、實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)10、控制卡11、A/D卡12、圖象卡13及計(jì)算機(jī)14組成。如圖2所示彈性壓力頭6由壓力頭61、連接護(hù)套62、兩只鎖緊螺母63、壓力頭體64、滑動(dòng)套65、彈簧66和小軸67組成。
先描述一下彈性壓力頭6的按裝過程。如圖2所示，在按裝該彈性壓力頭6的時(shí)候，先將彈簧66套于帶有彈簧座的小軸67上，再裝上滑動(dòng)套65，并調(diào)節(jié)好二只鎖緊螺母63，使彈簧66有一予緊量。然后，將已裝有彈簧66、滑動(dòng)套65及二只鎖緊螺母63的小軸67裝于壓力頭體64內(nèi)。再在壓力頭體64內(nèi)裝進(jìn)壓力頭61，并在壓力頭體64的端部擰緊連接護(hù)套62。這樣整個(gè)彈性壓力頭6已按裝完成。再將彈性壓力頭6裝于升降絲桿上。
現(xiàn)在描述一下彈性壓力頭6的工作原理。如圖2所示，彈性壓力頭6的關(guān)鍵另件是彈簧66。現(xiàn)設(shè)定彈性壓力頭6的彈簧剛度是K，比如，取K＝10N/mm。當(dāng)壓力頭61接觸到試樣9產(chǎn)生壓力F，這時(shí)的彈簧66上的受力應(yīng)為Fs，其值為Fs＝F-f(a)而彈簧上的受力Fs又可表示為Fs＝KΔ(b)上兩式中f-壓力頭61與壓力頭體64內(nèi)壁之間的摩擦力及滑動(dòng)套65與小軸外表面之間的摩擦力之和；Δ-彈簧66的壓縮量(不計(jì)予壓縮量)，即壓力頭61與壓力頭體64之間的相對(duì)位移量。裝置工作時(shí)，如試樣變形極小，則Δ值便是升降絲桿5的位移量。
試樣9上的受力F直接通過力傳感器7及A/D卡12至計(jì)算機(jī)14，在計(jì)算機(jī)14的屏幕上直接顯示出F值。由于摩擦力f在升降絲桿5運(yùn)動(dòng)速度不變的條件下，可視為與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)，因此有dF/dt＝dFs/dt (c)同時(shí)考慮到式(b)則有dF/dt＝KdΔ/dt(d)若試樣9上的受力值達(dá)到該彈性壓力頭的最大力值FMAX時(shí)，壓力頭61與小軸接觸，彈簧66就不會(huì)再進(jìn)一步產(chǎn)生變形。彈性壓力頭6根據(jù)最大力值，設(shè)計(jì)成不同的規(guī)格，選用十分方便。
現(xiàn)在來描述一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置的工作原理。如圖1所示，將試樣9按裝于試樣支承盤8上，快速調(diào)整升降絲桿5使彈性壓力頭6距試樣9的上表面約1mm左右，如要按dF/dt＝1N/s的加載速度進(jìn)行加載，則計(jì)算機(jī)按式(d)自動(dòng)選取升降絲桿5的運(yùn)動(dòng)速度為dΔ/dt＝(dF/dt)/K＝(1N/s)/(10N/mm)＝0.1mm/s＝6mm/min計(jì)算機(jī)屏幕上自動(dòng)給出F-t曲線，即試樣9的受力與時(shí)間的關(guān)系曲線。
關(guān)于實(shí)時(shí)攝像系統(tǒng)10的工作，由計(jì)算機(jī)全過程自動(dòng)攝象，自彈簧壓力頭6與試樣9即將接觸、接觸、直至壓斷。由于采用了加載速度控制，若取試樣9的破斷力為20N，并按dF/dt＝1N/s的加載速度進(jìn)行加載，則自彈簧壓力頭6與試樣9接觸至壓斷將歷時(shí)近20秒鐘，可以方便地采集、存儲(chǔ)此斷裂全過程的圖形，以便試驗(yàn)后仔細(xì)分析研究。
關(guān)于施力點(diǎn)的位移。設(shè)施力點(diǎn)的位移為w，在本發(fā)明的一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置中，可由下式進(jìn)行計(jì)算wj＝(tj-ti)(dΔ/dt)-(Fj-Fi)/K (e)式中Fi-力傳感器7的某一任取的初始力值，ti-與Fi相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，tj-在ti以后的某一時(shí)間，F(xiàn)j-力傳感器7與tj相對(duì)應(yīng)的力值。式(e)的物理意義是施力點(diǎn)的位移w即在同一時(shí)間內(nèi)，升降絲桿5的下降位移量與彈簧的壓縮量之差值。計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集時(shí)間及各相應(yīng)時(shí)間的力傳感器7的輸出力值，按公式(e)計(jì)算出施力點(diǎn)的位移w值，并在計(jì)算機(jī)14屏幕上動(dòng)態(tài)顯示w-t曲線。
權(quán)利要求
1.一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置，包括底座(1)、立柱(2)、橫梁(3)、受控電機(jī)(4)、升降絲桿(5)、彈性壓力頭(6)、力傳感器(7)、試樣支承盤(8)、試樣(9)、實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)(10)、控制卡(11)、A/D卡(12)、圖象卡(13)及計(jì)算機(jī)(14)，其特征在于彈性壓力頭(6)與升降絲桿(5)相連，力傳感器(7)設(shè)置在底座(1)上，彈性壓力頭(6)由壓力頭(61)、連接護(hù)套(62)、兩只鎖緊螺母(63)、壓力頭體(64)、滑動(dòng)套(65)、彈簧(66)及小軸(67)組成，力傳感器(7)通過A/D卡(12)與計(jì)算機(jī)(14)相連，受控電機(jī)(4)通過控制卡(11)與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)(10)通過圖象卡(13)與計(jì)算機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置，其特征在于彈簧(66)的彈簧剛度范圍為0.001N/mm至1000N/mm，彈簧(66)的彈簧高度范圍為1mm至1000mm，彈簧(66)的彈簧簧圈半徑范圍為1mm至1000mm。
全文摘要
一種帶彈性壓力頭的小力值自動(dòng)加載試驗(yàn)裝置,主要由底座、立柱、橫梁、受控電機(jī)、升降絲桿、彈性壓力頭、力傳感器、試樣支承盤、試樣、實(shí)時(shí)攝象系統(tǒng)、控制卡、A/D卡、圖象卡及計(jì)算機(jī)所組成,以彈性壓力頭代替剛性壓力頭,直接以加載速度控制進(jìn)行試驗(yàn),簡化了結(jié)構(gòu)、降低了成本。各種加載速度可在試驗(yàn)前設(shè)定,可方便地控制與調(diào)整試樣破斷時(shí)間,放寬了對(duì)壓頭位移速度的要求,可方便地得到施力點(diǎn)的位移值。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1274840SQ9910654
公開日2000年11月29日 申請(qǐng)日期1999年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月21日
發(fā)明者蔡增伸 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)