CN104344979B - 一种在管状合金表面制作划痕的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在管状合金表面制作划痕的装置和方法，解决现有技术中存在的管材不易对中和易出现侧滑、不能做出宏观尺度的划痕等问题。该装置在螺旋测微器上安装所需的锥形头，直线式齿轮减速机的输入端直接与变频器的输出端相连，直线式齿轮减速机上的齿条与载物台连接；在载物台与可更换试样台连接。工作时，只需将数显螺旋测微器和锥形头配合，设定好深度，当直线式齿轮减速机推动载物台和试样台运动并经过锥形头时即可以在管状试样表面做出特定形貌划伤。该装置主要用于在各种工程用金属或合金管材表面制作划伤，可精确对中、可实现划伤特征，如划伤深度、宽度、密度、截面形貌等多方面的控制。

Description

一种在管状合金表面制作划痕的装置和方法

技术领域

本发明涉及在管状合金表面制作划伤技术领域，具体涉及一种在管状合金表面制作划痕的装置和方法。

背景技术

建筑、机械、核工业等众多领域都会涉及到划伤对金属或合金结材料或结构件性能的影响，结构材料服役性能的好坏是设备能否安全运行的关键方面。划伤可以造成材料内表面或外表面缺陷，而缺陷的出现严重改变了整个结构件的力学性质和服役寿命。

为了测试材料在出现表面划伤后的性能，能够有效模拟划伤的实验装置成为迫切的需要。在现有技术中，制造划伤或测试单层或多层膜的力学特性的设备常为微米划痕仪或纳米划痕仪。这些设备的出现的确为测试局部或更微观位置的材料性能提供了很大的帮助。但是，纳米或微米划痕仪操作复杂且价格昂贵，后期的维护费用很高，同时这些设备主要用于在高平行度的块状试样表面制作较为微观的划痕，对于管状金属或合金试样，因弧度的存在不宜对中，很难成功制备宏观尺度的划痕，满足模拟工程管道表面划伤的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可在管材表面制作划痕的低成本，操作简单易行，高准度的实验装置和方法，以解决现有技术中存在的操作复杂且价格昂贵，不能在管状样品表面做出宏观尺度的划痕，很难满足模拟工程的要求等问题。它可以用于设备或材料在不同划伤条件下的力学性能测试和研究，以及用于不同材料在划伤条件下的腐蚀性能的测试和研究。

本发明的技术方案是：

一种在管状试样表面制作划痕的装置，包括变频器、直线式齿轮减速机、螺旋测微器、锥形头、燕尾槽、载物台、主支撑体和试样台；其中：所述主支撑体的上部设有燕尾槽，在燕尾槽内设有能够与之滑动配合的载物台；所述直线式齿轮减速机和螺旋测微器均固定在主支撑体上，在螺旋测微器的可动小砧上可拆卸连接制造划痕所需的锥形头；所述直线式齿轮减速机上的齿条与载物台固定连接，直线式齿轮减速机的输入端直接与变频器的输出端相连；所述试样台置于载物台上并与载物台可拆卸连接，试样台上设有凹槽，凹槽的底部为弧形凸起，弧形凸起状的底部上能够放置和固定预制尺寸的管状试样。

所述试样台其凹槽底部的两侧边高度相等（此种试样台用于在管状试样中间位置制作划痕）；或者，所述试样台其凹槽底部的两侧边高度不相等（此种试样台用于在管状样品中间位置的两侧制作划痕）。在管状试样表面预制的划痕位置因试样台的不同而不同。通过两种试样台的更换，可以在同一管状试样表面每间隔一定角度均匀制作等距的3条相同特征（深度、宽度）的划痕。

所述载物台为燕尾状滑块，载物台在燕尾槽中的运行方向和运行速度与齿条同步；所述螺旋测微器采用数显螺旋测微器。

所述载物台与齿条通过连接件连接，连接件的纵截面为直角形，连接件的一端通过螺栓Ⅰ与齿条连接，连接件的另一端通过螺栓Ⅱ与载物台连接。

所述螺旋测微器的可动小砧与锥形头通过锁紧装置可拆卸连接；所述锁紧装置包括卡箍、螺栓Ⅲ和螺栓Ⅳ，所述卡箍为筒形结构，在卡箍侧面安装可伸至卡箍内的螺栓Ⅲ和螺栓Ⅳ，螺栓Ⅲ和螺栓Ⅳ分别与卡箍通过螺纹连接；螺旋测微器可动小砧与锥形头相对设置，卡箍套装在锥形头与可动小砧上，螺栓Ⅲ对应于可动小砧的侧面，螺栓Ⅳ对应于锥形头的侧面，通过螺栓Ⅲ锁紧可动小砧，通过螺栓Ⅳ锁紧锥形头。

按实际需求选择尖端尺寸不同的锥形头（尖端尺寸用于调整划痕的宽度），所述锥形头由特殊的硬质材料制成，硬质材料为YG8、YG12或YG15。

所述试样台通过螺栓可拆卸连接于载物台上；所述试样台靠近齿条的一端设有阻挡金属片，所述阻挡金属片通过螺栓固定于试样台上，阻挡金属片用于阻挡管状试样在试样台的凹槽内的移动。

利用上述装置在管状试样表面制作划痕的方法，该方法包括如下步骤：

（1）按实际需求选择合适形状的锥形头（设置划痕宽度），通过锁紧装置将锥形头与螺旋测微器的可动小砧连接并固定在一起；

（2）根据需要选择试样台并将其固定于载物台上，并调整对中；

（3）将变频器的电源插头连接于供电电源，调节变频器的调频旋钮，将输出频率控制在0.01-50Hz；

（4）设置锥形头位置零点；

（5）设定划痕深度；

（6）制造划痕：按下变频器的“正向”按钮，直线式齿轮减速机带动载物台和试样台同步前进；当试样经过锥形头后，试样表面留下预设特征（深度、宽度等）的划痕。

步骤（2）中，选择凹槽底部的两侧边高度相等的试样台能够在管状试样中间位置得到一条划痕；选择凹槽底部的两侧边高度不相等的试样台能够在管状试样中间位置的一侧得到一条划痕，将试样旋转180°重新放入该试样台，重复制作划痕的过程，能够在管状试样中间位置的另一侧得到一条划痕。

所述步骤（2）中，调整对中的过程为：将试样台放置于载物台上，首先设置锥形头的中轴线在试样台中凹槽底面的最高点的正上方，调整好后，将试样台紧固于载物台上。

所述步骤（4）中，设置锥形头位置零点的过程为：首先，旋转螺旋测微器使之带动锥形头向上移动，以防锥形头在调零之前碰到试样；然后，按变频器的“正向”按键，把试样移动到锥形头的正下方，调节螺旋测微器，在锥形头刚刚接触试样到表面停止调节；接着，按螺旋测微器的“Zero”按键，屏幕上的数字显示为0，这就设置好了锥形头的位置零点。

所述步骤（5）中，设定划痕深度的过程为：在设置好位置零点后，调整螺旋测微器，使锥形头离开管状试样表面；然后，按变频器的“逆向”按键，使试样离开锥形头尖端平面1～3厘米的距离；接着，继续调节螺旋测微器的旋转按钮，在显示器上设置要得到的划痕深度；最后，锁定螺旋测微器。

采用本发明方法在同一管状试样表面不同位置都制作划痕时，需要更换试样台，更换试样台的过程如下：

调整螺旋测微器，使锥形头远离管状试样表面；然后，按变频器的“逆向”按键，使锥形头尖端平面离开试样1～3厘米的距离；接着，断开试样台与载物台的连接，并将阻挡金属片固定于另一种试样台上；最后，将该试样台用螺栓连接并固定于载物台，完成更换。

本发明的有益效果如下：

1、本发明由变频器、直线式齿轮减速机、数显螺旋测微器、锥形头、主支撑体、载物台和试样台等组成，其结构简单实用、成本低、操作方便。工作时，只需将数显螺旋测微器和锥形头配合，设定好深度，当直线式齿轮减速机推动载物台和试样台运动并经过锥形头时即可以做出特定形貌划伤。

2、本发明主要用于各种金属或合金管状试样表面划伤的制备，可实现精确对中、防止侧滑并制作出高度满足需求的宏观划痕。

3、本发明主要用于在各种金属或合金管状试样表面的制备具有不同特征的划痕，可实现划伤特征，如划伤深度、宽度、密度、截面形貌等多方面的控制。

附图说明

图1为本发明在管状试样表面制作划痕装置的整体结构示意图。

图2为数显螺旋测微器和主支撑体的连接图。

图3为直线式齿轮减速机的齿条和载物台的连接图。

图4为数显螺旋测微器的可动小砧和锥形头之间的连接锁定结构图。

图5为管状试样表面划伤用试样台Ⅰ。

图6为管状试样表面划伤用试样台Ⅱ。

图7为固定管状试样的阻挡金属片。

图中：1-变频器；2-直线式齿轮减速机；3-螺旋测微器；31-可动小砧；4-锥形头；5-燕尾槽；6-载物台；7-主支撑体；8-试样台；9-电源插头；26-齿条；261-螺栓Ⅰ；262-螺栓Ⅱ；263-连接件；34-锁紧装置；341-卡箍；342-螺栓Ⅲ；343-螺栓Ⅳ；371-金属块Ⅰ；372-金属块Ⅱ；373-螺栓V；374-螺栓VI；81-试样台Ⅰ；82-试样台Ⅱ；811-螺栓A；821-螺栓B；812-螺栓C；822-螺栓D；813-阻挡金属片。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明，在具体实施过程中，所用数显螺旋测微器购于广陆数字测控股份有限公司，型号为211-103EK；所用直线式齿轮减速机购于厦门东炜庭电机工业有限公司，型号为4IK25GN-Y。

如图1-3所示，本发明提供一种在管状试样表面制作划伤的装置，该装置包括变频器1、直线式齿轮减速机2、螺旋测微器3（数显螺旋测微器）、锥形头4、燕尾槽5、载物台6、主支撑体7和试样台8；所述主支撑体7的上部设有燕尾槽5，在燕尾槽5内设有能够与之滑动配合的载物台6；直线式齿轮减速机2和螺旋测微器3均固定在主支撑体7上，在螺旋测微器3的可动小砧31上可拆卸连接制造划痕所需的锥形头4；所述试样台8置于载物台6上并与载物台可拆卸连接，试样台8上设有凹槽，凹槽的底部为弧形凸起状，弧形凸起状的底部上能够放置和固定预制尺寸的管状试样。在螺旋测微器3上安装与试样相对应的锥形头4，用于划伤试样；载物台6上设有放置和固定管状试样的试样台8。直线式齿轮减速机2上装有齿条26，齿条26与载物台6固定连接，直线式齿轮减速机2的输入端直接与变频器1的输出端相连，齿条26的前进和后退方向，由变频器1上的“正向”和“逆向”按键控制，齿条26前进和后退的速度由变频器1上的频率调整旋钮控制。

本发明中，所述数显螺旋测微器3与主支撑体7的连接方式如图2所示。金属块I371通过焊接与主支撑体7连接。数显螺旋测微器3、金属块I371与金属块II372均有钻孔，数显螺旋测微器3位于三者中间。数显螺旋测微器3、金属块I371与金属块II372通过螺栓V373和螺栓VI374固定。

本发明中，所述载物台6为燕尾状滑块，载物台6在燕尾槽5中可以做前后运动，其运行方向和运行速度与齿条26同步。

如图3所示，载物台6与齿条26的连接方式是通过连接件263连接，连接件263的纵截面为直角形，连接件263的一边通过螺栓Ⅰ261与齿条26连接，连接件263的另一边通过螺栓Ⅱ262与载物台6连接。

如图1、3所示，所述螺旋测微器3的可动小砧31与锥形头4通过锁紧装置34可拆卸连接；锁紧装置34包括卡箍341、螺栓Ⅲ342和螺栓Ⅳ343，卡箍341为筒形结构（为硬质合金GT35材质），在卡箍341侧面安装可伸至卡箍341内的螺栓Ⅲ342和螺栓Ⅳ343，螺栓Ⅲ342和螺栓Ⅳ343分别与卡箍341通过螺纹连接。数显螺旋测微器3的可动小砧31和锥形头4由锁紧装置34锁紧，具体锁紧方式是：数显螺旋测微器3有可动小砧31，锥形头4与可动小砧31相对设置，卡箍341套在锥形头4与可动小砧31外侧，螺栓Ⅲ342对应于可动小砧的侧面，螺栓Ⅳ343对应于锥形头4的侧面，通过螺栓Ⅲ342锁紧可动小砧，通过螺栓Ⅳ343锁紧锥形头4。

所述试样台8可以设计为两种：试样台Ⅰ81和试样台Ⅱ82；试样台Ⅰ81其凹槽底部的两侧边高度相等（即弧形凸起两侧的直边到试样台的底面的距离相等），试样台Ⅰ81用于在管状试样中间位置制作划痕（划痕平行于管状试样的轴向方向）；试样台Ⅱ82其凹槽底部的两侧边高度不相等，试样台Ⅱ82用于在管状样品中间位置的两侧制作划痕。在管状试样表面预制的划痕位置因试样台设计方式的不同而不同。通过试样台Ⅰ81和试样台Ⅱ82的更换，可以在同一管状试样表面每间隔一定角度均匀制作等距的3条相同特征（深度、宽度）的划痕。

如图1、4、5、6所示，载物台6与试样台Ⅰ81或试样台Ⅱ82通过螺栓A811或螺栓B821连接并固定。试样台Ⅰ81和试样台Ⅱ82其凹槽底部为弧形凸起状，弧形的直径与实验用管材内直径尺寸形同。试样台Ⅰ81或试样台Ⅱ82均设有阻挡金属片813，用于固定管状试样一端。阻挡金属片813通过螺栓C812或螺栓D822连接。

本发明中，锥形头4由特殊的硬质材料制成，如：YG8、YG12或YG15等。

如图1-6所示，利用上述划伤装置在管状试样表面制造划痕，具体的操作如下：

1.按实际需求选择一定尖端尺寸的锥形头4（尖端尺寸用于调整划痕的宽度），通过如图4所示锁紧装置34将锥形头4与数显螺旋测微器3的可动小砧连接并固定在一起。

2.将阻挡金属片813安装于试样台Ⅰ81靠近齿条的一侧。

3.将试样台Ⅰ81初步放置于载物台6上。首先设置锥形头4的中轴线在试样台Ⅰ81中弧形凸起底面的最高点的正上方，调整好后，将试样台81紧固于载物台上。

4.将预制好的管状试样放置于试样台Ⅰ81的弧形凸起状底面上，管状试样一端顶住阻挡金属片813。

5.将电源插头9连接于220V供电电源，调节变频器1的调频旋钮，将输出频率控制到一定频率（如10Hz，此时直线式齿轮减速机2的输出速度，即齿条26的移动速度将是最大速度的五分之一，可根据具体需要调整变频器1的频率）。

6.设置锥形头位置零点。首先，旋转数显螺旋测微器3使之带动锥形头4向上移动，以防锥形头4在调零之前碰到管状试样表面。然后，按变频器1的“正向”按键，把试样移动到锥形头4的正下方，缓慢调节数显螺旋测微器3，在锥形头4刚刚接触管状试样的表面后停止调节。接着，按数显螺旋测微器3的Zero按键，屏幕上的数字显示为0，这就设置好了锥形头4的位置零点。

5.设定划痕深度。在设置好位置零点后，将数显螺旋测微器3调整，使锥形头4离开试样表面。然后，按变频器1的“逆向”按键，使试样离开锥形头4中心约0.5厘米的距离。接着，继续调节数显螺旋测微器3的旋转按钮，在显示器上设置要得到的划痕深度。最后，锁定数显螺旋测微器3。

6.制造划痕。按下变频器1的“正向”按钮，直线式齿轮减速机2的齿条26推动载物台6前进。当放置于试样台Ⅰ81上的管状试样经过锥形头4后，表面留下预设深度的划痕。

7.在同一管状试样的表面制作具有重复特征的划痕。调整锥形头4的位置，使之远离试样台Ⅰ81。然后将试样台Ⅰ81更换为试样台Ⅱ82，重复步骤2-6的动作，将在管状试样中间位置一侧制作出具有同样特征的一条划痕。在获得该条划痕后取出管状试样，将其旋转180°，并固定于试样台Ⅱ82中，重复步骤2-6的动作，在管状试样中间位置另一侧制取具有同样特征的划痕。

Claims (8)

1.一种在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：该方法是采用在管状合金表面制作划痕的装置进行，该装置包括变频器(1)、直线式齿轮减速机(2)、螺旋测微器(3)、锥形头(4)、燕尾槽(5)、载物台(6)、主支撑体(7)和试样台(8)；其中：所述主支撑体(7)的上部设有燕尾槽(5)，在燕尾槽(5)内设有能够与之滑动配合的载物台(6)；所述直线式齿轮减速机(2)和螺旋测微器(3)均固定在主支撑体(7)上，在螺旋测微器(3)的可动小砧(31)上可拆卸连接制造划痕所需的锥形头(4)；所述直线式齿轮减速机(2)上的齿条(26)与载物台(6)固定连接，直线式齿轮减速机(2)的输入端直接与变频器(1)的输出端相连；所述试样台(8)置于载物台(6)上并与载物台可拆卸连接，试样台(8)上设有凹槽，凹槽的底部为弧形凸起，弧形凸起状的底部上能够放置和固定预制尺寸的管状试样；所述试样台(8)其凹槽底部的两侧边高度相等；或者，所述试样台(8)其凹槽底部的两侧边高度不相等；

所述在管状合金表面制作划痕的方法，包括如下步骤：

(1)按实际需求选择合适形状的锥形头，通过锁紧装置将锥形头与螺旋测微器的可动小砧连接并固定在一起；

(2)根据需要选择试样台并将其固定于载物台上，并调整对中；调整对中的过程为：将试样台放置于载物台上，首先设置锥形头的中轴线在试样台中凹槽底面的最高点的正上方，调整好后，将试样台紧固于载物台上；

(3)将变频器的电源插头连接于供电电源，调节变频器的调频旋钮，将输出频率控制在0.01-50Hz；

(4)设置锥形头位置零点；

(5)设定划痕深度；设定划痕深度的过程为：在设置好位置零点后，调整螺旋测微器，使锥形头离开管状试样表面；然后，按变频器的“逆向”按键，使试样离开锥形头尖端平面1～3厘米的距离；接着，继续调节螺旋测微器的旋转按钮，在显示器上设置要得到的划痕深度；最后，锁定螺旋测微器；

(6)制造划痕：按下变频器的“正向”按钮，直线式齿轮减速机带动载物台和试样台同步前进；当试样经过锥形头后，试样表面留下预设特征的划痕；选择凹槽底部的两侧边高度相等的试样台能够在管状试样中间位置得到一条划痕；选择凹槽底部的两侧边高度不相等的试样台能够在管状试样中间位置的一侧得到一条划痕，将试样旋转180°重新放入该试样台，重复制作划痕的过程，能够在管状试样中间位置的另一侧得到一条划痕。

2.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：所述载物台(6)为燕尾状滑块，载物台(6)在燕尾槽(5)中的运行方向和运行速度与齿条(26)同步；所述螺旋测微器(3)采用数显螺旋测微器。

3.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：所述载物台(6)与齿条(26)通过连接件(263)连接，连接件(263)的纵截面为直角形，连接件(263)的一端通过螺栓Ⅰ(261)与齿条(26)连接，连接件(263)的另一端通过螺栓Ⅱ(262)与载物台(6)连接。

4.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：所述螺旋测微器(3)的可动小砧(31)与锥形头(4)通过锁紧装置(34)可拆卸连接；所述锁紧装置(34)包括卡箍(341)、螺栓Ⅲ(342)和螺栓Ⅳ(343)，所述卡箍(341)为筒形结构，在卡箍(341)侧面安装可伸至卡箍(341)内的螺栓Ⅲ(342)和螺栓Ⅳ(343)，螺栓Ⅲ(342)和螺栓Ⅳ(343)分别与卡箍(341)通过螺纹连接；螺旋测微器(3)的可动小砧(31)与锥形头(4)相对设置，卡箍(341)套装在锥形头(4)与可动小砧(31)上，螺栓Ⅲ(342)对应于可动小砧(31)的侧面，螺栓Ⅳ(343)对应于锥形头(4)的侧面，通过螺栓Ⅲ(342)锁紧可动小砧，通过螺栓Ⅳ(343)锁紧锥形头(4)。

5.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：按实际需求选择尖端尺寸不同的锥形头(4)，所述锥形头(4)的材质为YG8、YG12或YG15。

6.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：所述试样台(8)通过螺栓可拆卸连接于载物台(6)上；所述试样台靠近齿条的一端设有阻挡金属片(813)，所述阻挡金属片(813)通过螺栓固定于试样台(8)上。

7.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，设置锥形头位置零点的过程如下：

首先，旋转螺旋测微器使之带动锥形头向上移动，以防锥形头在调零之前碰到试样；然后，按变频器的“正向”按键，把试样移动到锥形头的正下方，调节螺旋测微器，在锥形头刚刚接触试样到表面停止调节；接着，按螺旋测微器的“Zero”按键，屏幕上的数字显示为0，这就设置好了锥形头的位置零点。

8.按照权利要求1所述的在管状合金表面制作划痕的方法，其特征在于：在同一管状试样表面不同位置都制作划痕时，需要更换试样台，更换试样台的过程如下：

调整螺旋测微器，使锥形头远离管状试样表面；然后，按变频器的“逆向”按键，使锥形头尖端平面离开试样1～3厘米的距离；接着，断开试样台与载物台的连接，并将阻挡金属片固定于另一种试样台上；最后，将该试样台用螺栓连接并固定于载物台，完成更换。