[发明专利]一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机。

背景技术

微动是指在存在振动的条件下，发生在紧密配合表面之间的微米量级相对运动。微动过程中伴随摩擦磨损现象，造成接触面的咬合，形成应力腐蚀，加速裂纹扩展，从而使零件的疲劳寿命显著降低。微动摩擦研究中用到的微动摩擦试验机可以分为三类：机械式、电磁式和电液伺服式。机械式试验机结构简单、振幅和频率较为稳定、成本较低，但振动频率低，难以实现微小位移的精确控制；电磁式试验机通过变频器可以实现较大频率范围的测试，但系统刚度不足，激振力较小，稳定性较差；电液伺服式试验机的综合性能好，但是设备体积大、使用成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，利用超声振动发生器提供微小可控的振幅，振动方向与接触平面垂直，从而实现高频微米级振幅的切向微动摩擦测试，同时设备结构简单，测量精度高，使用成本低，维护简便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机，包括被测试试件5及与被测试试件5发生微动摩擦的微动摩擦头6；还包括基座系统、超声振动系统和测力系统；

所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；

所述超声振动系统包括超声发生器9，超声变幅杆8和连接杆7；超声变幅杆8装接在Z轴滑台11，超声发生器9传动连接超声变幅杆8；连接杆7固接在超声变幅杆8上；所述微动摩擦头6固接在连接杆7上；

所述测力系统包括力传感器4，电荷放大器和数据采集卡；力传感器4固接在X轴滑台3上，该电荷放大器信号连接力传感器4，该数据采集卡信号连接电荷放大器；所述被测试试件5固接在力传感器4；

通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被测试试件5和微动摩擦头6可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试试件5与微动摩擦头6的相对位置；通过超声发生器9产生超声振动并通过超声变幅杆8和连接杆7传递至微动摩擦头6以使微动摩擦头6发生振动从而实现微动摩擦头6与被测试试件5间发生微动摩擦；通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间力的动态变化。

一实施例中：所述微动摩擦头6为滑动摩擦头或滚动摩擦头；所述滑动摩擦头之顶端形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°；所述滚动摩擦头之顶端设有直径为0.3～9.525mm的滚珠。

一实施例中：所述被测试试件5经过研磨抛光处理以使其表面粗糙度不大于Ra0.1μm，该被测试试件5用超声清洗机清洗后固接在力传感器4。

一实施例中：所述连接杆7为带锥度螺钉；所述连接杆7螺接在超声变幅杆8上。

一实施例中：所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。

一实施例中：所述力传感器4的性能参数为：测力范围为-105N～105N，测力精度高于0.0025N，采样频率高于8KHz；

一实施例中：所述超声发生器9的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。

一实施例中：所述微动摩擦头6信号连接力传感器4。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

一种超声振动实现微位移的微动摩擦试验机的使用方法，包括：

1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被测试试件5在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对微动摩擦头6；

2)通过Z轴滑台11调整微动摩擦头6在Z轴方向上的位置使其对被测试试件5施加微动摩擦载荷；

3)启动超声振动系统以使微动摩擦头6发生振动，从而实现微动摩擦头6与被测试试件5发生微动摩擦；

4)通过测力系统检测微动摩擦头6与被测试试件5间微动摩擦过程中摩擦力的动态变化，得到微动摩擦测试数据。

一实施例中：所述步骤2)中，微动摩擦头6对被测试试件5施加微动摩擦载荷的方法包括：