一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域。具體涉及一種載荷測(cè)試范圍為5-100mN的毫牛量級(jí)儀器化壓入儀。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著表面改性材料、薄膜材料、MEMS (微電子微機(jī)械系統(tǒng))材料、復(fù)合材料、納米材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展，表面、界面及微尺度材料的工作可靠性由于面臨苛刻工作條件的挑戰(zhàn)，越來越引起人們的重視，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。然而受尺寸限制，傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)及手段已經(jīng)無法滿足上述材料的力學(xué)性能測(cè)試需要，使得材料微區(qū)力學(xué)性能的測(cè)試成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
[0003]儀器化壓入技術(shù)是在傳統(tǒng)布氏硬度和維氏硬度試驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)，它通過同步測(cè)試和記錄特定幾何形狀的壓頭壓入試樣及撤離試樣時(shí)的載荷與位移數(shù)據(jù)，可以提供比傳統(tǒng)硬度試驗(yàn)更為豐富的反映被測(cè)試材料力學(xué)性能的有用信息，這為材料諸多基本力學(xué)性能參數(shù)的識(shí)別提供了重要的技術(shù)手段。通過構(gòu)建精細(xì)的力學(xué)模型并借助大型有限元數(shù)值分析軟件，材料的諸多基本力學(xué)性能參數(shù)如楊氏模量、屈服強(qiáng)度、硬化指數(shù)、斷裂韌性、蠕變參數(shù)等均可能被識(shí)別。鑒于該技術(shù)的價(jià)值，美國(guó)納米技術(shù)公司(先并入MTS公司，后并入Agilent公司)于上世紀(jì)九十年代率先開發(fā)了被譽(yù)為“材料顯微力學(xué)性能探針”的“納米壓入儀”。近年來發(fā)達(dá)國(guó)家很多知名公司參與了類似儀器的研制，產(chǎn)品多達(dá)數(shù)十種，然而根據(jù)位移測(cè)量所選擇參照系的不同，可以把眾多已經(jīng)商品化的壓入儀分為兩類:“機(jī)架參照型壓入儀”和“試樣參照型壓入儀”。前者指壓入儀工作時(shí)位移傳感器所測(cè)位移系壓桿相對(duì)于機(jī)架某點(diǎn)的位移，在該類儀器的位移測(cè)量數(shù)值中既包含了測(cè)試所希望獲得的壓頭尖端壓入被測(cè)試樣表面的深度，又包含了儀器的機(jī)架變形、試樣支撐或夾持導(dǎo)致的可恢復(fù)及不可恢復(fù)變形。其中機(jī)架變形和試樣支撐或夾持導(dǎo)致的可恢復(fù)變形目前主要通過儀器柔度的標(biāo)定來消除，但試樣的材料類型、柔度標(biāo)定時(shí)所選擇的試樣表面不同標(biāo)定區(qū)域以及試樣支撐或夾持方式甚至夾持力的大小均會(huì)影響儀器的柔度值，導(dǎo)致精確標(biāo)定儀器柔度既麻煩又困難。不僅如此，不可恢復(fù)的支撐或夾持變形無論如何都不可能通過柔度標(biāo)定來確定和排除，因此對(duì)于“機(jī)架參照型壓入儀”，不能準(zhǔn)確確定壓頭尖端壓入被測(cè)試樣表面的深度是該類儀器硬件設(shè)計(jì)的固有問題。
[0004]對(duì)于“試樣參照型壓入儀”，其位移傳感器所測(cè)位移系壓桿相對(duì)于試樣表面某點(diǎn)或相對(duì)靜止于試樣表面上的參照物某點(diǎn)的位移。顯然，該類儀器的測(cè)量位移可以排除試樣在壓入過程中因支撐或夾持因素導(dǎo)致的試樣表面沿鉛垂方向發(fā)生的任何平動(dòng)位移(包括可恢復(fù)及不可恢復(fù)位移)，但試樣表面在壓入過程中(加載或卸載)發(fā)生小角度傾斜所構(gòu)成的對(duì)測(cè)量位移的影響在目前的所有“試樣參照型壓入儀”中均無法排除，而這將影響確定壓頭尖端壓入被測(cè)試樣表面深度的準(zhǔn)確性。
[0005]針對(duì)上述商用儀器化壓入儀存在的壓頭尖端壓入被測(cè)試樣表面深度的測(cè)不準(zhǔn)問題，本發(fā)明提供了一種高精度mN量級(jí)儀器化壓入儀的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以排除試樣在被壓入過程中因支撐或夾持因素導(dǎo)致試樣表面相對(duì)水平面發(fā)生小角度傾斜和試樣表面沿鉛垂方向發(fā)生平動(dòng)位移對(duì)壓頭壓入試樣深度測(cè)量的影響；同時(shí)，彈性裝置來柔性分配載荷傳感器量程之外的重力，確保載荷測(cè)試的高靈敏度要求，保證了該壓入儀測(cè)試壓頭壓入試樣深度和壓入載荷的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能高精度地測(cè)試金剛石壓頭壓入試樣的壓入載荷與壓入深度，為深度為最小至0.1um的表層材料楊氏模量、硬度等力學(xué)性能參數(shù)的確定提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀。
[0007]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，包括底座，底座頂端的左側(cè)沿豎直方向設(shè)有左支架，左支架的頂端與頂梁板的左端安裝相連，底座頂端的右側(cè)沿豎直方向設(shè)有右支架，右支架的頂端與頂梁板的右端安裝相連，頂梁板的板面位于水平方向，頂梁板的頂端安裝有調(diào)整板，調(diào)整板可通過水平調(diào)控組件調(diào)整調(diào)整板板面的水平位置，調(diào)整板前端的中部設(shè)有托板，托板的板面位于水平方向，托板的后端與調(diào)整板的前端固定相連，托板的頂端固定有上彈簧安裝架，上彈簧安裝架的中部沿豎直方向安裝有音圈電機(jī)，音圈電機(jī)的下部向下穿過托板的中部，音圈電機(jī)的伸縮桿沿豎直方向向下伸出；
[0008]所述音圈電機(jī)的左側(cè)沿豎直方向設(shè)有左上拉簧，左上拉簧的頂端通過左連接件安裝在上彈簧安裝架頂部的左側(cè)，左連接件可上下調(diào)整位置以調(diào)控左上拉簧的張緊力，左上拉簧的下部經(jīng)由左通孔向下穿過所述托板，左上拉簧的底端與左下調(diào)整螺栓的頂端安裝相連，左下調(diào)整螺栓的軸線位于豎直方向，左下調(diào)整螺栓通過螺紋連接旋裝在彈簧定位板板面的左側(cè)；
[0009]所述音圈電機(jī)的右側(cè)沿豎直方向設(shè)有右上拉簧，右上拉簧的頂端通過右連接件安裝在上彈簧安裝架頂部的右側(cè)，右連接件可上下調(diào)整位置以調(diào)控右上拉簧的張緊力，右上拉簧的下部經(jīng)由右通孔向下穿過所述托板，右上拉簧的底端與右下調(diào)整螺栓的頂端安裝相連，右下調(diào)整螺栓的軸線位于豎直方向，右下調(diào)整螺栓通過螺紋連接旋裝在彈簧定位板板面的右側(cè)；
[0010]所述彈簧定位板的板面位于水平方向，所述音圈電機(jī)的伸縮桿的底端頂在彈簧定位板上端面的中部，彈簧定位板的下方沿豎直方向設(shè)有上壓桿，上壓桿的頂端頂在彈簧定位板下端面的中部，上壓桿頂端的中部與連接螺桿的底端相連為一體，連接螺桿的軸線位于豎直方向，連接螺桿的外側(cè)壁上設(shè)有連接螺紋，連接螺桿的中部穿過彈簧定位板的板面的中部，連接螺桿的上部通過螺紋連接旋裝在所述音圈電機(jī)的伸縮桿的底端端面上的連接孔內(nèi)；
[0011]所述上壓桿的底端與應(yīng)變式拉壓載荷傳感器的其中一個(gè)拉壓力輸入端安裝相連，應(yīng)變式拉壓載荷傳感器的另一個(gè)拉壓力輸入端與下壓桿的頂端安裝相連下壓桿沿豎直方向安裝在壓頭組件的中部；
[0012]所述壓頭組件包括沿豎直方向設(shè)置的圓筒形的套筒，套筒的頂端具有頂蓋，所述下壓桿的中部穿過套筒頂蓋的中部，套筒利用位于套筒頂蓋上方旋裝在下壓桿上的鎖母固定在下壓桿上，套筒外側(cè)壁的左側(cè)沿左右橫向固定有左橫銷柱，套筒外側(cè)壁的右側(cè)沿左右橫向固定有右橫銷柱，右橫銷柱與右下拉簧的底端相連，右下拉簧的頂端與所述右下調(diào)整螺栓的底端相連，所述左橫銷柱與左下拉簧的底端相連，左下拉簧的頂端與所述左下調(diào)整螺栓的底端相連；
[0013]所述套筒外側(cè)壁的下部環(huán)繞設(shè)有多個(gè)探頭式電容位移傳感器，每個(gè)探頭式電容位移傳感器分別采用探頭夾具固定在套筒外側(cè)壁的下部，每個(gè)探頭式電容位移傳感器的探測(cè)方向?yàn)樨Q直向下的方向；
[0014]所述套筒的內(nèi)孔中插裝有隨動(dòng)套，隨動(dòng)套的上部吊裝在所述下壓桿的中下部，隨動(dòng)套下部伸出套筒的內(nèi)孔，隨動(dòng)套的底端沿水平方向設(shè)有隨動(dòng)盤，隨動(dòng)盤的盤面上位于每個(gè)探頭式電容位移傳感器正下方位置處分別設(shè)有一個(gè)開槽，隨動(dòng)盤的下端面固定有圓環(huán)狀的隨動(dòng)片，隨動(dòng)片位于每個(gè)開槽位置處的上端面與位于其正上方的探頭式電容位移傳感器的探頭相對(duì)；
[0015]所述隨動(dòng)盤的中部設(shè)有通孔，所述下壓桿的底端安裝有壓頭，壓頭的底端可穿過隨動(dòng)盤中部的通孔向下伸出到隨動(dòng)片下端面的下方。
[0016]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述隨動(dòng)盤中部的通孔為上端半徑大、底端半徑小的圓臺(tái)形，所述壓頭可插入隨動(dòng)盤的圓臺(tái)形通孔中。
[0017]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述水平調(diào)控組件包括3個(gè)調(diào)整螺栓，3個(gè)調(diào)整螺栓沿豎直方向旋裝在調(diào)整板板面的外側(cè)邊緣附近，每個(gè)調(diào)整螺栓的底端分別頂在頂梁板的頂端的板面上。
[0018]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述隨動(dòng)片的下方設(shè)有電動(dòng)平臺(tái)，電動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在所述底座上端面的中部。
[0019]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述探頭式電容位移傳感器的數(shù)量為3個(gè)，3個(gè)探頭式電容位移傳感器環(huán)繞所述套筒均勻布置。
[0020]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述右下拉簧和所述左下拉簧同為螺旋圓柱彈簧，在能夠分擔(dān)載荷傳感器量程之外的重力的同時(shí)確保載荷傳感器載荷測(cè)試的高靈敏度。
[0021]本發(fā)明的一種毫牛量級(jí)儀器化壓入儀，其中所述右下拉簧的剛度和所述左下拉簧的剛度之和為所述上壓桿軸向、載荷傳感器、下壓桿軸向方向剛度的5-1