可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪制造技术

本发明专利技术涉及一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，属精密科学仪器领域。主要由精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元、支撑单元组成。其中精密驱动单元电机通过减速器及传动单元中的曲柄摇杆机构，带动夹持单元的旋转端以固定的角度往复旋转，实现扭矩疲劳载荷加载；通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长，实现扭转疲劳往复偏转角度的调整；通过改变磁场加载单元极头距离，实现磁场强度的调整。本测试仪整机采用卧式结构，简单紧凑，与光学显微镜兼容性好，可对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密科学仪器领域、原位力学测试领域，特别涉及一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪。可以对材料开展不同磁场强度、不同扭转角下的扭转疲劳测试，并可以集成光学显微镜对试样进行原位实时观测，为揭示材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制提供一种可靠的测试手段。
技术介绍
材料的研究和合成的目的在于满足人类物质文明的需求，一个特定的材料具有其特定的性能是其具有使用价值的根本。而力学性能测试的研究对象，即是针对材料在外力作用下表现出来的性能，如弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧度等。据统计，疲劳破坏在整个失效件中约占80%，严重影响了人身安全及国民经济，故对材料进行疲劳研究有着十分重要的意义。近年来，利用光学显微镜、高景深显微镜、电子显微镜等显微成像系统对材料力学测试动态监测的原位测试技术，对载荷作用下材料的形变损伤进行实时观测，能深入揭示材料的微观力学行为、损伤机理，对材料学的研究及发展起到了推动作用。材料在实际工作中常常受到扭转疲劳载荷，如汽车传动轴、机床主轴、电机轴等，另外电机轴、电主轴等在承受扭转疲劳载荷时也处于磁场中。而目前针对材料的扭转疲劳测试装置，大都是以伺服电机驱动，通过输入电信号控制电机正反转实现疲劳载荷加载，体积大无法实现原位观测，并且没能实现磁场的加载。故开发一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪器，对研究材料在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳载荷时的微观力学特性及疲劳损伤机制具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术利用曲柄摇杆原理将电机单向回转转换为夹具以固定角度值往复旋转运动，通过改变曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长来调整该固定角度的大小，通过改变磁极极头距离调整加载磁场强度的大小，通过固定端夹具连接的扭矩传感器测量扭矩的大小，通过与旋转端夹具连接的编码器测量往复旋转角度及疲劳周次，从而实现电机不换向工作时不同磁场强度条件下材料的扭转疲劳试验。本专利技术可结合光学显微镜对加载过程中材料的变形损伤、微观组织变化及性能演变进行原位动态监测，进而对材料在不同磁场强度作用下的力学特性和疲劳损伤机制进行深入研究。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，整体采用卧式结构，简单紧凑，可对不同磁场强度作用下材料扭转疲劳展现的力学特性、微观组织形貌、断裂裂纹进行原位实时观测。包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元；所述精密驱动单元通过电机支架4固定于底座20一侧，包含电机编码器1、盘式电机2、减速器3，电机编码器1、减速器3分别与盘式电机2相连，为整机仪器提供动力；所述传动单元通过电机联轴器5与精密驱动单元相连，由支座23固定于底座20上，与盘式电机2同侧；所述夹持单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具支座Ⅱ15、夹具支座Ⅰ21固定在底座20的两侧；所述磁场加载单元通过螺钉固定在底座20正中间；所述检测单元包含编码器6与扭矩传感器17，编码器6通过支撑架7固定在支座23侧面，扭矩传感器17通过传感器支座18固定在底座20上远离盘式电机2的一侧。所述的传动单元包括传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9及销轴Ⅰ、Ⅱ25、26，所述传动轴22通过一对轴承Ⅰ24安装于支座23上，传动轴22通过销轴Ⅰ25与圆盘Ⅰ8连接，圆盘Ⅰ8通过销轴Ⅱ26与圆盘Ⅱ9连接，构成曲柄摇杆机构；所述圆盘Ⅱ9通过其两侧的轴套Ⅰ28及卡簧在旋转端夹具10上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹具10连接以传递扭矩；所述传动单元将电机联轴器5传递的整周回转运动，转换为圆盘Ⅱ9带动旋转端夹具10沿其轴线以固定角度往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭转疲劳载荷的加载。所述的传动轴22、圆盘Ⅰ8、圆盘Ⅱ9设有均布的销轴孔，通过调整销轴Ⅰ25、销轴Ⅱ26的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。所述的旋转端夹持机构由旋转端夹具10及压板Ⅰ11组成，压板Ⅰ11通过螺钉与旋转端夹具10连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样32；所述旋转端夹具10通过轴承Ⅱ27安装于夹具支座Ⅰ21上，旋转端夹具10上设置有轴肩及卡簧槽，通过卡簧压紧圆盘Ⅱ9、轴套Ⅰ28使轴承Ⅱ30得到定位。所述的固定端夹持机构由固定端夹具14及压板Ⅱ13组成，压板Ⅱ13通过螺钉与固定端夹具14连接并压紧试样，两者均设置有凹槽以夹持试样32；所述固定端夹具14通过轴承Ⅲ31安装于夹具支座Ⅱ15上，固定端夹具10上加工有轴肩，通过连接轴16压紧轴套Ⅱ30使轴承Ⅲ31得到定位。所述的磁场加载单元由一对磁极极头12及磁铁支座19组成，两磁极极头12对称布置于试样32两侧，并通过磁铁支座19固定在底座20上，实现整机磁场加载；同时通过调整磁极极头与磁铁支座间安装的垫片的厚度改变两磁极极头的间距，完成试样所处磁场强度的调整，实现不同磁场强度作用下的试验。所述的检测单元由编码器6与扭矩传感器17组成，其中编码器6通过编码器联轴器29与旋转端夹具10连接，实现对旋转端夹具往复偏转角度大小及疲劳周次的测量；扭矩传感器17与连接轴16通过螺钉连接，从而实现对由固定端夹具14通过键传递给连接轴16扭矩大小的测量。所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪的主体尺寸为296mm×80mm×60mm，与光学显微镜兼容性好。本专利技术的有益效果在于：整机结构紧凑，与光学显微镜兼容性好，可实时观测在不同磁场强度作用下承受扭转疲劳时材料的微观形貌、组织结构等的变化。不同于传统的扭转疲劳力学性能测试装置，能够实现电机单向回转带动试样以固定转角往复扭转的疲劳试验，并可结合光学显微镜，对不同磁场强度作用下材料的扭转疲劳试验进行原位实时观测。在驱动方面，利用由两销轴连接的三圆盘构成典型的曲柄摇杆机构，达到电机不换向工作下扭转疲劳载荷加载的目的，同时可改变销轴安装位置来改变摇杆往复摆动角度。在施加磁场方面，该仪器采用极头间距可调的双极头式磁铁，磁场强度调节控制简单。在整体结构方面，该仪器结构紧凑，并可以集成光学显微镜对试样进行实时监测，实现对材料微观组织形貌改变、晶格变化、裂纹扩展的原位动态观测。综上所述，本专利技术具有良好的应用、开发前景，对材料原位微观力学性能测试技术的发展有着重要意义。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其特征在于：整体采用卧式结构，包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元；所述精密驱动单元通过电机支架（4）固定于底座（20）一侧，包含电机编码器（1）、盘式电机（2）、减速器（3），电机编码器（1）、减速器（3）分别与盘式电机（2）相连，为整机仪器提供动力；所述传动单元通过电机联轴器（5）与精密驱动单元相连，由支座（23）固定于底座（20）上，与盘式电机（2）同侧；所述夹持单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具支座Ⅱ（15）、夹具支座Ⅰ（21）固定在底座（20）的两侧；所述磁场加载单元通过螺钉固定在底座（20）正中间；所述检测单元包含编码器（6）与扭矩传感器（17），编码器（6）通过支撑架（7）固定在支座（23）侧面，扭矩传感器（17）通过传感器支座（18）固定在底座（20）上远离盘式电机（2）的一侧。

【技术特征摘要】
1.一种可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其特征在于：整体采
用卧式结构，包括精密驱动单元、传动单元、夹持单元、磁场加载单元、检测单元；所述精密
驱动单元通过电机支架（4）固定于底座（20）一侧，包含电机编码器（1）、盘式电机（2）、减速
器（3），电机编码器（1）、减速器（3）分别与盘式电机（2）相连，为整机仪器提供动力；所述传
动单元通过电机联轴器（5）与精密驱动单元相连，由支座（23）固定于底座（20）上，与盘式电
机（2）同侧；所述夹持单元分为固定端夹持机构和旋转端夹持机构两部分，且分别通过夹具
支座Ⅱ（15）、夹具支座Ⅰ（21）固定在底座（20）的两侧；所述磁场加载单元通过螺钉固定在底
座（20）正中间；所述检测单元包含编码器（6）与扭矩传感器（17），编码器（6）通过支撑架（7）
固定在支座（23）侧面，扭矩传感器（17）通过传感器支座（18）固定在底座（20）上远离盘式电
机（2）的一侧。
2.根据权利要求1所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其
特征在于：所述的传动单元包括传动轴（22）、圆盘Ⅰ（8）、圆盘Ⅱ（9）及销轴Ⅰ、Ⅱ（25、26），所
述传动轴（22）通过一对轴承Ⅰ（24）安装于支座（23）上，传动轴（22）通过销轴Ⅰ（25）与圆盘Ⅰ
（8）连接，圆盘Ⅰ（8）通过销轴Ⅱ（26）与圆盘Ⅱ（9）连接，构成曲柄摇杆机构；所述圆盘Ⅱ（9）
通过其两侧的轴套Ⅰ（28）及卡簧在旋转端夹具（10）上得到轴向定位，并通过键与旋转端夹
具（10）连接以传递扭矩；所述传动单元将电机联轴器（5）传递的整周回转运动，转换为圆盘
Ⅱ（9）带动旋转端夹具（10）沿其轴线以固定角度往复旋转，从而实现电机单向运转时的扭
转疲劳载荷的加载。
3.根据权利要求2所述的可控磁场强度的小型扭转疲劳材料力学性能原位测试仪，其
特征在于：所述的传动轴（22）、圆盘Ⅰ（8）、圆盘Ⅱ（9）设有均布的销轴孔，通过调整销轴Ⅰ
（25）、销轴Ⅱ（26）的安装孔位完成对曲柄摇杆机构中曲柄、连杆及摇杆杆长的调节，从而改
变旋转端夹具往复偏转角度大小，实现扭转疲劳往复偏转角度的调节。
4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宏伟，刘先华，霍占伟，马志超，刘长宜，李柠，王顺博，代晓航，吴迪，苗淼，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22