一种温度压力可控的扩散实验装置的制作方法

本发明涉及扩散实验设备领域，尤其涉及一种温度压力可控的扩散实验装置。

背景技术：

硬质合金刀具在切削铁碳合金、镍基合金时会发生扩散磨损、粘结破损，本质原因是刀-屑间的元素扩散，其主要因素主要是材料之间的化学亲性、温度、压力、浓度梯度等。

为了研究刀-屑间的元素扩散，目前的刀-屑间扩散实验方式是将刀-工材料装夹或焊接到一起，经高温炉加热后冷却，得出扩散实验结果，这种实验方案不仅无法模拟刀具材料和工件材料的相对运动；而且在将两者装夹后，浓度梯度的变化率与实际工况不一致；另外，由于夹具和刀、工材料的热膨胀系数的不同，将导致常温和高温下的刀-工表面承受的法向压力发生变化。因此，现有的扩散实验方式无法准确研究压力、浓度梯度变化对扩散的影响。

技术实现要素：

为此，需要提供一种温度压力可控的扩散实验装置,以解决现有技术中扩散实验的无法反应实际的扩散因素的问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种温度压力可控的扩散实验装置，包括工作台、横向进给装置、纵向进给装置、压力调节装置、压力测量装置、刀具夹持装置、温度调节装置及温度测量装置；所述纵向进给装置包括支架及纵向驱动机构；所述温度调节装置包括加热机构及冷却机构；

所述加热机构设置于工作台处，平板形工件固定设置于加热机构上；所述支架架设于加热机构上方，所述横向进给装置与支架传动连接，用于驱动支架横向移动；所述压力调节装置可纵向移动地设置于支架处，用于向刀具夹持装置施加挤压平板形工件的压力；所述纵向驱动机构与压力调节装置传动连接，用于驱动压力调节装置纵向移动；

所述刀具夹持装置、冷却机构均设置于平板形工件上方，且均与压力调节装置连接，分别用于夹持刀具、降低刀具和平板形工件的接触温度；所述温度测量装置设置于平板形工件及刀具之间，用于测量管形工件与刀具接触温度；所述压力测量装置设置于刀具夹持装置内，且与压力调节装置连接，用于测量压力调节装置向刀具夹持装置施加挤压平板形工件的压力。

作为本发明的一种优选结构，所述加热机构为氮化硅陶瓷加热板。

作为本发明的一种优选结构，所述冷却机构包括气管和空气泵，所述气管的一端连接于压力调节装置的底部，且朝向平板形工件和刀具的接触面，所述气管的另一端于空气泵的出气口连接。

作为本发明的一种优选结构，所述压力调节装置包括直线往复机构和第一加压平台，所述直线反复机构为直线电机、液压缸或气缸；所述直线往复机构纵向移动地设置于支架处，且直线反复运动的输出端朝下设置；所述第一加压平台连接于直线反复机构的输出端下；所述刀具夹持装置、冷却机构均连接于第一加压平台下。

作为本发明的一种优选结构，还包括第二加压平台，所述第二加压平台的背面设置有第一滑块，所述压力调节装置连接于第二加压平台的背面；

所述支架包括横梁及两个支撑件；所述横梁纵向跨于作业台上，横梁设置有纵向滑轨；两个支撑件分别可横向滑动地设置于横梁的两端；

所述第二加压平台通过第一滑块可纵向滑动地连接与横梁的纵向滑轨处。

作为本发明的一种优选结构，所述纵向驱动机构为丝杆电机，所述第二加压平台的背面设置有第一传动螺母；所述丝杆电机的机体连接与横梁处；丝杆电机的丝杆与纵向滑轨平行设置，且与第一传动螺母螺纹传动连接。

作为本发明的一种优选结构，所述作业台设置有两条横向滑轨，两条横向滑轨相对设置；两个支撑件的底部均设置有第二滑块，两个支撑件分别通过第二滑块可横向滑动地连接于两条滑轨处。

作为本发明的一种优选结构，所述横向进给装置包括连接架、横向驱动机构，所述横向驱动机构为直线电机；所述连接架位于作业台下方，且与两个第二滑块连接；所述直线电机与连接架连接，用于驱动连接架带着两个第二滑块横向移动。

作为本发明的一种优选结构，所述刀具夹持装置包括壳体，所述壳体的内部为空腔，所述压力测量装置固定设置于空腔内；壳体开设有开口，刀具的一端可活动地穿于开口处，且顶靠着压力测量装置。

作为本发明的一种优选结构，所述空腔内还设置有隔热垫，所述隔热垫位于压力测量装置和刀具之间，用于隔绝刀具传导至压力测量装置处的热度。

区别于现有技术，上述技术方案所述的温度压力可控的扩散实验装置，通过在工作台上设置加热机构，并将平板形工件固定于加热机构上，则可以对平板形工件加热，这样则可以在实验过程中，模拟实际工况下平板形工件与刀具之间温度。通过在平板形工件和刀具之间设置冷却机构，则可以对平板形工件和刀具进行降温，进而达到温度调节的作用，这样不仅可以将过高的温度调节至实验所需的温度值，还可以避免各个机构因温度过高而损坏。通过在平板形工件和刀具之间设置温度测量装置，则可以实现对平板形工件和刀具的接触温度的测量，即起到监测的作用，在监测到温度未达到实验所需的温度值时，加热机构则可以继续加热以提高温度，在监测到温度超过实验所需的温度值时，冷却机构则可以启动以降低温度。通过设置横向进给装置，则可以实现驱动设置有刀具夹持装置的纵向进给装置横向移动，通过设置纵向进给装置，则可以实现驱动刀具夹持装置纵向移动，进而可以实现在实验过程中，模拟实际工况下刀具相对平板形工件的相对移动。通过将刀具夹持装置设置于压力调节装置下，则可以施加并调节刀具挤压平板形刀具的压力。通过在刀具夹持装置内设置压力测量装置，则可以实现对压力的测量，在测量得压力值未到达实验所需的压力值时，压力调节装置则可以增加压力，在测量得压力值超过实验所需的压力值时，压力调节装置则可以减少压力。因此，本实验装置则可以模拟实际工况，并对压力和温度可控地进行扩散实验，即可以反应实际的扩散因素，且实验结果更加准确。

附图说明

图1为本发明一实施例涉及的温度压力可控的扩散实验装置的结构图；

图2为本发明一实施例涉及的温度压力可控的扩散实验装置的底部结构图；

图3为本发明一实施例涉及的刀具夹持装置的结构图；

图4为本发明一实施例涉及的刀具夹持装置的剖视图。

附图标记说明：

1.工作台；2.台上横向滑轨；3.氮化硅陶瓷加热板；4.平板形工件；5.第二滑块；6.支撑件；7.红外传感器；8.温度测量装置支架；9.光杠支座；10.光杠；11.液压缸；12.第一滑块；13.纵向滑轨；14.横梁；15.气管；16.刀具夹持装置；17.台底滑轨；18.圆柱销；19.台下横向滑轨；20.连接架；21.夹持装置法兰盘；22.压力测量装置缸体；23.压盖；24.刀具；25.陶瓷隔热垫；26.圆板式测力仪。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图4，本发明提供了一种温度压力可控的扩散实验装置，为研究硬质合金刀具切削合金发生元素扩散的影响因素提供实验装置，尤其是提供一种能够反应实际扩散因素，且能够准确控制扩散因素的实验装置。

在具体的实施例中，所述温度压力可控的扩散实验装置包括工作台1、横向进给装置、纵向进给装置、压力调节装置、压力测量装置、刀具夹持装置、温度调节装置及温度测量装置；所述纵向进给装置包括支架及纵向驱动机构；所述温度调节装置包括加热机构及冷却机构。其中，所述工作台1为本实验装置的操作平台，用于安装温度压力可控的扩散实验装置的其他装置，以及为用户提供放置工件的平台。所述横向进给装置和纵向进给装置用于分别驱动夹持有刀具的刀具夹持装置16相对平板形工件4横向移动和纵向移动，进而模拟实际工况下刀具相对平板形工件4的移动。

所述压力调节装置用于向刀具施加挤压平板形工件4的压力，进而模拟实际工况下刀具挤压平板形工件4的压力，并能够根据实验所需调节压力所需值。所述压力测量装置用于测量压力调节装置向刀具施加挤压平板形工件4的压力值，压力调节装置在调节压力值时，则可以根据压力测量装置的测量结果进行调节。

所述温度调节装置用于在实验过程中保证温度可控、或研究试样在摩擦作用下温度的变化。其中所述加热机构用于加热平板形工件4，使平板形工件4和刀具之间具有一定的温度，所述冷却机构用于在温度超过实验所需值时，降低平板形工件4和刀具之间的温度，以实现温度调节的作用。所述温度测量装置用于测量平板形工件4和刀具之间的温度值，为温度调节装置调节温度提供温度数据，以保证温度调节装置可以将温度调节至指定的温度。

所述加热机构设置于工作台1处，平板形工件4固定设置于加热机构上。具体地，所述加热机构设置成平板形，这样的设置使得加热机构可以完成贴合着平板形工件4，达到均匀加热的效果，在某一实施例中，所述加热机构可以为氮化硅陶瓷加热板3。这样的设置使得加热机构可以平板形工件4加温，使粘焊和扩散实验在预订的温度内运行。

为了保证平板形工件4可以固定于加热机构上，在进一步的实施例中，所述氮化硅陶瓷加热板3的表面可以设置有卡槽，所述平板形工件4的底部设置有卡块，平板形工件4则可以通过卡块卡于卡槽内而与氮化硅陶瓷加热板3固定连接，又可以便于拆卸。

所述支架架设于加热机构上方，所述横向进给装置与支架传动连接，这样的设置使得横向进给装置可以驱动支架横向移动。所述压力调节装置可纵向移动地设置于支架处，所述纵向驱动机构与压力调节装置传动连接，这样的设置使得纵向驱动机构则可驱动压力调节装置纵向移动。所述刀具夹持装置16、冷却机构均设置于平板形工件4上方，且均与压力调节装置连接，这样的设置使得刀具夹持装置16所夹持的刀具可以在横向进给装置和纵向驱动机构的驱动下，随着压力调节装置同步移动，即实现模拟实际工况时刀具和平板形工件4的相对运动。

在某一实施例中，所述压力调节装置包括直线往复机构和第一加压平台，用于为刀具在实验过程中加压，可以模拟刀具切削工件过程中的法向切削力。通过直线往复机构带动第一加压平台上下移动，从而可以向刀具施加压力。具体地，所述直线反复运动可以为直线电机、液压缸11或气缸等直线运动机构，为了避免刀具夹持装置16受到损伤，在优选的实施例中，本方案中的直线反复机构采用液压缸11。

所述直线往复机构纵向移动地设置于支架处，且直线反复运动的输出端朝下设置；所述第一加压平台连接于直线反复机构的输出端下；所述刀具夹持装置16、冷却机构均连接于第一加压平台下。在需要向刀具夹持装置16施加压力时，则可以启动直线往复机构的输出端伸长，以带动第一加压平台向下移动，使刀具夹持装置16所夹持的刀具挤压着平板形工件4；在需要调小向刀具夹持装置施加的压力时，则可以启动直线往复机构的输出端逐步缩短，以带着第一加压平台向上移动，使刀具夹持装置16所夹持的刀具挤压平板形工件4的压力变小。

为了使压力调节装置可以带着刀具夹持装置16可纵向移动地连接于支架处，在某一实施例中，还设置有第二加压平台，所述第二加压平台的背面设置有第一滑块12，所述压力调节装置连接于第二加压平台的背面；

所述支架包括横梁14及两个支撑件6；所述横梁14纵向跨于作业台上，横梁14设置有纵向滑轨13；两个支撑件6分别可横向滑动地设置于横梁14的两端；

所述第二加压平台通过第一滑块12可纵向滑动地连接与横梁14的纵向滑轨13处。这样的设置使得压力调节装置可以在平板形工件4的上方，与支架连接的前提下，可以沿着支架纵向移动。

为了使压力调节装置更稳定地纵向移动，在进一步的实施例中，还设置有纵向导向装置，所述纵向导向装置包括光杠10，所述光杠10设置于两个支撑件6之间，并通过设置于支撑件6处的光杠支座9固定，且与横梁14平行设置；所述第二加压平台的背面还设置有套管，所述套管可滑动地套于光杠10处，纵向驱动机构作业时，第一滑块12和套管同步沿纵向方向移动。

在某一实施例中，支撑件6内嵌直线轴承，与光杠10组成移动副，用于承担加压方向载荷，保持加压过程中液压缸11工作姿态的稳定。

为了驱动压力调节装置沿着横梁14纵向移动，所述纵向驱动机构可以为直线电机，直线电机固定于横梁14表面，在优选的实施例中，所述纵向驱动机构为丝杆电机，所述第二加压平台的背面设置有第一传动螺母；所述丝杆电机的机体连接与横梁14处；丝杆电机的丝杆与纵向滑轨13平行设置，且与第一传动螺母螺纹传动连接。在需要驱动压力调节装置纵向移动时，则可以启动丝杆电机，丝杆电机的丝杆旋转，使得第一传动螺母在螺纹传动的作用下沿着丝杆电机的丝杆移动，压力调节装置则随着第二加压平台同第一传动螺母同步移动。

在某一实施例中，所述压力调节装置还包括压力控制器，所述压力控制器与压力测量机构、直线往复机构连接，用于根据压力测量装置的测量结果控制压力机施加的压力力度。

为了使得支架与作业台可横向移动地连接，在优选的实施例中，所述作业台设置有两条横向滑轨，两条横向滑轨相对设置；两个支撑件6的底部均设置有第二滑块5，两个支撑件6分别通过第二滑块5可横向滑动地连接于两条滑轨处。这样的设置使得支撑件6与作业台连接的前提下，又能沿着作业台横向移动，还能限制支撑件6横向移动的轨迹，以及降低支撑件6横向移动的摩擦力。

在某一实施例中，所述横向进给装置可以包括连接架20、横向驱动机构，所述横向驱动机构为直线电机；所述连接架20位于作业台下方，且与两个第二滑块5连接；所述直线电机与连接架20连接，用于驱动连接架20带着两个第二滑块5横向移动。具体地，所述横向滑轨包括台上横向滑轨2和台下横向滑轨19，台上横向滑轨2设置于作业台上，台下横向滑轨19设置于作业台底部，且与台上横向滑轨2堆成，所述第二滑块5为匚形滑块，匚形滑块卡于作业台侧壁处，且顶部和底部分别可滑动地卡于台上横向滑轨2和台下横向滑轨19处，横向滑轨和第二滑块5一起组成移动副，台上横向滑轨2用于安放支撑件6，台下导轨用于在压力调节装置施压时保证设备不被压力顶起，保持装置稳定工作。连接架20的两端分别与两个匚形滑块的底部连接。

所述直线电机也可以为丝杆电机，此时作业台还设置有台底滑轨17，所述台底滑轨17与两个横向滑轨平行设置，所述连接架20设置有第三滑块，所述第三滑块通过圆柱销18与连接架20连接；所述第三滑块可滑动地连接与台底滑轨17处，且第三滑块横向开设有螺纹孔，所述丝杆电机的机体连接与作业台底部，且丝杆电机的丝杆与台底滑轨17平行，第三滑块通过丝杆电机的丝杆螺纹传动连接。在需要驱动支架横向移动时，则可以启动丝杆电机，丝杆电机的丝杆旋转，在螺纹传动的作用下，第三滑块沿着台底滑轨17横向移动，使得与第三滑块连接的连接架20带着两个支撑件6同步横向移动，从而可以带动横梁14及与横梁14连接的装置横向移动。

为了在温度过高或需要调节温度时降低温度，在某一实施例中，所述冷却机构包括气管15和空气泵，所述气管15的一端连接于压力调节装置的第一加压平台的底部，且朝向平板形工件4和刀具的接触面，所述气管15的另一端于空气泵的出气口连接。这样的设置使得需要为平板形工件4和刀具的接触面降温时，可以直接通过启动空气泵，为平板形工件4和刀具的接触面之间导入高压冷空气即可，降低刀-工接触表面温度，可保证实验在预设的温度范围内进行。

所述温度测量装置通过温度测量装置支架8设置于平板形工件4及刀具之间，用于测量管形工件与刀具接触温度。这样的设置位置可以保证温度测量装置与刀具在实验过程中相对静止，可实现实时采集工件材料(钢板)的温度以及刀工材料接触区温度。所述温度测量装置可以为红外传感器7，也可以为红外热像仪。

在某一实施例中，所述温度调节装置还包括温度控制器，所述温度控制器与温度测量装置、加热机构、冷却机构连接，用于根据温度测量装置的测量结果控制加热机构和冷却机构，可保证实验在预设的温度范围内进行。

所述压力测量装置设置于刀具夹持装置16内，且与压力调节装置连接，用于测量压力调节装置向刀具夹持装置16施加挤压平板形工件4的压力，所述压力测量装置可以为压力传感器或者圆板式测力仪26。具体地，请参阅图3至图4,所述刀具夹持装置16包括壳体，所述壳体的内部为空腔，所述壳体包括夹持装置法兰盘21和压盖23，所述夹持装置法兰盘21的底部通过螺栓与第二压力机平台的底面连接，压盖23卡合于夹持装置法兰盘21的顶部，所述压盖23、第二压力机平台将夹持装置法兰盘21的空腔围成了密闭空腔。所述压力测量装置固定设置于刀具夹持装置16内，即设置于夹持装置法兰盘21的空腔内，因此，夹持装置法兰盘21则为压力测量装置缸体22。压力测量装置用于测量压力调节装置向刀具夹持装置16施加挤压管形工件的压力；

为了安装刀具24，壳体的压盖23开设有开口，刀具24的一端可活动地穿于开口处，且顶靠着压力测量装置。这样的设置使得刀具24所受的压力则也会作用于压力测量装置处，压力测量装置则可以测得刀具24所受的压力。

在进一步的实施例中，所述压盖23和夹持装置法兰盘21的顶部均设置有螺纹，压盖23可以通过螺栓旋紧于夹持装置法兰盘21的顶部。

在进一步的实施例中，所述空腔内还设置有隔热垫，所述隔热垫可以为陶瓷隔热垫25。所述隔热垫位于压力测量装置和刀具24之间，用于隔绝刀具24传导至压力测量装置处的热度，防止高温刀具24烧毁压力测量装置。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。