专利名称：转球摩擦计的制作方法
技术领域：
象轴承、轴承座圈、阀、医疗植入物、齿轮等一样的功能性关键部件在使用中承受着研磨或粘接磨损。在要求严格的应用中，这种部件的性能直接关系到加工表面的质量，包含其表面抛光、表面和亚表面硬度以及残余应力图。然而，部件的磨损性能和疲劳寿命也取决于工作材料组分、原始材料的微构造和热处理过程，同样地，疲劳寿命的预先模拟经常充满着不准确和过于简单的假定。传导实际磨损或疲劳寿命测试经常是部件性能的唯一真实测量。
疲劳测试包括将特定装置负荷(可能是零)还有交变负荷(轴向的、扭转的或挠性的)应用至被测试的部件，然后记录在所述负荷下产生疲劳需要的旋转的圈数。标准的疲劳测试过程被说明在“疲劳测试手册”中(ASTM STP91-A)。
背景技术：
标准ASTM磨损测试方法被说明在G83-96(用于滚动接触中的类似或相异金属)或G99-04(用于滑动接触，使用针盘式装置)工艺过程中。然而，疲劳测试和滚动接触磨损测试两者都是特别耗时间的、昂贵的，并需要专用的测试设备。另外，部件测试通常限于标准样本，而不是实际的部件。针盘法测试很少用于功能性关键部件，而大多数限于教学和定性测量。
相关公开内容包括美国专利第5,795,990；5,679,883；5,315,860；4,966,030和4,958,511中。因此需要一种用于快速且便宜的方法来测试部件的磨损和耐疲劳性，该部件适于在加工车间的地面上使用。
发明内容
本发明是一种用于使用滚球对已加工的或未加工的的部件进行摩擦分析的方法和装置。该装置和方法可适于使用标准机械车间装备，譬如车床、测量尺寸的光学设备，以及可选的，测力计。
该装置包括一个球；用于所述球的支撑，其用于保持所述球与所述部件接触并且允许所述球以三个旋转自由度相对于所述部件滚动；和用于对着所述部件维持一个力在所述球上的构件。所述支撑可适于安装在刀座或转塔板上，譬如线性台面或等效的定位构件，优选地定位在两个轴中。
一种用于摩擦分析的方法，其包括放置具有三个旋转自由度的球与部件接触；维持在该球和该部件之间的力；和相对于该球移动该部件，引起该球对着所述部件滚动，以在部件中产生磨损轨迹。
该部件优选地被相对于该球旋转或线性前后移动。本发明可提供一种简单的、便宜的方法，用于测量和比较加工过的和没有加工过的表面的磨损行为，并可缩短用于部件的评估时间(从几小时或数天至小于1小时)。
本发明可提供测试实际部件的灵活性(不是特殊几何形状的特定准备的部件)，包括圆柱形的和其它非平坦表面，使为了质量控制或为了处理和材料优化来测试实际部件成为可能。在有或没有在滚动球下或其周围的润滑剂或流体的情况下，本发明可被用于测试部件的磨损或疲劳，或用于在譬如盐水的腐蚀性流体中或在有腐蚀性流体在滚动球下或其周围的情况下测试部件，。
与购买专用的、昂贵的磨损测试机器相反，这些发明可结合现有的加工装备被使用，即车床、或其它用于保持该发明的所述部件或所述装置的加工工具、测量由该发明的装置或方法引起的所述磨损或疲劳的市售显微镜或具有分度的放大镜或其它光学设备。在一些实施例中，转动的独立工件保持装备可被用来提供相对于所述球的所述部件的移动。
图1是本发明所述装置的一个实施例的横截面视图，显示在支撑中的球，在其中力由弹簧提供。
图2是本发明装置的第二个实施例的横截面视图，显示在支撑中的球，在其中力由流体提供。
图3是显示使用本发明所述装置的结果的数据表。
图4是显示安装在车床上的本发明所述装置的示意图。
具体实施例方式
本发明涉及一种包括球、支撑、和对着部件向球施加基本上恒定力的构件的摩擦设备。另外，本发明提供一种影响部件的磨损和/或疲劳的方法，以用于摩擦分析。尽管使用这些发明的所述装置和方法可测试没有被加工的部件，但这些发明尤其用于测量已被加工的部件。
为了便于理解适用于影响部件的磨损和/或疲劳的摩擦装置，附图被用于参考。(在附图中同一标记被用于表示所示装置的不同实施例中的相同元件。)任意部件可使用本发明的装置和方法被测试，包括在正常(未来)使用中将承受研磨或粘接磨损的部件。被测试的部件可由金属或非金属制造，譬如塑料或合成物。被测试的部件可被机械加工或热处理。所述部件可以是具有一包覆层的合成材料，在该包覆层中包覆可包括金属、无机的或有机的材料、或它们的组合物。
依据当前发明的第一实施例的摩擦装置1的横截面在图1中显示。该设备包括支撑3、球形球2、在支撑中以接收该球的间隙19，可选的支撑球7、后板5、压缩弹簧4和固定器6。
支撑3可由碳钢、或不锈钢或在该装置使用时抗形变的任何合适材料制造。支撑3可适合安装在刀座或转塔板或任意其他线性台面或等效物定位构件上。其中的刀座、转塔板、线性台面和等效物对机械加工领域技术人员而言是公知的。优选地线性台面在至少两个轴中提供定位。所述支撑被形成以容纳所述球2。如图1所示，所述支撑的前端8具有开口9以允许球2从开口9中凸出，但是前端8被形成保持球2在支撑3中的形状，或者譬如保持所述球在所述支撑3中的圆形金属环18或类似物的构件被安置在所述支撑中或安装到所述支撑。，球2可以是不活动的，意味着它对于为了测试而接触的所述部件是无电抗的。另外，它对于摩擦装置的其它元件和/或在部件测试期间可与部件接触的润滑剂或腐蚀性流体来说是不活动的。球2可以是刚性的，意味着它具有与被测试部件至少同样的、或大于两倍的、或大于三倍的洛氏或布氏硬度。球2可以具有与被测试部件的表面粗糙度至少相同、并优选地基本上低于此的表面粗糙度。该球可以包括任何适当硬的材料，譬如金属、陶瓷、金刚石、或其中的以合金或组合物形式的混合物，或者该球可包括使用金属、陶瓷、金刚石、或其中的以合金或组合物形式的混合物的包覆层。金属材料包含硬化钢和已热处理过的粉末材料。硬化钢包含譬如工具钢的材料。陶瓷材料可以是陶瓷氧化物、陶瓷氮化物、或陶瓷碳化物。陶瓷氧化物的例子是氧化铝、蓝宝石、氧化锆、和氧化钇。陶瓷氮化物的例子是氮化硅、立方氮化硼。陶瓷碳化物的例子是碳化硅、碳化钛、碳化钨和碳化钽。
球2的直径小于在支撑中间隙19的直径或宽度。如图1所示，球2对着所述部件(未显示)(尤其为该部件的测试表面)和对着可选的支撑球7滚动。所述支撑被设计成允许球2有在所述支撑中的三个旋转自由度。
球2可选地由三个较小的支撑球7支撑。这些支撑球7可由上面为球2列举的任一同样的材料制造。选择用于支撑球7的材料应与球2、以及用于测试部件的可选的润滑剂和腐蚀性材料是无电抗的。尽管显示了三个球，但是可使用更多或更少的球。所述支撑球7可被用于最小化球2和用于在所述球上保持基本恒定力的构件之间的摩擦，和可选的提供在所述支撑中的任何其它校准构件或其它元件之间的摩擦，所述支撑否则将与该球直接接触。如显示的，支撑球7可具有比球2小的直径。如显示的，在支撑3中圆形间隙19的直径至少略大于球2的直径，并应足够大，以使在支撑中的间隙19的纵轴垂直于由支撑球的中心形成的平面。
图1所示装置进一步包括后板5，该后板5以接触器提供力与可选的支撑球7相联系。在可选实施例(未显示)中，假如没有使用支撑球7，则后板5可直接接触球2。后板5可由上面为球2列举的任一同样的材料制造，优选使用陶瓷。在另一个可选的没有显示的实施例中，可选择的低摩擦材料或元件可替代在球2和后板5之间的支撑球被使用。
后板5与压缩弹簧4以提供力相联系。压缩弹簧4通过机械构件给球2提供作用力。所述压缩弹簧基于其法向力和位移特性被选择。合适的压缩弹簧可在测试期间提供在弹簧位移范围上的需要的法向力。在一些实施例中，所述力在整个测试中基本上是恒定的。所需的法向力一般是1至100kg(9.8至980N)，优选地为1至10kg(9.8至98N)。
如图1所示，球2、可选的支撑球7、后板5和压缩弹簧4全部由固定器6保持在所述支撑的后端17。固定器6可以是帽螺钉、螺栓、或其它合适的设备。可选择地，在另一实施例中，压缩弹簧可被定位在所述支撑和安装支撑的装置之间。
依据当前发明的另一实施例的摩擦装置的横截面被显示在图2中。该装置包括支撑3、球形球2、用于引入流体以给球2提供力的导管10。流体可以是气体或液体，从而通过气动或液动机构给球2提供力。
示意性地在图4中说明的摩擦装置1被显示作为加工设备20的部件，该加工设备20可以是车床或其它提供转动或其它反复性运动的合适的设备。如显示的，这个发明的摩擦装置被安装在线性台面24上，以使球2(未在图4中显示)与被测试部件22接触，该被测试部件被安装在夹盘或其它移动或转动25的工作夹持设备上。基本上恒定的力通过球2被施加在部件22的测试表面上。在球2和部件22的测试表面之间的力由用于图1中所示的实施例的弹簧常数确定，在图1中弹簧被用于提供相对于所述球和所述部件的基本上恒定的力，而且所述力可选择地通过连接所述装置至测力计23得到确定和/或监控，以测量由弹簧提供在球上的力。对于显示在图2中第二个实施例，在其中，力被通过气动或液动机构施加，球和部件之间的力由流体的供给压力确定。
所述部件可被保持在加工设备中的适当夹具中，譬如车床夹盘，并且被引起旋转，优选以恒定转数/分。在测试期间，部件可被以角速度100至10000转数/分旋转，优选2500至5000转数/分，以累积所需的疲劳负荷旋转数目。接触表面速度，当由部件的每分钟转数和滚动直径确定时，可在1至100,000英尺/分钟(从0.005到508m/s)的范围内变化，以模拟想要的部件使用条件。在图4中显示的实施例中，所述摩擦装置不转动，只是所述部件被所述车床旋转。此外，在图4中显示的实施例中，当与被测试的部件摩擦接触时摩擦装置的所述球移动，否则是静止的，即否则，它不滚动、转动或移动。
球2对着所述部件的测试表面和对着如果存在的所述支撑球7滚动。可选地，冷却和/或润滑可被应用至球2和所述部件的测试表面之间的接触区域，以阻止所述部件的测试表面的过热和冲刷，或测试在所述部件上各种润滑的效果。可以模拟类似于在部件的将来使用中的条件。该球对着产生磨损轨迹的所述部件的旋转测试表面滚动。所述测试的持续时间通常是从1分钟至100小时，优选地从5分钟至2小时，以及更优选地从10至30分钟。循环的总转数是大的。例如，以3500转数/分的60分钟持续时间有210,000个循环。磨损轨迹的生长可以使用市售显微镜或简单的立体显微镜随时间得到测量，并且如果需要针对由不同材料制造或在不同加工条件下制造的部件比较磨损轨迹的生长。
分离的或在一个系统内的装置，类似图4中所示的装置可选地是自动化的，带有适当的数据采集和控制装置29。所述数据采集和控制装置可被装配与测力计直接联系，以测量和监控由球传递给部件的力。
说明的具体实施例包含安装在加工设备上的装置；然而，构造一个具有相对于所述球旋转所述部件的构件的完整摩擦装置在本发明的范围内。
在所述部件上形成磨损轨迹后，通过可视化测量磨损轨迹的宽度和/或通过使用下面分析方法中的任一个原子力显微镜、俄歇电子能谱术、维氏或努氏硬度、X射线衍谢、以及扫描电子显微镜方法可来分析所述部件，以获得任何另外的由本发明的装置和方法的使用产生的与形状、微结构和/或组分变化有关的信息，从而在部件上产生磨损轨迹以实施磨损和疲劳测试。这些分析方法在本领域是公知的。使用所述分析方法的测量优选地在磨损轨迹的内侧和外侧两边实现。
下面例子用于说明该发明，但不是为了限制其范围。
例子多种已加工部件的摩擦分析当前发明的装置被构造，并被用于比较通过多种加工条件准备的部件的磨损。
所述摩擦设备的支撑由碳化钢构造，并被加工以容纳刚性的、不动的、球形球。所述刚性的、不动的、球形球是具有0.250英寸直径的蓝宝石球。三个具有0.125英寸直径的超细颗粒氧化铝支撑球对准所述支撑中的所述蓝宝石球。容纳所述球的所述支撑中的洞的直径是0.270英寸，因此提供一个松配合。通过压缩弹簧产生对蓝宝石球的力。所述压缩弹簧具有0.440英寸的自由长度，174.9磅/英寸(30.63N/mm)的弹簧刚性系数，以及在0.348英寸的长度承载16.17磅(71.92N)的负荷。陶瓷后板被用在所述压缩弹簧和所述陶瓷支撑球之间。
准备三个测试部件，每个经历在市场上可买到的.卧式车床上的不同加工状况。以每分钟600表面英尺的速度每次旋转进给0.003英寸，所有三个测试部件被切割0.020英寸。使用多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nititride)(PCBN)切割工具干加工一个部件；使用PCBN切割工具在填充满6％油/水乳液冷却剂时来加工另一部件，以及在液态氮(LIN)冷却的情况下使用AL2O3切割工具来加工第三个部件。
使用当前发明的摩擦装置一次一个地测试部件。部件被放置在车床中，以提供旋转。所述摩擦装置被放置在线性台面中，以使所述摩擦装置的蓝宝石球与每个部件相接触放置。所述弹簧被压缩至其可允许压缩的大约一半。使用测力计来确定在部件上球的力。
摩擦装置在适当的位置，对于不同的测试次数部件被以3,500转数/分旋转，使用6％油/水乳液冷却剂。在这个例子中，使用简单的允许0.001英寸精确度(25千分尺)的光学测量的市售立体显微镜(25x的低放大倍率)测量磨损轨迹宽度。针对指定的时间和被测量的轨迹跨度测试每个部件。然后，所述部件被放回车床，再次受支配于所述摩擦装置和被测量的轨迹宽度。以对于每个部件总共60分钟的测试时间该方法被重复。
图3显示了与时间相对的磨损轨迹宽度。结果显示干切割的部件比填充满乳液冷却剂切割的部件具有较窄的轨迹宽度。使用LIN切割的部件比干切割的部件具有更窄的轨迹宽度。这表示，使用LIN切割的部件比干切割的部件具有较好的磨损抵抗力，干切割的部件比使用乳液冷却剂切割的部件具有较好的磨损抵抗力。
权利要求
1.一种用于部件的摩擦分析的装置，包括一个球；用于所述球的支撑，其用于保持所述球与部件接触并且为所述球提供三个旋转自由度；和用于对着所述部件维持一个力在所述球上的构件。
2.依据权利要求1的装置，其中所述支撑适于安装所述装置在加工设备上。
3.依据权利要求1的装置，其中用于维持所述力的构件是压缩弹簧。
4.依据权利要求3的装置，进一步包括至少三个与所述球接触的支撑球。
5.依据权利要求4的装置，进一步包括在所述支撑球和所述压缩弹簧之间的后板。
6.依据权利要求5的装置，其中所述后板由陶瓷组成。
7.依据权利要求1的装置，其中所述力是基本恒定力。
8.依据权利要求4的装置，其中所述支撑球小于所述球。
9.依据权利要求1的装置，进一步包括用于相对于所述球移动所述部件的构件。
10.依据权利要求9的装置，其中用于移动的所述构件相对于所述球旋转所述部件。
11.依据权利要求10的装置，其中用于旋转的所述构件是加工设备。
12.依据权利要求1的装置，其中所述球是刚性和不活动的。
13.一种用于摩擦分析的方法，其包括放置具有三个旋转自由度的球与部件接触；维持在所述球和所述部件之间的力；和相对于所述球移动所述部件以在所述部件中产生磨损轨迹。
14.依据权利要求13的方法，其中所述移动步骤包括旋转所述部件。
15.依据权利要求14的方法，其中所述旋转步骤以基本上恒定速度发生。
16.依据权利要求14的方法，其中所述部件在100至100000转数/分之间被旋转。
17.依据权利要求13的方法，进一步包括步骤润滑所述部件和所述球。
18.依据权利要求13的方法，进一步包括步骤冷却所述部件和所述球。
19.依据权利要求13的方法，进一步包括步骤测量所述磨损轨迹的宽度。
20.依据权利要求13的方法，进一步包括步骤使用从包括原子力显微镜、俄歇电子能谱术、维氏或努氏硬度、X射线衍射、以及扫描电子显微镜方法的组中选择的分析方法，分析所述部件的所述磨损轨迹。
全文摘要
本发明涉及一种摩擦装置和方法，其包括球、支撑和用于在该球和测试表面之间维持基本上恒定力的构件。该球对着产生磨损轨迹的旋转测试表面滚动。可在产生磨损轨迹之后在所述测试表面上实现与磨损和疲劳有关的分析。
文档编号G01M13/00GK1715868SQ20051008781
公开日2006年1月4日 申请日期2005年6月14日 优先权日2004年6月14日
发明者Z·祖雷基, R·格霍斯, L·M·格里姆 申请人:气体产品与化学公司