专利名称：数字式通用硬度计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检验金属硬度的仪器。
现有的检验金属硬度的仪器包括布氏硬度计、洛氏硬度计、表面洛氏硬度计、肖氏(里氏)硬度计以及维氏硬度计。
布氏硬度试验对不同的金属类别、试样厚度、硬度值范围，采用不同的钢球或硬质合金球直径D、试验力F，即采用不同的布氏硬度标度。布氏硬度值需经测量压痕直径d后通过计算或查表才能获取，试验结果不超出所用布氏硬度标度的有效范围、压痕深度小于试样厚度的1/10、压痕直径d=(0.24～0.60)D才是有效试验。
洛氏硬度试验虽可直接读取硬度值，但各个洛氏硬度标度的试验条件各不相同，从软到硬的各类金属试样不能用同一种洛氏硬度规范试验，所以金属的各个洛氏硬度标度也是不连续的，试验结果的有效性也要受到所用洛氏硬度标度的有效范围和压痕深度的限制。
表面洛氏硬度计专门用于金属薄层的硬度试验，就其本质而言，与洛氏硬度计完全相同，只是试验时减小了试验力或同时改变了压头的尺寸而成了又一类硬度标度，因此也存在与洛氏硬度计同样的问题。
另外，以上三种硬度计都是以悬吊的砝码重力经杠杆机构放大后作为试验力施加于压头，加载系统输出的试验力是以输出的砝码质量为依据的，因此将受到砝码质量误差、杠杆相关长度尺寸的精度、接触表面的磨损等影响。
肖氏硬度计(同类的还有里氏硬度计)属动载荷试验仪器，一定质量和形状的冲头自固定高度h0落下，冲击置于试验台上的试样表面，以冲头的反弹高度h与h0的比值代表试样的肖氏硬度，因此只能对弹性模数相同的金属试样的硬度进行测定比较，但金属试样间的弹性模数总是有差异的。当试样尺寸较大、无法置于试验台时，需手持试验筒或另设支架固定试验筒。所以，肖氏硬度计的实际适用范围较小，试验结果受人为因素的影响大，准确性差。
由于上述的几种金属硬度计受试验方法和技术条件的限定，采用的是额定载荷一次性加载，因此无法预料压头的压入深度，更无法对试验过程和试验的有效性进行控制，不能使厚、薄、软、硬的各类金属试样建立起连续的某个硬度标度。这是上述几种金属硬度试验共同存在的根本性问题。目前虽有数字式布氏、洛氏、表面洛氏、里氏硬度计投入使用，但其基本结构和原理与原来的相同，也不可能超出试验方法所限定的技术条件，因此仅仅消除了压痕测量、试样的平均硬度和硬度示值的波动度计算试验结果的有效性判定等方面的不便，而不可能改变上述的那些根本性问题。
维氏硬度试验可使厚、薄、软、硬的各类金属试样建立起连续的维氏硬度标度，但目前应用维氏硬度计进行硬度试验时，也存在某些不便和限制①试验力不连续，只有有限的几档，应用时只能按所选档的试验力一次性地施加于压头，不能用控制试验力大小的方法来控制压头压入试样的程度，且试验力也是由砝码经杠杆等机械结构施加于压头，误差较大；②不能实时获取试验结果，须移出试样，经测量压痕对角线长度后通过计算或查表才能得到，效率低，这是限制维氏硬度计在金属硬度常规检验中普遍应用的首要原因；③压痕对角线长度小于试样或试验层厚度的1.5倍才是有效试验，因此试验是否有效，要等测量了压痕对角线长度后才能判定，试验过程中无法知道，不能实时控制试验的有效性；④维氏硬度值不能按需要转换为其它常用的硬度标度，如要转换，须经人工查表。
目前所有类型的金属硬度计都只对应于一种金属硬度试验方法，或以一种硬度试验方法为主，其余一、二种为辅，只能做其中的少数几个标度的硬度试验，因此都不具有通用性。
本实用新型的目的是要提供一种能便捷地用于金属布氏、洛氏、表面洛氏、维氏硬度常规检验的数字式通用硬度计，试验过程中实时显示并控制试验力的大小和压头压入试样的深度，在线获取试验结果。同时，它能保证金属维氏硬度试验的有效性，并可实现试验结果与其它常用硬度标度的自动转换；对于金属布氏、洛氏、表面洛氏硬度试验，可及时判定试验是否有效。
本实用新型的目的是通过如下技术方案实现的电解质电容式位移传感器轴线与压头轴线同轴，夹持部分与机器架连为一体，测量头与压头体上端面常接触，并预置位移量。载物台上升使试样接触压头后继续上升一定距离，为位移传感器提供压头压入深度测量的位移量，此时位移传感器读数为a0。外力驱动蜗轮蜗杆、螺纹传动系统提供的连续均匀变化的试验力，经过力传感器实时测定大小后，直接施加于压头上端面。试验力F由零逐渐增大，位移传感器读数a1不断变化。动态的F和压头压入试样的深度(包括弹性变形和塑性变形两部分)h1=a1-a0作试验过程实时显示。试验力加至预定数值F，或压头压入试样深度h1接近预定的极限(为了保证维氏硬度试验的有效性，用控制试验力大小的方法来控制压头压入薄试样的深度)，停止加载。卸载后位移传感器读数为a2，残余压痕深度h=a2-a0。h和停止加载时的试验力F送微处理器进行数据处理，在线获取试样这个点的硬度值并自动存储。每个试样试验结束后，输出硬度平均值和硬度示值波动度等所需数据。压头体的前端做成各硬度标度规定的形状和尺寸，更换不同形状和尺寸的压头体，就可以进行相应标度的硬度试验。
本实用新型使用三个力传感器，均匀分布于底座的圆周上，并用压板加预压力，去除线性差较大的小负荷部分。压板接触压头上端面施加试验力。因此试验力以力传感器的实际输出为依据，与加载系统的摩擦力、机件磨损、零件重力等因素无关，力传感器的信号增量就代表实际的试验力大小。三个力传感器同步分别采集信号、A/D转换，相加后作为试验力，避免了试验力可能偏载引起的误差。试验力误差只与力传感器综合精度和A/D转换精度有关。力传感器综合相对误差±0.1％左右，A/D转换精度0.1％，因此试验力误差将在±(0.15％～0.20％)以内，高于国家标准规定的试验力误差小于±1％的要求。以本实用新型作维氏硬度试验为例，维氏硬度值HV=F/A=1.8544F/d2=F/26.4286h2，即d=7h(F-试验力，kgf；A-残余压痕深度，mm2；d-压痕对角线平均长度，mm；h-残余压痕深度，mm)。如果h和d的测量方法相同，硬度示值误差将可能被放大7倍。本实用新型采用量程为2mm的电解质电容位移传感器，分辨率0.0001mm，线性误差±0.1％,A/D转换精度为0.1％，以h=0.1mm为例(对应的d=0.7mm),Δh的极限误差为±0.0003mm。而根据国家标准，压痕对角线长度测量装置的允许误差为±0.5d％，在未计入测长时的照准误差等情况下，Δd=±0.5d％=±0.0035mm。显然|Δd|＞|7Δh|。以上分析说明，本实用新型采用压痕深度测量的方式进行金属硬度试验时，产生的硬度示值误差将比原来的小。
由于本实用新型采用力传感器和位移传感器，去除了砝码等组成的载荷系统，结构简单、紧凑，不需要移出试样进行残余压痕测量，可实时显示试验过程中试验力和压头压入深度的动态变化。同时由于采用较大传动比的蜗轮蜗杆及适当螺距的螺纹传动系统传递外力，可实现连续均匀施加试验力，试验力和压头压入深度的变化速率较小，易于控制。因此，可根据不同硬度标度和试样的需要，灵活选择将试验力加至预定的数值，或用控制试验力大小的方法控制压头压入试样的深度，使压头不致压入太深而使薄层维氏硬度试验无效(试样或试验层硬度和厚度的大致范围是事先可以估计到的)。这样就使得试验过程直观、可控制、易控制，而且充分利用了维氏硬度试验力F与压痕面积A成正比，且就等于试样维氏硬度值的特点，保证了试验的有效性，使金属小负荷维氏硬度试验(GB5030-85)和金属维氏硬度试验(GB4340-84)合并进行。
本实用新型设置的位移传感器轴线与压头轴线重合，符合阿贝原理，测量头与压头上端面常接触，因此位移传感器读数的变化关系就代表了压头压入试样的深度，所以不但能进行试验过程显示、控制，而且卸除试验力后，可在线获取残余压痕深度h，及时判定h的有效性，如h超出限定的范围，即予以剔除，改变试验技术条件后重新进行试验。h和卸载前F的最大值送数据处理后，即可在线获取试样这个点的硬度值。每个试样试验结束后，可即刻自动获取试样的硬度平均值和每个点硬度示值的波动度等相关数据。因此，本实用新型不但能使常规硬度试验的效率大大提高，而且排除了人为因素对试验的影响，特别使维氏硬度试验能便捷地用于各类金属硬度的常规检验，解决了实际应用中以维氏硬度作为统一的硬度标度的技术问题。
本实用新型需要由硬件和软件总成的微处理器系统的功能支持。每个试样的维氏硬度值与其它常用硬度标度的转换用系统软件来实现。按照国家有关标准，以维氏硬度为基准，在软件中用表格的形式列出与其它常用硬度标准标度的对应关系，用查表的方式实施转换，以增加本实用新型的适用范围。
本实用新型采用力传感器和位移传感器，去除了砝码杠杆的加载系统，使结构简洁，而且显示实时显示，控制试验过程中试验力或压头压入深度；保证维氏硬度试验的有效性；卸载后在线测取压痕深度，获取试样硬度等数据；更换压头体后，即可进行布氏、洛氏、表面洛氏、维氏相应标度的硬度试验。因此本实用新型使用方便，硬度检测效率高，能适应任何批量试样的常规硬度检验，产生的硬度示值误差比原来的小。
本实用新型的实施例结构由以下附图给出。


图1是根据本实用新型提出的数字式通用硬度计的右视图及其A-A剖视图。图2是根据图1中压头6提出的压头结构。
下面结合图1、图2详细说明依据本实用新型提出的仪器结构和工作原理。
在图1中，机架2顶部有一个可卸下的上盖19，便于其内部零件的安装调整；机架2上部内壁两测固定两个轴承座18以支承蜗杆1，蜗杆两端伸出机架2，作外力输入端；蜗轮15与蜗杆1啮合，并用键16和螺母17固定于轴12的台阶上；固定于机架2的瓣合轴承13的钢珠与轴12的槽相配合，防止轴12及轴上零件的上、下窜动；底座10的中心螺孔与轴12下端的螺纹配合，下端面安装三个均匀分布的力传感器8，并用压板7和三个预压螺钉22压紧；护套11与机架2刚性连接，其上用螺钉21固定的导向件20为底座10的上、下移动导向；位移传感器3的夹持部分用支承9夹紧，并固定于护套11的底部，保持其测量头与压头6常接触，且两者轴线重合；显示屏14位于机架2上部的正面，以便于观察。图1所示为准备加载时的情形。
打开微处理器，系统进入本次试验所用硬度标度的状态，并进行初始化。当载物台4上升、试样5接触压头6后，位移传感器的测量头发生位移，显示屏14显示位移量为1mm左右时载物台4停止上升，系统复位。外力使蜗杆1转动，带动蜗轮15、轴12转动，底座10在导向件20的导向下下行，压板7接触压头6上端面，加载开始。系统实时采集传感器信号送微处理器，将试验力F和压头6压入深度h1显示于屏14。当F或h1达到预定的数值后停止加载，载荷保持达规定的时间后卸载。卸载结束时(作维氏、布氏硬度试验时，将载荷卸至零；作洛氏、表面洛氏硬度试验时，只卸去主载荷，保留预载荷，显示的h1值即为残余压痕深度h。h值和系统求出的停止加载时最大的F输入微处理器，屏14显示这个点的序号和硬度值并存储。退下载物台4，使试样5和压头6脱离接触，选择好试样5上下一个试验点的位置，重复上述步骤进行试验。试样5实验结束后，系统输出，获取试样5硬度平均值和硬度示值波动度等数据。必要时进行维氏硬度与其它标度的转换。
在图2中，压头6由压头座23和压头体24组成，压头体24的尾锥27与压头座23中心锥孔相配合。压头体24的前端25做成各硬度标度规定的形状和尺寸如为钢球，前端25做成高度H=(0.10～0.12)球体直径D的球缺；如为硬质合金球或120°金刚石圆锥，则先将毛坯嵌入压头体24后，再以压头体24母线为基准将前端25磨成型。更换压头6时，先降下载物台4，再以图1中的加载系统压紧图2中的压头座23，待显示压紧力达100kgf以上时，用手工工具插入压头体24的通孔26中，绕压头体24的轴线转动，即可将压头体24与压头座23分离。更换压头6后，退回加载系统，用较软的垫块代替试样置于载物台4，加载100kgf以上，使压头体24的尾锥27与压头座23紧密配合。图2是球形压头的具体结构。
权利要求1．一种数字式通用硬度计，该仪器有一个机架(2)和一个可升降的载物台(4)组成，其特征在于在机架(2)的上部，有一个蜗杆(1)，蜗轮(15)，轴(12)，底座(10)，力传感器(8)，压板(7)组成的试验力加载装置；在与机架(2)刚性连接的护套(11)上，有一个由位移传感器(3)，支架(9)，压头(6)组成的压痕深度测量装置。
2．如权利要求1所述的数字式通用硬度计，其特征在于机架(2)上部内壁两侧固定两个轴承座(18)以支承蜗杆(1)，蜗杆(1)两端伸出机架(2)作外力输入端，外力驱动蜗杆(1)、蜗轮(15)提供连续均匀变化的试验力，经过力传感器(8)测定大小后，直接施加于压头(6)上端面。
3．如权利要求1所述的数字式通用硬度计，其特征在于底座(10)的中心螺孔与轴(12)下端的螺纹配合，下端面安装三个均匀分布的力传感器(8)，并用压板(7)和三个预压螺钉(22)压紧，力传感器(8)可实时测量试验过程中试验力的动态变化和最大试验力。
4．如权利要求1所述的数字式通用硬度计，其特征在于位移传感器(3)的夹持部分用支承(9)夹紧，并固定于护套(11)的底部，保持位移传感器(3)的测量头与压头(6)上端面常接触，且两者轴线重合，位移传感器(3)可实时测量试验过程中压头(6)压入深度的动态变化和残余压痕深度。
5．如权利要求1所述的数字式通用硬度计，其特征在于机架(2)的上部正面，有一个试验过程监视和显示试验数据的显示屏(14)。
6．如权利要求1所述的数字式通用硬度计，其特征在于压头(6)由压头座(23)和压头体(24)组成，压头体(24)的尾锥(27)与压头座(23)中心锥孔相配合；压头体(24)的前端(25)做成相应球体的球缺，或120°金刚石圆锥，或相对面为136°的金刚石正四棱锥，根据硬度试验要求，可更换压头体(24)。
专利摘要本实用新型公开了一种可检测各种金属硬度的硬度计,硬度试验时载荷通过力传感器(8)施加于压头(6),位移传感器(3)与压头(6)常接触,以测量、显示、控制试验力和压头压入试样的深度,卸载后位移传感器在线测取压痕深度,更换压头体(24)后,即可进行相应标度的硬度试验,该硬度计结构简单,使用方便,检测效率高；能保证维氏硬度试验的有效性；可分别进行布氏、洛氏、表面洛氏、维氏各标度的硬度试验,产生的硬度示值误差比原来的小。
文档编号G01N3/40GK2453428SQ0025583
公开日2001年10月10日 申请日期2000年11月30日 优先权日2000年11月30日
发明者邢思明 申请人:武汉大学