专利名称：一种用于便携式数显硬度计的压痕深度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及材料硬度检测仪器，具体地说是ー种用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置。
背景技术：
目前大多数常规硬度计都是采用施加规定的试验カ然后测量压痕的原理，其 中洛氏硬度计是测量压痕深度差值，直接显示硬度值，布氏硬度计是测量压痕直径，查表或计算出硬度值，维氏硬度计是测量压痕对角线长度，查表或计算出硬度值。于1951年3月6日公开的、公开号为US2，544，205的美国专利中描述了ー种便携式洛氏硬度计，这种硬度计由手轮、测微螺母、测微螺杆、鼓轮、U型弾性体、カ值指示表、压头和手柄組成。它依靠手轮施加试验力，利用测微螺母和测微螺杆配合鼓轮实现压痕深度測量，利用ー个U型弾性体配合カ值指示表实现试验カ的測量，在鼓轮上读出硬度值，也就是主试验カ加载前后的压痕深度差值。测试操作时转动手轮，测微螺杆带动鼓轮随之转动；同时，使压头向上或向下移动，手轮每旋转一周，测微螺杆会产生一个螺距的轴向位移，鼓轮将此位移量细分，显示为硬度值。于1949年4月5日公开的、公开号为US2，466，567的美国专利、于1968年6月25日公开的、公开号为US3，389，597的美国专利以及于1948年9月7日公开的、公开号为US2, 448，645的美国专利中分别描述了相似原理的便携式洛氏硬度计。上述专利都采用了ー个由测微螺母、测微螺杆和读数鼓轮组成的压痕深度測量装置，都是通过一个带有读数线的透明放大镜读取鼓轮上的刻度，鼓轮刻度代表与压痕深度差值所对应的硬度值。由于放大镜与鼓轮间有一定距离，造成操作者因视角不同可能会读到不同硬度数值。上述仪器都存在压痕深度測量分辨率低、精度不高、硬度值读数不便、读数时易产生人为误差等问题。于2009年10月7日公告的、公告号为CN201322709Y、申请号为200820231921. 9
的中国实用新型专利描述了ー种与美国专利结构比较接近的压痕深度測量装置，该测量装置由测微螺母、测微螺杆、刻线指示筒和读数鼓轮组成。该实用新型专利在硬度指示上采用了固定的刻线指示筒和旋转读数刻线鼓轮相配合的结构，读数鼓轮在固定的刻线指示筒外侧转动，读数鼓轮上的刻度代表洛氏硬度，每个洛氏硬度単位对应于2 μ m的压痕深度差值。这种类似千分尺的鼓轮读数结构与前述美国专利相比，提高了压痕深度測量精度和硬度值的读数精度，减小了人为的读数误差，但是该实用新型专利仍有如下缺点a.读数仍然不便，需要小心操作鼓轮并在鼓轮上仔细读出鼓轮刻度所代表的硬度值。b.位移测量分辨率低，精度低。c.该压痕深度測量装置不能输出电子信号，无法实现硬度计的智能化和数字显
/Jn οd.上述实用新型专利在测试布氏硬度时，效率低，有人为读数误差。仪器只能在试样上压出一个压痕，然后用读数显微镜读出压痕直径，再查表得到布氏硬度值；完成一次布氏硬度测试需要几分钟时间。中国标准GB/T24523-2009规定了 一种先进的布氏硬度试验方法一金属材料快速压痕(布氏)硬度试验方法，这就是布氏硬度检测的測深法，维氏硬度检测也可以用同样方法，其原理是对一定直径的硬质合金球施加一定的试验カ(包括初始试验力和工作试验カ)，将其压入试样表面，经规定的保持时间后，卸载工作试验力，測量在初始试验力下加、卸载工作试验カ前后压头位置差值(深度值)。利用多个标准布氏硬度块，測量相应的深度值，将布氏硬度值与深度值相对应，获得在一定的试验条件下压痕深度与布氏硬度的关系曲线。在进行硬度测量时，将硬度计所测量到的深度值对应压痕深度与布氏硬度关系曲线，就可以得到这种材料的布氏硬度值。 与传统布氏硬度试验方法相比，这种方法是ー个重要的技术进步。它可以实现布氏硬度的快速检测，直接读数，可淘汰沿用百年的光学显微镜，无人为读数误差，可以解决生产中大量存在的批量产品布氏硬度现场快速检测难题，甚至可以实现在生产车间对批量产品进行在线硬度自动检測。測深法布氏硬度及维氏硬度检测是ー门新技术，只出现在国外的部分台式机上，迄今没有发现在便携式硬度计上采用。其主要技术难点是，便携式硬度计要求结构简单、轻便、仪器体积小、内部空间有限，安装普通的高精度位移传感器有困难。此外，高精度位移传感器用于便携式硬度计也缺乏经济性。按照相关标准的规定，布氏硬度测量范围是8 650HBW，便携式布氏硬度计常用标尺是2. 5mm球，187. 5kg力，对于硬度值650HBW的试样，最小压痕深度只有O. 0365mm。便携式维氏硬度计的最大价值在于精确测试模具、轴类等大型エ件上的渗氮层硬度，在现有技术中对大型エ件本体上渗氮层硬度的精确检测是ー个难题，其原因在于渗氮层薄且硬，其厚度只有O. I O. 4mm,硬度可超过1000HV5,不可以用大的试验力，对于硬度为1000HV的渗氮层，采用5kg试验力，压痕深度只有O. 0143mm。加之測深法测量的是压痕深度差值，这ー数值要更小。如何能在便携式硬度计上实现高精度、高分辨率的位移测量是实现测深法布氏硬度及维氏硬度检测的关键。在硬度计领域通常采用的电感式位移传感器和光栅式位移传感器，都难于满足上述要求。因此，測深法布氏硬度及维氏硬度检测一直未见在便携式硬度计上米用。如果上述方法能在便携式硬度计上实现，则许多关键大型エ业零件本体硬度的精确检测就成为可能，这将为相关产品带来质量管理方面的进步。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供ー种用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置。该压痕深度測量装置结构简单、轻便、分辨率高、精度高、有电子信号输出，可以实现便携式硬度计的智能化及数字显示，可使便携式硬度计既能测试洛氏硬度，也能利用測深法实现布氏硬度和维氏硬度的现场快速检测，直接显示。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的[0021]本实用新型包括手轮、旋转编码器、支承座及由测微螺母和测微螺杆组成的测微 螺纹副，其中测微螺母安装在所述支承座内，所述测微螺杆插设在测微螺母内、并与测微螺 母螺纹连接，测微螺杆的一端与所述手轮连接，另一端为自由端；所述旋转编码器安装在支 承座上，旋转编码器转动轴与所述测微螺杆通过旋转手轮的带动同步转动，并且测微螺杆 通过手轮的转动沿轴向上下移动；所述测微螺杆的位移通过旋转编码器测量。其中所述测微螺杆的一端通过套筒与手轮连接，测微螺杆的一端开有键槽，该键 槽内装有第一键，所述测微螺杆通过第一键与套筒同步旋转；所述旋转编码器转动轴通过 套筒与测微螺杆相连，并与所述测微螺杆同步转动；所述套筒的一端固接在手轮的内孔中， 另一端插设在所述旋转编码器转动轴的中心孔内，测微螺杆位于套筒内部；所述套筒的外 表面沿轴向开有第一轴向槽，所述旋转编码器转动轴的上沿设有第二键，旋转编码器转动 轴通过第二键与套筒连接，该第二键在测微螺杆移动过程中在所述第一轴向槽内滑动；所 述支承座内部沿轴向开有孔，测微螺母安装在支承座的孔内，所述测微螺母的一端设有外 锥螺纹，在外锥螺纹上沿周向均布有多个第二轴向槽，所述外锥螺纹上螺纹连接有调节所 述测微螺纹副配合紧密程度的锥螺母；所述手轮、旋转编码器、支承座、测微螺母、测微螺杆 以及套筒同轴。本实用新型的优点与积极效果为1.本实用新型在便携式硬度计上首次采用测微螺母、测微螺杆、旋转编码器的组 合作为压痕深度测量装置，实现了压痕深度检测的高分辨率和高精度，可实现便携式硬度 计的智能化。2.本实用新型所提供的压痕深度测量装置用于制造便携式数显硬度计，可以实现 利用测深法进行布氏硬度和维氏硬度的快速检测、直接显示，使大型工件本体硬度的现场 快速、精确检测成为可能，可用于工厂现场大批工件的逐件检测，可代替精度不高的里氏硬 度计。3.本实用新型所提供的压痕深度测量装置结构简单、轻便、经济性好，用于制造便 携式数显硬度计，有助于实现便携式硬度计的小型化、智能化、低成本。
图1为本实用新型的内部结构示意图；图2为本实用新型应用于便携式数显硬度计的结构示意图；其中1为锁紧螺丝,2为第一键,3为手轮,4为第二键,5为旋转编码器,6为支承 座，7为测微螺母，8为测微螺杆，9为旋转编码器转动轴，10为锥螺母，11为套筒，12为试 样，13为压头，14为力传感器，15为滑套，16为钢球，17为半环，18为压帽，19为数字显示 器，20为第三键。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。如图1所示，本实用新型包括手轮3、旋转编码器5、支承座6、套筒11及由测微螺 母7和测微螺杆8组成的测微螺纹副，其中支承座6为主支架，其内部沿轴向开有圆孔，测 微螺母7安装在支承座6的圆孔内，测微螺杆8位于测微螺母7内、与测微螺母7螺纹连接；测微螺杆8的一端(上端)连接套筒11，该套筒11固定在手轮3的内孔中，测微螺杆8 的一端开有键槽，该键槽内装有第一键2，测微螺杆8通过第一键2保持与套筒11和手轮3 的同步旋转，测微螺杆8的一端端部用锁紧螺丝1紧固，测微螺杆8的另一端(下端)为自 由端，可连接测力装置。测微螺母7的一端(上端)位于套筒11与测微螺杆8之间，测微 螺母7的一端设有外锥螺纹，在外锥螺纹上沿周向均布有多个第二轴向槽(本实施例为三 个)，外锥螺纹上螺纹连接有锥螺母10，通过锥螺母10可调节测微螺纹副配合的紧密程度。旋转编码器5安装在支承座6上，旋转编码器转动轴9与测微螺纹副同轴；套筒11 的一端固接在手轮3的内孔中，另一端插设在旋转编码器转动轴9的中心孔内，套筒11的 外表面沿轴向开有第一轴向槽，旋转编码器转动轴9的上沿设有第二键4，旋转编码器转动 轴9通过第二键4与套筒11连接，该第二键4在测微螺杆8移动过程中可在第一轴向槽内 滑动。所述旋转编码器转动轴9通过套筒11与测微螺杆8相连，并与所述测微螺杆8同步 转动。转动手轮3时，旋转编码器转动轴9、套筒11及测微螺杆8同步转动，同时测微螺 杆8沿轴向上下移动。手轮3每旋转一周，测微螺杆8沿轴向移动一个螺距的位移，旋转编 码器5将此位移量细分为几千个分度，并将信号传输给电子电路板，以此实现对压痕深度 的精确测量。本实施例一个螺距是0. 5mm,在测试洛氏硬度时，旋转编码器转动轴9每旋转 一周可输出5000个分度，每分度代表0. liim的位移，相当于0. 05个洛氏硬度单位；在采 用测深法测试布氏硬度及维氏硬度时，利用分频技术可使旋转编码器转动轴9每旋转一周 输出10000个分度，每分度代表0. 05 y m的位移，对于布氏硬度HBW2. 5/187. 5标尺，相当于 最小压痕深度(淬火钢硬度值650HBW)的1/730，对于维氏硬度HV5标尺，相当于最小压痕 深度(渗氮层硬度值1000HV5)的1/280。可以符合相关标准GB/T230. 2、GB/T231. 2及GB/ T4340的要求。本实用新型的手轮3、旋转编码器5、测微螺母7、测微螺杆8、套筒11以及支承座6 内部沿轴向开设的圆孔均同轴。本实用新型的手轮3可用电机替代，电机输出轴与套筒11 相连，由电机驱动套筒11、测微螺杆8及旋转编码器转动轴9转动。如图2所示，本实用新型可应用于便携式硬度计，在测微螺杆8的自由端上安装测 力装置，并在支承座6正面安装有一个数字显示器19，该数字显示器19与支承座6倾斜设 置，便于在操作时观察；支承座8的侧面还设有电子电路板，旋转编码器5、数字显示器19 以及测力装置中的力传感器14分别与电子电路板电连接。测力装置包括滑套15、力传感器14及压头13，滑套15的一端(上端)通过压帽 18及两个半环17与所述测微螺杆8的自由端连接在一起，滑套15的另一端(下端)与力 传感器14的一端(上端)螺纹连接，压头1连接在力传感器14的另一端(下端)，压头1 可以是球压头，也可以是金刚石压头。在测微螺杆8自由端的端面与滑套15之间设有钢球 16，测微螺杆8的自由端端面上设有一个与钢球16相适应的球型凹坑、与钢球16配合。滑 套15的外表面沿周向开有第三轴向槽，测微螺母7上安装有第三键20，该第三健20在所述 第三轴向槽内滑动；滑套15通过该第三键20的导向作用，在测微螺母7内仅做轴向移动， 避免整个测力装置发生转动。钢球16可有效消除测微螺杆8在转动时对滑套15和第三键 20所造成的横向作用力。力传感器14和旋转编码器5分别将力和位移信号传送至电子电路板，经处理后，在数字显示器19上显示出试验力力值和测得的硬度值。便携式数显硬度计采用本实用新型提供的压痕深度测量装置，完成一次测试只需 几秒到十几秒的时间。根据测深法布氏硬度测试标准GB/T24523-2009的要求，仪器出厂前需要测试一 系列标准布氏硬度块，将测得的硬度值输入仪器中，建立硬度_压痕深度曲线。采用测深法 进行维氏硬度测试时也需要做同样的工作。本实用新型应用于便携式硬度计的工作原理为转动手轮3，带动套筒11、测微螺杆8，旋转编码器转动轴9同步转动，测微螺杆8 通过钢球16和滑套15推动力传感器14和压头13下行，移向试样12 ;当压头13接触到 试样12后，随着手轮3的继续转动，压头13顶端会压入试样12，在试样12表面产生压痕。 在测试过程中，力传感器14实时监测压头13所受到的试验力，并将信号传送到电子电路 板，当试验力达到规定的初试验力值时，电子电路板会记录此时的压痕深度值，继续加力至 总试验力，停止加力并保持规定的时间；反向转动手轮3，当试验力降至规定的初试验力值 时，电子电路板再次记录此时的压痕深度值，然后对施加主试验力前后在初试验力作用下 的压痕深度差值进行计算处理，在数字显示器19上显示出试样12的硬度值。完成全部测 试操作只需要几秒到十几秒时间。
权利要求1.ー种用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置，其特征在干包括手轮(3)、旋转编码器(5)、支承座(6)及由测微螺母(7)和测微螺杆⑶组成的测微螺纹副，其中测微螺母(7)安装在所述支承座￠)内，所述测微螺杆(8)插设在测微螺母(7)内、并与测微螺母(7)螺纹连接，测微螺杆(8)的一端与所述手轮(3)连接，另一端为自由端；所述旋转编码器(5)安装在支承座(6)上，旋转编码器转动轴(9)与所述测微螺杆(8)通过旋转手轮(3)的带动同步转动，并且测微螺杆(8)通过手轮(3)的转动沿轴向上下移动；所述测微螺杆(8)的位移通过旋转编码器(5)測量。
2.按权利要求I所述用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置，其特征在于所述测微螺杆(8)的一端通过套筒(11)与手轮(3)连接，测微螺杆(8)的一端开有键槽，该键槽内装有第一键(2)，所述测微螺杆⑶通过第一键(2)与套筒(11)同步旋转；所述旋转编码器转动轴(9)通过套筒(11)与测微螺杆(8)相连，并与所述测微螺杆(8)同步转动。
3.按权利要求2所述用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置，其特征在于所述套筒(11)的一端固接在手轮(3)的内孔中，另一端插设在所述旋转编码器转动轴(9)的中心孔内，测微螺杆(8)位于套筒(11)内部；所述套筒(11)的外表面沿轴向开有第一轴向槽，所述旋转编码器转动轴(9)的上沿设有第二键(4)，旋转编码器转动轴(9)通过第二键(4)与套筒(11)连接，该第二键(4)在测微螺杆(8)移动过程中在所述第一轴向槽内滑动。
4.按权利要求I或2所述用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置，其特征在于所述支承座出)内部沿轴向开有孔，测微螺母(7)安装在支承座(6)的孔内，所述测微螺母(7)的一端设有外锥螺纹，在外锥螺纹上沿周向均布有多个第二轴向槽，所述外锥螺纹上螺纹连接有调节所述测微螺纹副配合紧密程度的锥螺母(10)。
5.按权利要求2所述用于便携式数显硬度计的压痕深度測量装置，其特征在于所述手轮(3)、旋转编码器(5)、支承座￠)、测微螺母(7)、测微螺杆(8)以及套筒(11)同轴。
专利摘要本实用新型涉及材料硬度检测仪器，具体地说是一种用于便携式数显硬度计的压痕深度测量装置，包括手轮、旋转编码器、支承座及由测微螺母和测微螺杆组成的测微螺纹副，其中测微螺母安装在支承座内，测微螺杆插设在测微螺母内、并与测微螺母螺纹连接，测微螺杆的一端与手轮连接，另一端为自由端；旋转编码器安装在支承座上，旋转编码器转动轴与测微螺杆通过旋转手轮的带动同步转动，并且测微螺杆通过手轮的转动沿轴向上下移动；测微螺杆的位移通过旋转编码器测量。本实用新型结构简单、轻便、分辨率高、精度高、有电子信号输出，便于实现便携式硬度计的智能化及数字显示。
文档编号G01B21/18GK202471533SQ201220093159
公开日2012年10月3日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者刘丽萍, 吴丹, 张凤林, 张路明 申请人:沈阳天星试验仪器有限公司