專利名稱：里氏硬度基準(zhǔn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬度測量裝置，特別是一種測量試件里氏硬度的基準(zhǔn)裝置，屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
里氏硬度測量方法，是二十世紀(jì)七十年代末由瑞士D.LEEB博士發(fā)明，是以能量測量原理為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)硬度試驗(yàn)方法，其試驗(yàn)原理的基礎(chǔ)是使一個(gè)保持恒定能量(D型11N·mm，G型90N·mm)的沖擊體沖擊到靜止的材料試件上，再回彈起來，測量回彈時(shí)尚存在于試樣中的能量(殘余能量)，該殘余能量即表示里氏硬度的大小。里氏硬度值的定義為 式中HL-里氏硬度值V反-反彈速度V沖-沖擊速度用該試驗(yàn)原理研制并大量生產(chǎn)的便攜式里氏硬度計(jì)小巧、精致，迅速在國內(nèi)、外得到廣泛的推廣和應(yīng)用。
便攜式里氏硬度計(jì)由沖擊儀和電子顯示器組成，結(jié)構(gòu)見圖1，沖擊儀由帶碳化鎢球頭的沖擊體、控制沖擊體徑向位置的導(dǎo)向筒、沖擊體能量施加裝置、釋放夾持機(jī)構(gòu)、控制裝置、測速裝置等組成。沖擊體能量施加裝置由一承載筒和安裝在承載筒內(nèi)的沖擊彈簧構(gòu)成，釋放夾持機(jī)構(gòu)和控制裝置由一夾鉗和控制夾鉗動(dòng)作的開關(guān)組成，測速裝置采用電磁探測器，它由安裝在沖擊體中的永久磁鐵和固定在導(dǎo)向筒前部的線圈構(gòu)成。其工作過程是先將導(dǎo)向筒推入承載筒，然后慢慢松開，這時(shí)沖擊體被夾鉗夾住，并將沖擊彈簧壓縮，按動(dòng)釋放開關(guān)，夾鉗就放開沖擊體，沖擊體由于彈簧作用彈射到試件表面，電磁探測器測量距試樣表面一毫米位置處的沖擊速度和反彈速度，并按公式計(jì)算出里氏硬度值。由于沖擊彈簧、永久磁鐵及電磁線圈均在準(zhǔn)確性和長期穩(wěn)定性方面存在缺陷，不能保持穩(wěn)定的測量精度。
目前國內(nèi)外均無里氏硬度標(biāo)準(zhǔn)裝置，其校準(zhǔn)里氏硬度計(jì)的里氏硬度塊的示值溯源于靜態(tài)的維氏、布氏硬度值，屬于間接量傳，帶有換算誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)在的里氏硬度計(jì)的長期穩(wěn)定性差、測量精度低的不足，本發(fā)明的目的是提供了一種里氏硬度基準(zhǔn)裝置，其測量精度高，長期穩(wěn)定性好。
本發(fā)明的里氏硬度測量裝置，包括底座、放置在底座上的工作臺(tái)、帶碳化鎢球頭的沖擊體、控制沖擊體徑向位置的導(dǎo)向筒、沖擊體上升釋放夾持機(jī)構(gòu)、控制裝置、測速裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置，其特點(diǎn)是沖擊體能量的獲得放棄了沖擊彈簧，而完全采用地球引力即重力的方式，這樣，只要沖擊體釋放前的位置不變，其能量也是不變的。為了提高速度測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測速裝置采用激光多普勒測速系統(tǒng)。
為了測量硬度的方便、準(zhǔn)確，控制裝置采用電控系統(tǒng)，它主要由可編程控制器、驅(qū)動(dòng)器和光電管等組成，通過該電控系統(tǒng)完成沖擊體的夾持、釋放、上升、下降、位置判斷，沖頭選擇等功能，且具有手動(dòng)及自動(dòng)兩種實(shí)現(xiàn)方式；數(shù)據(jù)采集處理裝置采用由數(shù)字存儲(chǔ)示波器構(gòu)成的數(shù)字采集系統(tǒng)和主要由微機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)字采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間通過488接口連接。這樣計(jì)算機(jī)通過488接口實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器采集的原始多普勒信號(hào)快速、準(zhǔn)確、有效的傳輸，并根據(jù)得到的原始多普勒信號(hào)，通過低通濾波、相位計(jì)算、速度計(jì)算等最終得到里氏硬度值。
激光多普勒測速系統(tǒng)主要由激光器、分光鏡、接收器等組成，并使用布拉格盒實(shí)現(xiàn)速度方向判別，用于跟蹤測量沖擊體在下落及回彈過程中的速度。更加提高了速度測量的準(zhǔn)確，也就使硬度測量的準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提高。
本發(fā)明是直接依據(jù)里氏硬度試驗(yàn)原理，通過測量沖擊體的殘余能量來測得里氏硬度值，實(shí)現(xiàn)了里氏硬度的直接量值傳遞，避免了換算誤差。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是便攜式里氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意3中，1.底座，2.工作臺(tái)，3.試樣，4.導(dǎo)向筒，5.沖擊體，6.釋放夾持機(jī)構(gòu)，7.升降導(dǎo)軌，8.激光測速裝置，9.絲桿，10.升降手輪，11.電控系統(tǒng)，12.計(jì)算機(jī)，13.數(shù)采系統(tǒng)，14.激光測速裝置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是集光、機(jī)、電系統(tǒng)于一體的自動(dòng)化程度很高的裝置，由主機(jī)、沖擊體、電控系統(tǒng)、激光多普勒測速系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。結(jié)構(gòu)框圖見圖2。
主機(jī)由底座(1)、工作臺(tái)(2)、導(dǎo)向筒(4)、沖擊體(5)、沖擊體釋放夾持機(jī)構(gòu)(6)、升降導(dǎo)軌(7)、絲桿(9)和升降手輪(10)等組成。其底座重達(dá)400公斤，牢固、穩(wěn)定，滿足里氏硬度動(dòng)態(tài)測試的要求。升降機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)用于釋放D型沖擊體和G型沖擊體，進(jìn)行里氏硬度HLD和HLG標(biāo)尺的檢定。沖擊體(5)的質(zhì)量D型為5.5g±0.05g，G型為20g±0.05g，頂部設(shè)計(jì)有臺(tái)階，便于夾持機(jī)構(gòu)(6)夾持托起，使沖擊體(5)釋放前充分保持自由狀態(tài)。沖擊體的球頭按試驗(yàn)方法使用直徑3mm和5mm的碳化鎢球頭。
電控系統(tǒng)(11)主要由可編程控制器、驅(qū)動(dòng)器和光電管等組成。完成沖擊體的夾持、釋放、上升、下降；位置判斷，沖頭選擇等功能，具有手動(dòng)及自動(dòng)兩種實(shí)現(xiàn)方式。
激光測速裝置(8)(14)主要由激光器、分光鏡、接收器等組成，并使用布拉格盒實(shí)現(xiàn)速度方向判別，激光測速裝置(8)和(14)之間用電線連接，用于跟蹤測量沖擊體在下落及回彈過程中的速度。采用激光多普勒測速裝置測量沖擊體在距試樣表面1mm位置處的沖擊速度及反彈速度，它具有以下特點(diǎn)
非接觸測量；空間分辨率高；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，以光速傳播慣性極??；測量精度高；測量量程大；測量速度方向的靈敏性好；本裝置使用了布拉格盒，可進(jìn)行速度方向的判別。
數(shù)采系統(tǒng)(13)采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器，采樣率可達(dá)1G/s/4CH。計(jì)算機(jī)(12)通過488接口實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器采集的原始多普勒信號(hào)快速、準(zhǔn)確、有效的傳輸，并根據(jù)得到的原始多普勒信號(hào)，通過低通濾波、相位計(jì)算、速度計(jì)算等最終得到里氏硬度值。
下面介紹一下本發(fā)明的測量過程預(yù)熱工作前，分別打開計(jì)算機(jī)(12)、數(shù)采系統(tǒng)(13)和激光測速系統(tǒng)(8)的電源開關(guān)，并預(yù)熱30分鐘。
手動(dòng)模式1)運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件，并輸入相關(guān)信息；2)在電控系統(tǒng)(11)的控制面板上選擇手動(dòng)模式；3)在電控系統(tǒng)(11)的控制面板上選擇相應(yīng)的標(biāo)尺按鈕(D型或G型)；4)打開電控系統(tǒng)開關(guān)按鈕；5)將選好的沖擊體(5)放入導(dǎo)向筒(4)內(nèi)下端，按控制系統(tǒng)(11)面板上的夾緊按鈕，此時(shí)夾緊釋放機(jī)構(gòu)(6)將自動(dòng)將沖擊體(5)夾住托起；6)按上升按鈕，夾緊釋放機(jī)構(gòu)(6)將帶動(dòng)沖擊體(5)在導(dǎo)向筒(4)內(nèi)自動(dòng)上升，直到工作位置；7)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)軟件界面上的“零線檢測”按鈕，檢測測速系統(tǒng)零線；8)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)軟件界面上的“采樣”按鈕，開始采樣；9)按釋放按鈕，夾緊釋放機(jī)構(gòu)(6)將松開沖擊體(5)，沖擊體(5)會(huì)自由下落，沖擊到試樣(3)的試面上并反彈；10)點(diǎn)擊軟件界面上的“開始計(jì)算”按鈕，自動(dòng)計(jì)算沖擊體速度及被測試樣硬度值；11)重復(fù)上述操作，進(jìn)行多次測量，得到最終被測試樣的平均值及不均勻性。
自動(dòng)模式1)運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件，并輸入相關(guān)信息；
2)在電控系統(tǒng)(11)的控制面板上選擇自動(dòng)模式；3)在電控系統(tǒng)(11)的控制面板上選擇相應(yīng)的標(biāo)尺按鈕(D型或G型)；4)將選好的沖擊體(5)放入導(dǎo)向筒(4)內(nèi)下端，按控制系統(tǒng)(11)面板上的開關(guān)按鈕，此時(shí)夾緊釋放機(jī)構(gòu)(6)將自動(dòng)將沖擊體(5)夾住托起并帶動(dòng)沖擊體(5)在導(dǎo)向筒(4)內(nèi)自動(dòng)上升，直到工作位置；5)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)軟件界面上的“零線檢測”按鈕，檢測測速系統(tǒng)零線；6)點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)軟件界面上的“采樣”按鈕，開始采樣；7)在電控系統(tǒng)(11)的控制面板上按“測試”按鈕，夾緊釋放機(jī)構(gòu)(6)將松開沖擊體(5)，沖擊體5會(huì)自由下落，沖擊到試樣(3)的試面上并反彈，此時(shí)夾緊釋放機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)下降，再一次夾持沖擊體(5)到工作位置準(zhǔn)備下一次釋放。；8)點(diǎn)擊軟件界面上的“開始計(jì)算”按鈕，自動(dòng)計(jì)算沖擊體速度及被測試樣硬度值；9)重復(fù)上述操作，進(jìn)行多次測量，得到最終被測試樣的平均值及不均勻性。
本裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)1.該裝置沖擊體采用自由落體釋放方式，能量控制準(zhǔn)確，重復(fù)性好。
2.該裝置采用激光多普勒測速原理實(shí)現(xiàn)沖擊、反彈速度跟蹤測量，實(shí)時(shí)性高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；3.利用上述兩方法首次應(yīng)用于硬度測量領(lǐng)域，前所未有。
4.該裝置精度高，可作為基準(zhǔn)裝置，解決了里氏硬度的直接量傳問題。
5.該方法溯源到波長及時(shí)間等基本量綱。
6.該裝置全部操作過程由計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)沖擊體夾持等動(dòng)作及信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，能自動(dòng)打印檢定結(jié)果及證書，操作方便；7.該裝置單檢定點(diǎn)操作試驗(yàn)過程僅為20秒，工作效率極高。
8.該裝置軟件采用可視化設(shè)計(jì)，工作界面簡潔、單一、友好。
本發(fā)明可應(yīng)用于里氏硬度D型和G型里氏硬度塊的測試。測量范圍為(200～900)HLD/HLG。
權(quán)利要求
1.里氏硬度基準(zhǔn)裝置，包括底座、放置在底座上的工作臺(tái)、帶碳化鎢球頭的沖擊體、控制沖擊體徑向位置的導(dǎo)向筒、沖擊體上升釋放夾持機(jī)構(gòu)、控制裝置、測速裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置，其特征在于沖擊體能量獲得完全采用地球引力即重力，測速裝置采用激光多普勒測速系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的里氏硬度基準(zhǔn)裝置，其特征是所述的控制裝置采用電控系統(tǒng)，通過該電控系統(tǒng)完成沖擊體的夾持、釋放、上升、下降、位置判斷，沖頭選擇等功能，且具有手動(dòng)及自動(dòng)兩種實(shí)現(xiàn)方式；數(shù)據(jù)采集處理裝置采用由數(shù)字存儲(chǔ)示波器構(gòu)成的數(shù)字采集系統(tǒng)和主要由微機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)字采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間通過488接口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的里氏硬度基準(zhǔn)裝置，其特征是所述的激光多普勒測速系統(tǒng)中采用了布拉格盒，從而實(shí)現(xiàn)沖擊體速度方向的判別。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種里氏硬度基準(zhǔn)裝置，它包括底座、放置在底座上的工作臺(tái)、帶碳化鎢球頭的沖擊體、控制沖擊體徑向位置的導(dǎo)向筒、沖擊體上升釋放夾持機(jī)構(gòu)、控制裝置、測速裝置和數(shù)據(jù)采集處理裝置，沖擊體能量的獲得完全采用地球引力即重力，測速裝置采用激光多普勒測速系統(tǒng)。本發(fā)明可應(yīng)用于里氏硬度D型和G型里氏硬度塊的測試。它具有長期穩(wěn)定性好、測量精度高、快速、簡便特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/40GK1635357SQ20031012247
公開日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者石偉, 王中華, 徐 明, 張宏運(yùn), 李新良, 宗惠才 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)第一集團(tuán)公司三○四所