硬度測(cè)定儀上使用的卡爪壓頭底座的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】硬度測(cè)定儀上使用的卡爪壓頭底座
[0001]本申請(qǐng)根據(jù)美國(guó)35U.S.C.119(e)要求于2012年12月5日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/733，548的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容全部通過(guò)引用的方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]
[0003]本公開(kāi)涉及在硬度測(cè)定儀上特別是顯微硬度測(cè)定儀或類(lèi)似設(shè)備上使用的卡爪壓頭底座。
[0004]現(xiàn)有摶術(shù)
[0005]通常在布氏硬度測(cè)定儀、洛氏硬度測(cè)定儀或顯微硬度測(cè)定儀上測(cè)量硬度，S卩，材料對(duì)永久變形的抗力。在顯微硬度測(cè)試中，四棱錐金剛石壓頭以受控的力壓入樣品表面內(nèi)。然后移除壓頭，并使用顯微鏡測(cè)量留在樣品表面上的壓痕的對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度。通過(guò)測(cè)試力和壓痕面積來(lái)計(jì)算硬度(通常通過(guò)軟件計(jì)算)。
[0006]顯微硬度測(cè)定儀可以裝有至少兩種壓頭類(lèi)型，包括維氏硬度壓頭和努普氏壓頭。維氏硬度壓頭是對(duì)稱(chēng)的四棱錐，它形成方形壓痕。測(cè)量?jī)蓚€(gè)對(duì)角線(xiàn)來(lái)計(jì)算硬度。努普氏壓頭是高度不對(duì)稱(chēng)的，并且它形成細(xì)長(zhǎng)(7:1)的長(zhǎng)斜方形壓痕。僅測(cè)量長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)并將其用于硬度計(jì)算。
[0007]顯微硬度測(cè)定儀通常配有全部安裝在多位置旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的多個(gè)壓頭和多個(gè)顯微鏡物鏡。為了進(jìn)行測(cè)試，使臺(tái)旋轉(zhuǎn)以將壓頭位于測(cè)試樣品上方，打出壓痕，然后將臺(tái)旋轉(zhuǎn)到物鏡位置，所以使用者(以及軟件)可以觀察并測(cè)量壓痕。
[0008]為了在測(cè)試樣品上打出對(duì)稱(chēng)的壓痕，金剛石壓頭必須以精確的角度取向與表面接觸。也就是說(shuō)，壓頭軸線(xiàn)和測(cè)試樣品表面必須以?xún)筛S線(xiàn)在3角分的范圍內(nèi)互相垂直。需要兩個(gè)可調(diào)的水平軸線(xiàn)，因?yàn)橛霉潭ǖ牧慵踔劣米罹_的機(jī)加工也無(wú)法獲得這種嚴(yán)格的角容差。
[0009]還必須控制第三壓痕取向，即壓痕繞著觀察軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)。相對(duì)的壓痕頂角的左右和前后取向需要在大約半度的范圍內(nèi)。最需要這種旋轉(zhuǎn)對(duì)齊，因?yàn)槭褂谜咄ǔＦ谕麎汉劭雌饋?lái)與主軸線(xiàn)對(duì)齊一一彎曲的壓痕是差的機(jī)器質(zhì)量的表征。此外，因?yàn)橛蓛蓪?duì)軟件細(xì)絲(一對(duì)完全豎直，并且一對(duì)完全水平)自動(dòng)測(cè)量壓痕長(zhǎng)度，許多使用者會(huì)假設(shè)通過(guò)軟件細(xì)絲不能精確測(cè)量具有容易看到的角度的壓痕，即使用細(xì)絲可以精確測(cè)量(通常在0.1%的范圍內(nèi))具有非常明顯的2.5度角的壓痕。
[0010]為了獲得“壓痕對(duì)稱(chēng)性”，Wilson Tukon 2100和Tukon 2500測(cè)定儀使用薄墊片結(jié)構(gòu)(0.001” &0.003”厚的金屬墊片)來(lái)調(diào)節(jié)X-Y平臺(tái)的角度。用無(wú)墊片測(cè)定儀打出兩個(gè)努普氏壓痕(一個(gè)水平，一個(gè)豎直)，測(cè)量壓痕對(duì)稱(chēng)性并且將測(cè)量結(jié)果用于計(jì)算校正不對(duì)稱(chēng)性所需墊片的厚度。從測(cè)定儀移除X-Y平臺(tái)，將墊片放置在將X-Y平臺(tái)夾緊在載架上的四個(gè)螺釘周?chē)?，并且?duì)機(jī)器的X-Y平臺(tái)進(jìn)行改裝。最后，再打出兩個(gè)努普氏壓痕來(lái)驗(yàn)證墊片調(diào)節(jié)的結(jié)果。
[0011]TU2500不具有對(duì)壓痕取向的精細(xì)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。使用者必須使用臨時(shí)穿過(guò)壓頭中的橫向孔的一毫米螺絲旋棒來(lái)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)壓頭。
[0012]各個(gè)公司制造可能通過(guò)一些類(lèi)型的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)其壓頭對(duì)稱(chēng)性的裝置。類(lèi)似地，存在四根軸線(xiàn)(兩根平動(dòng)，兩根旋轉(zhuǎn))對(duì)齊裝置用于調(diào)節(jié)拉伸測(cè)試試樣對(duì)齊。它是由Interlaken公司制造的，參照于1995年I月3日發(fā)布的美國(guó)專(zhuān)利第5，377，549號(hào)。
[0013]在2006年2月28日發(fā)布的共有美國(guó)專(zhuān)利第7，004，017號(hào)中，傾斜盤(pán)簧用于使壓頭居中并且將其肩部拉至與聯(lián)接的端面牢固地壓縮接觸。
[0014]另外，于2012年9月5日提交的題為“用于顯微硬度測(cè)量的設(shè)備”的共有專(zhuān)利PCT/US2012/053750雖然非常適合其預(yù)期目的，但是不包括卡爪特征。
[0015]一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有技術(shù)的“在平臺(tái)上調(diào)整墊片”的對(duì)稱(chēng)性調(diào)節(jié)方法是可以接受的(即，可以使壓痕對(duì)稱(chēng))，但是該方法耗時(shí)且要求臨時(shí)移除X-Y平臺(tái)以安裝墊片。平臺(tái)的沉重重量以及其靠近顯微鏡目鏡和壓頭使平臺(tái)移除和安裝成為一件有風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)一一當(dāng)保持平臺(tái)的螺紋突然松脫時(shí)很可能存在向上猛拉沉重的X-Y平臺(tái)并且拉入到顯微鏡和負(fù)載傳感器部件中的巨大風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]在平臺(tái)上調(diào)整墊片的另一個(gè)缺點(diǎn)在于因?yàn)檎{(diào)節(jié)墊片而使樣品表面傾斜，顯微鏡的焦平面發(fā)生變化并且一部分視野會(huì)失去焦點(diǎn)。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)的方法的另一個(gè)不足在于無(wú)法找到“調(diào)節(jié)墊片前的壓痕”以與“調(diào)節(jié)墊片后的壓痕”進(jìn)行比較，因?yàn)閺膬x器移除平臺(tái)并且在加墊片后進(jìn)行更換(并非準(zhǔn)確地在同一位置)。
[0018]維氏和努普氏壓頭加工成這樣的精度使得通?？梢詮臋C(jī)器底座移除壓頭并更換成另一個(gè)壓頭并且保持壓痕的對(duì)稱(chēng)性。然而，當(dāng)更換壓頭時(shí)，總會(huì)失去壓痕的旋轉(zhuǎn)取向。這是一個(gè)很大的問(wèn)題，因?yàn)橛矛F(xiàn)有技術(shù)的方法調(diào)節(jié)壓痕的旋轉(zhuǎn)取向是單調(diào)乏味的、無(wú)計(jì)劃的任務(wù)，操作員每次用不太可控的螺絲旋棒旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)對(duì)壓頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)通常會(huì)過(guò)頭或不足。調(diào)節(jié)壓頭的旋轉(zhuǎn)取向通常被認(rèn)為是在TU2500機(jī)器上最難做的一件事情。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]因此本公開(kāi)的目的是提供用于簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)硬度測(cè)定儀或類(lèi)似材料測(cè)試設(shè)備中的壓頭O
[0020]通過(guò)提供由固定螺釘調(diào)節(jié)的球接頭來(lái)達(dá)到這個(gè)和其他目的。因?yàn)樵趬侯^處完成對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)，平臺(tái)在調(diào)節(jié)期間保持在位并且焦平面不受調(diào)節(jié)的影響。球接頭的中心在鉆石壓頭的末端，所以壓頭末端不會(huì)在調(diào)節(jié)角度時(shí)平移。這意味著被調(diào)節(jié)的壓頭可以與“調(diào)節(jié)墊片前的壓痕”相鄰放置，用于目視確認(rèn)調(diào)節(jié)動(dòng)作。
[0021]卡爪連接和兩個(gè)銷(xiāo)的旋轉(zhuǎn)取向機(jī)構(gòu)的結(jié)合允許使用者在不需要重做任何對(duì)齊調(diào)節(jié)的情況下?lián)Q掉壓頭/下殼體組件。使用者可以移除努普氏壓頭并安裝維氏壓頭，并且在不中斷的情況下繼續(xù)測(cè)試。
[0022]本公開(kāi)通過(guò)使用兩個(gè)相對(duì)的固定螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)(精細(xì)調(diào)節(jié)固定螺釘是容易的并且擰緊兩個(gè)螺釘提供了固定的鎖定位置)來(lái)解決容易地調(diào)節(jié)壓痕取向。本公開(kāi)還提供了每次安裝下殼體組件(通常不需要調(diào)節(jié)對(duì)稱(chēng)性或壓痕取向)時(shí)將下殼體組件卡入到可重復(fù)位置中的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0023]從以下說(shuō)明和附圖將明白本公開(kāi)的進(jìn)一步目的和優(yōu)點(diǎn)，其中:
[0024]圖1是本公開(kāi)的壓頭底座的實(shí)施例的部分分解的透視圖。
[0025]圖2是本公開(kāi)的壓頭底座的實(shí)施例的分解透視圖。
[0026]圖3A是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的俯視平面圖。
[0027]圖3B是沿著圖3A的3B-3B平面截取的剖視圖。
[0028]圖3C是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的俯視透視圖(部分以虛線(xiàn)示出)。
[0029]圖3D是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的仰視透視圖(部分以虛線(xiàn)示出)。
[0030]圖3E是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的側(cè)視平面圖。
[0031]圖3F是圖3B的細(xì)節(jié)視圖。
[0032]圖3G是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的隱性部件或上殼體組件的俯視平面圖(部分以虛線(xiàn)示出)。
[0033]圖3H是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的仰視平面圖(部分以虛線(xiàn)示出)。
[0034]圖4A是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陽(yáng)性部件或下殼體組件的俯視平面圖。
[0035]圖4B是沿著圖4A的截面4B-4B截取的剖視圖。
[0036]圖4C是圖4B的細(xì)節(jié)視圖。
[0037]圖4D是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陽(yáng)性部件或下殼體組件的側(cè)視平面圖。
[0038]圖4E是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陽(yáng)性部件或下殼體組件的仰視平面圖。
[0039]圖4F是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陽(yáng)性部件或下殼體組件的俯視透視圖。
[0040]圖4G是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的陽(yáng)性部件或下殼體組件的仰視透視圖(部分以虛線(xiàn)示出)。
[0041]圖5A是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的壓頭球適配器的仰視平面圖。
[0042]圖5B是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的壓頭球適配器的側(cè)視平面圖。
[0043]圖5C是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的壓頭球適配器的仰視透視圖。
[0044]圖是根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的壓頭底座的壓頭球適配器的俯視透視圖。
[0045]圖5E是沿著圖5B的5E-5E平面截取的剖視圖。
[0046]圖6A、圖6B、圖6C和圖6D是壓頭形成的壓痕的各種可能取向的示意圖。
[0047]圖7A、圖7B和圖7C圖示了壓頭形成的壓痕的另外的取向。
【具體實(shí)施方式】
[0048]現(xiàn)在詳細(xì)參照附圖，其中在幾張附圖中相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件，可以看到圖1和圖2是根據(jù)本公開(kāi)的卡爪壓頭底座10的分解圖?？ㄗ侯^底座10由高級(jí)金屬制成，適于預(yù)計(jì)會(huì)遇到的力。所述高級(jí)金屬可以是但不限于不銹鋼。卡爪壓頭底座10包括三個(gè)主要部件:上殼體組件(或卡爪凹形元件)12、下殼體組件(或卡爪凸形元件)14和壓頭球適配器16。
[0049]圖3A至圖3H進(jìn)一步詳細(xì)示出了上殼體組件12。上殼體組件12包括具有第一和第二 V形槽口 20、22的大致柱形下底座18。柱形上底座24從柱形下底座18延伸并且包括第一、第二和第三縱向孔26、28和30。第一和第三縱向孔26和30是接納負(fù)載傳感器(未示出)的相應(yīng)的第一和第二負(fù)載傳感器銷(xiāo)32、34的盲孔，而第二縱向孔28是帶螺紋的以接納來(lái)自負(fù)載傳感器的緊固螺釘并且穿過(guò)上陰性殼體組件12，并且中心位于卡爪壓頭底座10的旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上，并且在下平底面29中包括擴(kuò)大的柱形陰性安裝孔27(參照?qǐng)D1)。如圖3B和圖3F所示，擴(kuò)大的柱形安裝孔27進(jìn)一步包括接納傾斜盤(pán)簧64的內(nèi)環(huán)形槽31。第一和第二橫向通道36、38分別形成在各自的第一和第二 V形槽口 20、22中并且通往相應(yīng)的第一和第二縱向取向的外圍通道40、42。第一和第二橫向通道36、38接納?？炕虻挚吭诘谝缓偷诙M件間銷(xiāo)48、50的相應(yīng)的第一和第二彈簧加載的球柱塞44、46，該第一和第二組件間銷(xiāo)從下殼體組件14延伸，由此第一和第二彈簧加載的球柱塞44、46提供旋轉(zhuǎn)的嵌套力。從圖1和圖2可以看出，第二組件間銷(xiāo)50具有比第一組件間銷(xiāo)48更大的直徑，從而要求第二縱向外圍通道42具有更大的直徑，得到“鍵控”的單向組件。另外，從圖1可以看出，第二縱向外周通道42包括開(kāi)口的側(cè)部52。
[0050]如圖1、圖2和圖4A至圖4G所示，下殼體組件14包括具有大致平面的上表面62的大致柱形本體60。傾斜盤(pán)簧64(參照?qǐng)D2)用于一起拉動(dòng)上殼體組件12的下平底面29和下殼體組件14的上平表面62。上平