裡氏硬度基準裝置的製作方法

2023-07-10 07:08:11

專利名稱：裡氏硬度基準裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種硬度測量裝置，特別是一種測量試件裡氏硬度的基準裝置，屬於精密測量技術領域。
背景技術：
裡氏硬度測量方法，是二十世紀七十年代末由瑞士D.LEEB博士發明，是以能量測量原理為基礎的動態硬度試驗方法，其試驗原理的基礎是使一個保持恆定能量(D型11N·mm，G型90N·mm)的衝擊體衝擊到靜止的材料試件上，再回彈起來，測量回彈時尚存在於試樣中的能量(殘餘能量)，該殘餘能量即表示裡氏硬度的大小。裡氏硬度值的定義為 式中HL-裡氏硬度值V反-反彈速度V衝-衝擊速度用該試驗原理研製並大量生產的可攜式裡氏硬度計小巧、精緻，迅速在國內、外得到廣泛的推廣和應用。
可攜式裡氏硬度計由衝擊儀和電子顯示器組成，結構見圖1，衝擊儀由帶碳化鎢球頭的衝擊體、控制衝擊體徑向位置的導向筒、衝擊體能量施加裝置、釋放夾持機構、控制裝置、測速裝置等組成。衝擊體能量施加裝置由一承載筒和安裝在承載筒內的衝擊彈簧構成，釋放夾持機構和控制裝置由一夾鉗和控制夾鉗動作的開關組成，測速裝置採用電磁探測器，它由安裝在衝擊體中的永久磁鐵和固定在導向筒前部的線圈構成。其工作過程是先將導向筒推入承載筒，然後慢慢鬆開，這時衝擊體被夾鉗夾住，並將衝擊彈簧壓縮，按動釋放開關，夾鉗就放開衝擊體，衝擊體由於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衝擊速度和反彈速度，並按公式計算出裡氏硬度值。由於衝擊彈簧、永久磁鐵及電磁線圈均在準確性和長期穩定性方面存在缺陷，不能保持穩定的測量精度。
目前國內外均無裡氏硬度標準裝置，其校準裡氏硬度計的裡氏硬度塊的示值溯源於靜態的維氏、布氏硬度值，屬於間接量傳，帶有換算誤差。

發明內容
為了克服現在的裡氏硬度計的長期穩定性差、測量精度低的不足，本發明的目的是提供了一種裡氏硬度基準裝置，其測量精度高，長期穩定性好。
本發明的裡氏硬度測量裝置，包括底座、放置在底座上的工作檯、帶碳化鎢球頭的衝擊體、控制衝擊體徑向位置的導向筒、衝擊體上升釋放夾持機構、控制裝置、測速裝置和數據採集處理裝置，其特點是衝擊體能量的獲得放棄了衝擊彈簧，而完全採用地球引力即重力的方式，這樣，只要衝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確性和穩定性，測速裝置採用雷射都卜勒測速系統。
為了測量硬度的方便、準確，控制裝置採用電控系統，它主要由可編程控制器、驅動器和光電管等組成，通過該電控系統完成衝擊體的夾持、釋放、上升、下降、位置判斷，衝頭選擇等功能，且具有手動及自動兩種實現方式；數據採集處理裝置採用由數字存儲示波器構成的數字採集系統和主要由微機構成的數據處理系統，數字採集系統和數據處理系統之間通過488接口連接。這樣計算機通過488接口實現對示波器採集的原始都卜勒信號快速、準確、有效的傳輸，並根據得到的原始都卜勒信號，通過低通濾波、相位計算、速度計算等最終得到裡氏硬度值。
雷射都卜勒測速系統主要由雷射器、分光鏡、接收器等組成，並使用布拉格盒實現速度方向判別，用於跟蹤測量衝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確，也就使硬度測量的準確度得到進一步提高。
本發明是直接依據裡氏硬度試驗原理，通過測量衝擊體的殘餘能量來測得裡氏硬度值，實現了裡氏硬度的直接量值傳遞，避免了換算誤差。


下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1是可攜式裡氏硬度計結構2是本發明的結構框3是本發明的結構示意3中，1.底座，2.工作檯，3.試樣，4.導向筒，5.衝擊體，6.釋放夾持機構，7.升降導軌，8.雷射測速裝置，9.絲杆，10.升降手輪，11.電控系統，12.計算機，13.數採系統，14.雷射測速裝置。
具體實施例方式
本發明是集光、機、電系統於一體的自動化程度很高的裝置，由主機、衝擊體、電控系統、雷射都卜勒測速系統、數採系統、數據處理系統等組成。結構框圖見圖2。
主機由底座(1)、工作檯(2)、導向筒(4)、衝擊體(5)、衝擊體釋放夾持機構(6)、升降導軌(7)、絲杆(9)和升降手輪(10)等組成。其底座重達400公斤，牢固、穩定，滿足裡氏硬度動態測試的要求。升降機構和夾持機構用於釋放D型衝擊體和G型衝擊體，進行裡氏硬度HLD和HLG標尺的檢定。衝擊體(5)的質量D型為5.5g±0.05g，G型為20g±0.05g，頂部設計有臺階，便於夾持機構(6)夾持託起，使衝擊體(5)釋放前充分保持自由狀態。衝擊體的球頭按試驗方法使用直徑3mm和5mm的碳化鎢球頭。
電控系統(11)主要由可編程控制器、驅動器和光電管等組成。完成衝擊體的夾持、釋放、上升、下降；位置判斷，衝頭選擇等功能，具有手動及自動兩種實現方式。
雷射測速裝置(8)(14)主要由雷射器、分光鏡、接收器等組成，並使用布拉格盒實現速度方向判別，雷射測速裝置(8)和(14)之間用電線連接，用於跟蹤測量衝擊體在下落及回彈過程中的速度。採用雷射都卜勒測速裝置測量衝擊體在距試樣表面1mm位置處的衝擊速度及反彈速度，它具有以下特點
非接觸測量；空間解析度高；動態響應快，以光速傳播慣性極小；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，可進行速度方向的判別。
數採系統(13)採用數字存儲示波器，採樣率可達1G/s/4CH。計算機(12)通過488接口實現對示波器採集的原始都卜勒信號快速、準確、有效的傳輸，並根據得到的原始都卜勒信號，通過低通濾波、相位計算、速度計算等最終得到裡氏硬度值。
下面介紹一下本發明的測量過程預熱工作前，分別打開計算機(12)、數採系統(13)和雷射測速系統(8)的電源開關，並預熱30分鐘。
手動模式1)運行計算機軟體，並輸入相關信息；2)在電控系統(11)的控制面板上選擇手動模式；3)在電控系統(11)的控制面板上選擇相應的標尺按鈕(D型或G型)；4)打開電控系統開關按鈕；5)將選好的衝擊體(5)放入導向筒(4)內下端，按控制系統(11)面板上的夾緊按鈕，此時夾緊釋放機構(6)將自動將衝擊體(5)夾住託起；6)按上升按鈕，夾緊釋放機構(6)將帶動衝擊體(5)在導向筒(4)內自動上升，直到工作位置；7)點擊計算機軟體界面上的「零線檢測」按鈕，檢測測速系統零線；8)點擊計算機軟體界面上的「採樣」按鈕，開始採樣；9)按釋放按鈕，夾緊釋放機構(6)將鬆開衝擊體(5)，衝擊體(5)會自由下落，衝擊到試樣(3)的試面上並反彈；10)點擊軟體界面上的「開始計算」按鈕，自動計算衝擊體速度及被測試樣硬度值；11)重複上述操作，進行多次測量，得到最終被測試樣的平均值及不均勻性。
自動模式1)運行計算機軟體，並輸入相關信息；
2)在電控系統(11)的控制面板上選擇自動模式；3)在電控系統(11)的控制面板上選擇相應的標尺按鈕(D型或G型)；4)將選好的衝擊體(5)放入導向筒(4)內下端，按控制系統(11)面板上的開關按鈕，此時夾緊釋放機構(6)將自動將衝擊體(5)夾住託起並帶動衝擊體(5)在導向筒(4)內自動上升，直到工作位置；5)點擊計算機軟體界面上的「零線檢測」按鈕，檢測測速系統零線；6)點擊計算機軟體界面上的「採樣」按鈕，開始採樣；7)在電控系統(11)的控制面板上按「測試」按鈕，夾緊釋放機構(6)將鬆開衝擊體(5)，衝擊體5會自由下落，衝擊到試樣(3)的試面上並反彈，此時夾緊釋放機構會自動下降，再一次夾持衝擊體(5)到工作位置準備下一次釋放。；8)點擊軟體界面上的「開始計算」按鈕，自動計算衝擊體速度及被測試樣硬度值；9)重複上述操作，進行多次測量，得到最終被測試樣的平均值及不均勻性。
本裝置具有如下優點1.該裝置衝擊體採用自由落體釋放方式，能量控制準確，重複性好。
2.該裝置採用雷射都卜勒測速原理實現衝擊、反彈速度跟蹤測量，實時性高，數據準確；3.利用上述兩方法首次應用於硬度測量領域，前所未有。
4.該裝置精度高，可作為基準裝置，解決了裡氏硬度的直接量傳問題。
5.該方法溯源到波長及時間等基本量綱。
6.該裝置全部操作過程由計算機控制，自動實現衝擊體夾持等動作及信號採集和數據處理，能自動列印檢定結果及證書，操作方便；7.該裝置單檢定點操作試驗過程僅為20秒，工作效率極高。
8.該裝置軟體採用可視化設計，工作界面簡潔、單一、友好。
本發明可應用於裡氏硬度D型和G型裡氏硬度塊的測試。測量範圍為(200～900)HLD/HLG。
權利要求
1.裡氏硬度基準裝置，包括底座、放置在底座上的工作檯、帶碳化鎢球頭的衝擊體、控制衝擊體徑向位置的導向筒、衝擊體上升釋放夾持機構、控制裝置、測速裝置和數據採集處理裝置，其特徵在於衝擊體能量獲得完全採用地球引力即重力，測速裝置採用雷射都卜勒測速系統。
2.根據權利要求1所述的裡氏硬度基準裝置，其特徵是所述的控制裝置採用電控系統，通過該電控系統完成衝擊體的夾持、釋放、上升、下降、位置判斷，衝頭選擇等功能，且具有手動及自動兩種實現方式；數據採集處理裝置採用由數字存儲示波器構成的數字採集系統和主要由微機構成的數據處理系統，數字採集系統和數據處理系統之間通過488接口連接。
3.根據權利要求1所述的裡氏硬度基準裝置，其特徵是所述的雷射都卜勒測速系統中採用了布拉格盒，從而實現衝擊體速度方向的判別。
全文摘要
本發明涉及一種裡氏硬度基準裝置，它包括底座、放置在底座上的工作檯、帶碳化鎢球頭的衝擊體、控制衝擊體徑向位置的導向筒、衝擊體上升釋放夾持機構、控制裝置、測速裝置和數據採集處理裝置，衝擊體能量的獲得完全採用地球引力即重力，測速裝置採用雷射都卜勒測速系統。本發明可應用於裡氏硬度D型和G型裡氏硬度塊的測試。它具有長期穩定性好、測量精度高、快速、簡便特點。
文檔編號G01N3/40GK1635357SQ20031012247
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月25日 優先權日2003年12月25日
發明者石偉, 王中華, 徐 明, 張宏運, 李新良, 宗惠才 申請人:中國航空工業第一集團公司三○四所