ПОРТАТИВНЫЙ ТЕСТЕР ТВЕРДОСТИ С ЦИФРОВЫМ ДИСПЛЕЕМ
PORTABLE HARDNESS TESTER WITH DIGITAL DISPLAY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к тестеру твердости материалов, в частности к компактному прибору для определения твердости с цифровым дисплеем.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время в большинстве традиционных приборов для измерения твердости (тестеров твердости) применяется принцип приложения напряжения от статической нагрузки, а затем измерения отпечатка, причем прибор для определения твердости по Роквеллу измеряет глубину отпечатка и непосредственно отображает величину твердости; прибор для определения твердости по Бринеллю измеряет диаметр отпечатка, проверяет по таблице или вычисляет величину твердости; а прибор для определения твердости по Виккерсу измеряет длину диагонали отпечатка, проверяет по таблице или вычисляет величину твердости. Эти измерительные приборы являются настольными и могут использоваться лишь в лабораториях для измерения деталей среднего и небольшого размера. При большом числе деталей, изготавливаемых на производственном участке, образцы должны изготавливаться или выбираться, а затем отправляться в лаборатории для измерения твердости. Поэтому такие приборы для измерения твердости имеют низкую эффективность эксплуатации и не могут контролировать твердость деталей в реальном времени на производственном участке. Прибор для определения твердости по Либу, который является быстродействующим и удобным, но имеет низкую точность и плохую надежность, применяется в случаях, когда взятие образцов не допускается и должна определяться твердость основной части заготовки, в частности твердость сварных соединений основных элементов, таких как котлы, резервуары повышенного давления и напорные трубопроводы. Результаты измерений, полученные с помощью прибора для определения твердости по Либу, должны преобразовываться в величину твердости по Роквеллу, Бринеллю или Виккерсу. В приборе для определения твердости по Либу применяется метод определения твердости по отскоку, состоящий в динамическом приложении, который отличается от метода определения твердости по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу, поэтому преобразованная величина твердости имеет относительно большую погрешность.
На производстве существует острая потребность в компактном приборе для определения твердости с цифровым дисплеем, использующем принцип измерения по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу. Такой прибор для определения твердости должен обладать компактностью, простотой управления, удобством считывания показаний, высокой эффективностью и высокой точностью и предпочтительно быть интеллектуальным и способным автоматически калибровать ноль и автоматически корректировать измеренную величину.
В американском патенте (номер публикации US 2544205, опубликован 6 марта 1951 г.) описывается портативный прибор для определения твердости по Роквеллу, состоящий из ручного маховичка, микрометрической гайки, микрометрического винта, барабанного колеса, U-образного эластомера, индикатора твердости, индентора и рукоятки. Ручной маховичок прикладывает испытательное усилие; микрометрическая гайка и микрометрический винт вместе с барабанным колесом измеряют глубину отпечатка; U-образный эластомер и индикатор твердости совместно выполняют измерение испытательного усилия; а величина твердости считывается на барабанном колесе.
Американский патент (номер публикации US 2466567, опубликован 5 апреля 1949 г.), американский патент (номер публикации US 3389597, опубликован 25 июня 1968 г.) и американский патент (номер публикации US 2448645, опубликован 7 сентября 1948 г.), соответственно, описывают портативный прибор для определения твердости по Роквеллу, использующий аналогичные принципы.
Вышеуказанные патенты, главным образом, применимы к измерению деталей среднего и небольшого размера. Цепной прибор для определения твердости (номер публикации US 3389597), как показано на фиг. 4, может измерять крупные цилиндрические детали, такие как стальные трубы и валы, но управление им весьма неудобно и обычно осуществляется совместно двумя лицами, при этом одно из них держит прибор, а другое устанавливает цепь. Шкала твердости на барабанном колесе считывается сквозь прозрачное увеличительное стекло с отсчетным штрихом. Каждая шкала, соответствующая единице твердости по Роквеллу, представляет собой дельта-значение глубины отпечатка 2 мкм. Ввиду расстояния между усилительной линзой и барабанным колесом оператор может получать различные показания твердости при различных углах наблюдения. У всех указанных приборов имеются проблемы, такие как неудобное управление, низкая эффективность, погрешности считывания, невозможность или неудобство измерения крупных заготовок.
В китайском патенте на полезную модель (номер публикации CN 201322709Y и номер заявки 200820231921.9), 7 октября 2009 г., описан портативный прибор для определения твердости. В соответствии с этим патентом на полезную модель, прибор для определения твердости закреплен на поверхности испытательного образца с помощью двух магнитных держателей. Прибор для определения твердости содержит блок измерения глубины отпечатка, состоящий из микрометрической гайки, микрометрического винта и барабанного колеса с делениями. U-образная упругая рама и калибр со шкалой совместно действуют для индикации испытательного усилия, а затем величина твердости считывается на барабанном колесе с делениями. В этом патенте на полезную модель система индикации твердости снабжена конструкцией, в которой объединены барабан дисплея с фиксированной шкалой и барабанное колесо с вращающейся шкалой считывания. По сравнению с вышеуказанными американскими патентами такая конструкция считывания с барабанным колесом, аналогичная микрометру, повышает точность измерения глубины отпечатка и точность считывания величины твердости и снижает искусственные ошибки считывания. Однако данный патент на полезную модель имеет следующие недостатки:
a) сложное управление и низкая эффективность: полный набор этапов измерения включает в себя: взятие заготовки, установка нуля на шкалах калибра со шкалой, приложение начального усилия, установка нуля для барабанного колеса с делениями, приложение полного испытательного усилия, поддержание испытательного усилия, уменьшение испытательного усилия до начального испытательного усилия, считывание значения твердости на барабанном колесе и снятие всего испытательного усилия;
b) неудобное считывание, низкая точность считывания и операторские ошибки считывания: требуется аккуратно управлять барабанным колесом и считывать значение твердости, представленное шкалой на барабанном колесе;
с) низкое разрешение при измерении перемещений и измерении усилий, низкая точность и операторские ошибки считывания;
d) невозможность калибровки величины твердости: при использовании прибора имеются погрешности в показаниях твердости, как только U-образный эластомер подвергается незначительной деформации или оказывается воздействие на калибр со шкалой, что вызывает погрешности измерений; в таких условиях калибр со шкалой должен быть возвращен изготовителю для калибровки, при этом пользователь не может калибровать прибор; и
е) низкая эффективность определения твердости по Бринеллю и операторские ошибки считывания: прибор может лишь сделать отпечаток в испытательном образце, а затем пользователь должен считать диаметр отпечатка с помощью отсчетного микроскопа и проверить его в таблице для получения величины твердости по Бринеллю. Для выполнения одного измерения требуется несколько минут.
В китайском патенте на полезную модель (номер публикации CN 1556387A и номер заявки 200410012621.8), 22 декабря 2004 г., описывается портативный магнитный прибор для определения твердости с цифровым дисплеем. В данном патенте на полезную модель используется конструкция образца, содержащая все основные узлы. Для приложения испытательного усилия используется конструкция с червячной парой; главный вал для приложения усилия оснащен датчиком перемещения для измерения глубины отпечатка; используются три датчика усилия, при этом сумма выходных сигналов этих трех датчиков усилия представляет собой испытательное усилие; компьютер вычисляет и отображает величину твердости после получения сигналов от датчиков с помощью электронных схем. Данный патент на полезную модель также имеет следующие недостатки:
а) сложная конструкция, большой вес и некомпактность;
b) неудобное и непрактичное управление. Что касается прибора, используемого в патенте на полезную модель, блокирующие маховички с обеих сторон должны разжиматься для освобождения подставки образца, а затем блокироваться всякий раз перед измерением, управляться двумя руками для приложения усилия во время измерения и вновь разжиматься для удержания подставки, а затем фиксировать подставку при завершении измерения. Столь сложный режим работы крайне нежелателен для операторов;
с) используются три датчика усилия, что приводит к высокой стоимости;
d) для определения твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу требуется специальное техническое решение. В действительности определение твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу имеет более высокие требования к прибору с точки зрения точности измерения усилия, точности измерения глубины отпечатка, разрешения и воспроизводимости. Обычно традиционные датчики перемещения с трудом удовлетворяют соответствующим требованиям.
В стандарте Китая GB/T24523-2009 предусмотрен передовой способ определения твердости по Бринеллю: способ определения твердости (по Бринеллю) быстрым вдавливанием для металлического материала. Это измерение глубины при определении твердости по Бринеллю, и оно также применимо к определению твердости по Виккерсу. Принцип состоит в следующем.
Приложите определенное испытательное усилие (включая начальное испытательное усилие и рабочее испытательное усилие) к приклеенному карборундовому шарику определенного диаметра для вжатия шарика в поверхность испытательного образца, подержите регулируемое время, снимите рабочее испытательное усилие и измерьте величину разности (величину глубины) положений индентора перед приложением и после снятия рабочего испытательного усилия при условии первичного испытательного усилия. Измерьте соответствующие значения глубины множества стандартных контрольных блоков Бринелля и получите кривую зависимости глубины отпечатка и твердости по Бринеллю от определенных условий измерений в соответствии со значением твердости по Бринеллю и значением глубины. При измерении твердости проверьте значение глубины, измеренное прибором для определения твердости, на соответствие кривой зависимости глубины отпечатка и твердости по Бринеллю для получения значения твердости по Бринеллю данного материала.
По сравнению с традиционным способом определения твердости по Бринеллю данный способ представляет собой значительный технический прогресс. Он позволяет реализовать быстрое измерение и прямое считывание твердости по Бринеллю, не нуждается в оптических микроскопах с хронологией использования более чем за 100 лет, предотвращает искусственные ошибки считывания, решает проблемы при быстрых определениях твердости по Бринеллю на месте эксплуатации в партиях продукции во время производства и даже реализует оперативное автоматическое определение твердости партий продукции в производственных помещениях.
Определение твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу с измерением глубины является новым методом, используемым лишь в некоторых иностранных настольных установках. В компактных приборах для определения твердости он пока не встречался. Основные технические трудности состоят в простой, легкой и малогабаритной конструкции компактного прибора для определения твердости, ограниченном внутреннем пространстве и установке типового высокоточного датчика перемещения. Кроме того, экономически невыгодно устанавливать высокоточный датчик перемещения в компактном приборе для определения твердости.
В соответствии с положениями соответствующего стандарта, диапазон измерений твердости по Бринеллю составляет 8~650 HBW; общепринятые величины для тестера твердости по Бринеллю - это шарик 2,5 мм и усилие 187,5 кгс; а для испытательного образца с величиной твердости 650 HBW минимальная глубина отпечатка составляет всего лишь 0,0365 мм.
Отличительной чертой компактного прибора для определения твердости по Виккерсу является точное измерение твердости слоев азотирования у крупных заготовок, таких как штампы и валы. На предшествующем уровне техники точное измерение твердости слоев азотирования у крупных заготовок являлось проблемой, поскольку слои азотирования являются тонкими, но жесткими, имеют толщину 0,1~0,4 мм и твердость свыше 1.000 HV5 и не могут подвергаться воздействию большого испытательного усилия. Для слоя азотирования с 1.000 HV5 используется испытательное усилие 5 кг, а глубина отпечатка составляет всего лишь 0,0143 мм. Измерение глубины нацелено на разность глубин отпечатка, поэтому такое численное значение является небольшим.
Реализация измерения перемещения с высокой точностью и высоким разрешением в компактном приборе для определения твердости является ключом к проведению испытаний на твердость по Бринеллю и Виккерсу. Индуктивный датчик перемещения и оптический датчик перемещений, обычно используемые в приборах для определения твердости, с трудом удовлетворяют вышеуказанным требованиям. Поэтому способы определения твердости по Бринеллю и Виккерсу с измерением глубины в компактных приборах для определения твердости до сих пор не применяются.
При реализации такого способа в компактном приборе для определения твердости становится возможным точное определение твердости основной части множества ключевых крупногабаритных промышленных деталей, что обеспечивает успех в управлении качеством связанной с этим продукции.
КРАТКАЯ СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание компактного прибора для определения твердости с цифровым дисплеем. Такой прибор для определения твердости обладает компактностью, простой конструкцией, удобством управления и считывания и высокой точностью и позволяет реализовать высокоточное, интеллектуальное измерение, автоматическую калибровку нуля и автоматическую калибровку измеренной величины. Он измеряет твердость по Роквеллу и реализует быстрое измерение на месте эксплуатации твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу с помощью измерения глубины, при этом он способен заменить широко распространенный в настоящее время прибор для определения твердости по Либу, имеющий низкую точность.
Цель настоящего изобретения реализуется с помощью следующей технической конфигурации.
Изобретение включает в себя опору, устройство измерения усилия, индентор, электронную печатную плату, цифровой индикатор, магнитный держатель и устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка. Устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка содержит ручной маховичок, кодовый датчик угла поворота и микрометрическую винтовую пару, состоящую из микрометрической гайки и микрометрического винта, причем микрометрическая гайка установлена в опоре; микрометрический винт находится в резьбовом соединении с микрометрической гайкой; один конец микрометрического винта соединен с ручным маховичком, а другой конец соединен с устройством измерения усилия. Кодовый датчик угла поворота установлен на опоре. Вращающийся вал кодового датчика угла поворота и микрометрический винт вращаются синхронно. Индентор установлен на устройстве измерения усилия вместе с устройством измерения усилия и микрометрическим винтом, движущимися вверх и вниз в осевом направлении посредством вращения ручного маховичка. Одна или обе стороны опоры оснащены магнитными держателями для захвата испытательных образцов. Электронная печатная плата размещается над магнитным держателем. Цифровой дисплей установлен на опоре или магнитном держателе. Кодовый датчик угла поворота, цифровой дисплей и датчик усилия в устройстве измерения усилия электрически соединены с электронной печатной платой. Перемещение микрометрического винта измеряется с помощью кодового датчика угла поворота.
При этом один конец микрометрического винта соединен с ручным маховичком с помощью муфты, а на другом конце микрометрического винта имеется шпоночная канавка; шпоночная канавка внутри снабжена третьей шпонкой; а микрометрический винт вращается синхронно с муфтой посредством третьей шпонки. Вращающийся вал кодового датчика угла поворота соединен с микрометрическим винтом с помощью муфты и вращается синхронно с микрометрическим винтом. Один конец муфты закреплен во внутреннем отверстии ручного маховичка, а другой конец вставлен в центральное отверстие вращающегося вала кодового датчика угла поворота, при этом микрометрический винт расположен в муфте. На наружной поверхности муфты имеется первая осевая канавка вдоль осевого направления. Верхняя кромка вращающегося вала кодового датчика угла поворота снабжена второй шпонкой. Вращающийся вал кодового датчика угла поворота соединен с муфтой посредством второй шпонки. Вторая шпонка скользит в первой осевой канавке во время перемещения микрометрического винта. Внутри опоры имеется отверстие вдоль осевого направления. Микрометрическая гайка установлена в отверстии опоры. Один конец микрометрической гайки снабжен наружной конической червячной резьбой. Множество вторых осевых канавок равномерно распределено по наружной конической червячной резьбе вдоль окружности. Наружная коническая червячная резьба находится в резьбовом соединении с конической гайкой для регулирования степени затяжки микрометрической винтовой пары. Устройство измерения усилия содержит скользящую втулку, датчик усилия и подставку датчика усилия, причем один конец скользящей втулки соединен с другим концом микрометрического винта, а другой конец скользящей втулки соединен с одним концом датчика усилия; подставка датчика усилия установлена внизу другого конца датчика усилия. Индентор соединен с нижним концом подставки датчика усилия. Подставка датчика усилия снабжена печатной платой подсветки. Печатная плата подсветки расположена над индентором и снабжена светодиодным (LED) осветителем. Один конец скользящей втулки соединен с другим концом микрометрического винта посредством нажимного колпачка и двух полуколец, при этом стальной шарик расположен между торцевой поверхностью другого конца микрометрического винта и скользящей втулкой. По периметру окружности наружной поверхности скользящей втулки проходит третья осевая канавка. Первая шпонка установлена на микрометрической гайке и скользит в третьей осевой канавке. Скользящая втулка, датчик усилия, подставка датчика усилия, индентор, микрометрический винт, микрометрическая гайка, вращающийся вал кодового датчика угла поворота, ручной маховичок и осевое отверстие в опоре соосны. Прибор для определения твердости снабжен рукояткой. Рукоятка установлена с двух сторон опоры посредством соединительной пластины либо установлена на магнитном держателе. Магнитный держатель включает в себя статор, содержащий постоянные магниты, ротор, содержащий постоянные магниты, рычаг магнитного переключателя и кулачок, причем ротор установлен в статоре; кулачок установлен на валу ротора; рычаг магнитного переключателя соединен с валом ротора посредством отверстия в кулачке; при этом кулачок вращается вместе с рычагом магнитного переключателя.
Данное изобретение имеет следующие преимущества и полезные эффекты:
1. В приборе для определения твердости в соответствии с данным изобретением впервые используется совокупность микрометрической гайки, микрометрического винта и кодового датчика угла поворота в качестве устройства измерения глубины отпечатка, при этом реализуется измерение глубины отпечатка с высоким разрешением и высокой точностью и учитывается экономичность.
2. В данном изобретении впервые реализуется быстрое измерение твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу в компактном приборе для определения твердости посредством измерения глубины и реализуется прямое отображение, поэтому становится возможным быстрое и точное определение твердости крупных заготовок на месте эксплуатации. Данное изобретение может использоваться для поочередного испытания партий заготовок непосредственно на производстве и может заменить имеющий низкую точность прибор для определения твердости по Либу.
3. Данное изобретение имеет простую конструкцию, небольшой вес, является удобным и компактным.
4. В данном изобретении реализуется простая операция измерения. Оператор может выполнять измерение в течение от нескольких до десятков секунд с помощью нескольких простых операций, включающих в себя приложение усилия, поддержание усилия, снятие усилия и считывание.
5. В данном изобретении осуществляется автоматическая калибровка нулевой точки величины усилия после запуска, что предотвращает ошибки, вызванные отклонением температуры и отклонением времени датчика и электронной схемы.
6. В данном изобретении могут корректироваться измеренные значения прибора с помощью стандартных контрольных блоков, поэтому прибор способен сохранять высокую точность после использования в течение продолжительного времени.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ НА ЧЕРТЕЖАХ
Фиг. 1 является схематическим изображением внешней конструкции изобретения.
Фиг. 2 является видом справа фиг. 1.
Фиг. 3 является схематическим изображением внутренней конструкции изобретения.
Фиг. 4 является электрической блок-схемой изобретения.
На данных чертежах: 1 - рычаг магнитного переключателя; 2 - кулачок; 3 - магнитный держатель; 4 - рукоятка; 5 - цифровой индикатор; 6 - экран дисплея; 7 - клавиша; 8 - стопорный винт; 9 - ручной маховичок; 10 - муфта; 11 - коническая гайка; 12 - вращающийся вал кодового датчика угла поворота; 13 - микрометрический винт; 14 - микрометрическая гайка; 15 - соединительная пластина; 16 - первая шпонка; 17 - комплект батарей; 18 - вал ротора; 19 - статор; 20 - ротор; 21 - датчик усилия; 22 - подставка датчика усилия; 23 - печатная плата подсветки; 24 - индентор; 25 - светодиодный осветитель; 26 - испытательный образец; 27 - электронная печатная плата; 28 - скользящая втулка; 29 - стальной шарик; 30 - полукольцо; 31 - нажимной колпачок; 32 - опора; 33 - кодовый датчик угла поворота; 34 - вторая шпонка; 35 - третья шпонка; 36 - измерительная схема; 37 - схема центрального процессора (ЦП); 38 - цепь питания.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Более подробно изобретение описывается со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Предлагается портативный тестер твердости с цифровым дисплеем, содержащий опору, устройство измерения усилия, индентор, электронную цифровую схему, цифровой дисплей, магнитные держатели и устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка, причем устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка содержит ручной маховичок (9), кодовый датчик (33) угла поворота и микрометрическую винтовую пару, состоящую из микрометрической гайки (14) и микрометрического винта (13), причем микрометрическая гайка (14) установлена в опоре (32); микрометрический винт (13) находится в резьбовом соединении с микрометрической гайкой (14); один конец микрометрического винта (13) соединен с ручным маховичком (9), а другой конец соединен с устройством измерения усилия; кодовый датчик (33) угла поворота установлен на опоре (32); вращающийся вал (12) кодового датчика угла поворота и микрометрический винт (13) вращаются синхронно; индентор (24) установлен на устройстве измерения усилия, причем индентор вместе с устройством измерения усилия и микрометрическим винтом (13) выполнены с возможностью движения вверх и вниз в осевом направлении посредством вращения ручного маховичка (9); одна или обе стороны опоры (32) оснащены магнитными держателями (3) для захвата испытательных образцов (26); электронная печатная плата (27) размещается над магнитным держателем (3); цифровой дисплей (5) установлен на опоре (32) или магнитном держателе (3); кодовый датчик (33) угла поворота, цифровой дисплей (5) и датчик усилия в устройстве измерения усилия соответствующим образом электрически соединены с электронной печатной платой (27); а перемещение микрометрического винта (13) измеряется с помощью кодового датчика (33) угла поворота. Причем один конец микрометрического винта (13) соединен с ручным маховичком (9) через муфту (10), при этом один конец микрометрического винта (13) является открытым со шпоночной канавкой; шпоночная канавка внутри снабжена третьей шпонкой (35); микрометрический винт (13) вращается синхронно с муфтой (10) посредством третьей шпонки (35); вращающийся вал (12) кодового датчика угла поворота соединен с микрометрическим винтом (13) с помощью муфты (10) и вращается синхронно с микрометрическим винтом (13). Причем один конец муфты (10) жестко закреплен во внутреннем отверстии ручного маховичка (9), причем другой конец вставлен в центральное отверстие вращающегося вала (12) кодового датчика угла поворота, микрометрический винт (13) расположен в муфте (10); наружная поверхность муфты (10) является открытой по оси с первой осевой канавкой; верхний конец вращающегося вала (12) кодового датчика угла поворота снабжен второй шпонкой (34); вращающийся вал (12) кодового датчика угла поворота соединен с муфтой (10) посредством второй шпонки (34); при этом вторая шпонка (34) скользит в первой осевой канавке во время перемещения микрометрического винта (13). Причем опора (32) является открытой внутри с отверстием вдоль осевого направления; микрометрическая гайка (14) установлена в отверстии опоры (32); один конец микрометрической гайки (14) снабжен наружной конической червячной резьбой; множество вторых осевых канавок равномерно распределено по наружной конической червячной резьбе вдоль окружности; и наружная коническая червячная резьба находится в резьбовом соединении с конической гайкой (11) для регулирования степени затяжки микрометрической винтовой пары. Причем устройство измерения усилия содержит скользящую втулку (28), датчик (21) усилия и подставку (22) датчика усилия, причем один конец скользящей втулки (28) соединен с другим концом микрометрического винта (13); другой конец скользящей втулки (28) соединен с одним концом датчика (21) усилия; подставка (22) датчика усилия установлена внизу другого конца датчика (21) усилия; а индентор (24) соединен с нижним концом подставки (22) датчика усилия. Причем подставка (22) датчика усилия снабжена печатной платой (23) подсветки; и при этом печатная плата (23) подсветки расположена над индентором (24) и снабжена светодиодным (LED) осветителем (25). Причем один конец скользящей втулки (28) соединен с другим концом микрометрического винта (13) посредством нажимного колпачка (31) и двух полуколец (30); стальной шарик (29) расположен между торцевой поверхностью другого конца микрометрического винта (13) и скользящей втулкой (28); наружная поверхность скользящей втулки (28) открыта с третьей осевой канавкой вдоль окружности; микрометрическая гайка (14) установлена с первой шпонкой (16); и первая шпонка (16) скользит в третьей осевой канавке. Причем скользящая втулка (28), датчик (21) усилия, подставка (22) датчика усилия, индентор (24), микрометрический винт (13), микрометрическая гайка (14), вращающийся вал (12) кодового датчика угла поворота, ручной маховичок (9) и осевое отверстие в опоре (32) соосны. Причем прибор для определения твердости снабжен рукояткой (4); рукоятка (4) установлена с двух сторон опоры (32) либо установлена на магнитном держателе (3) через соединительную пластину (15). Причем магнитный держатель (3) включает в себя статор (19), содержащий постоянный магнит, ротор (20), содержащий постоянный магнит, рычаг (1) магнитного переключателя и кулачок (2), причем ротор (20) установлен в статоре (19); кулачок (2) установлен на валу (18) ротора (20); рычаг (1) магнитного переключателя соединен с валом (18) ротора через отверстие в кулачке (2); при этом кулачок (2) вращается вместе с рычагом (1) магнитного переключателя.
Как показано на фиг. 1-3, данное изобретение содержит опору 32, устройство измерения усилия, индентор 24, электронную печатную плату 27, цифровой дисплей 5, магнитный держатель 3 и устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка, причем устройство приложения усилия и измерения глубины отпечатка содержит ручной маховичок 9, кодовый датчик 33 угла поворота, муфту 10 и микрометрическую винтовую пару, состоящую из микрометрической гайки 14 и микрометрического винта 13. Устройство измерения усилия содержит скользящую втулку 28, датчик 21 усилия и подставку 22 датчика усилия.
Опора 32 является главной станиной, внутри которой вдоль осевого направления имеется круглое отверстие. В круглом отверстии опоры 32 установлена микрометрическая гайка 14. Микрометрический винт 13 расположен в микрометрической гайке 14 в резьбовом соединении с микрометрической гайкой 14. Один конец (верхний конец) микрометрического винта 13 соединен с муфтой 10. Муфта 10 закреплена во внутреннем отверстии ручного маховичка 9, при этом на одном конце микрометрического винта 13 имеется шпоночная канавка. Шпоночная канавка внутри снабжена третьей шпонкой 35. Микрометрический винт 13 поддерживает вращение синхронно с муфтой 10 и ручным маховичком 9 посредством третьей шпонки 35. Одна оконечная часть микрометрического винта 13 затянута стопорным винтом 8, а другой конец (нижний конец) микрометрического винта 13 соединен с датчиком 21 усилия посредством скользящей втулки 28. Один конец (верхний конец) микрометрической гайки 14 расположен между муфтой 10 и микрометрическим винтом 13, а другой конец микрометрической гайки 14 снабжен наружной конической червячной резьбой. Множество вторых осевых канавок (три в данном варианте осуществления) равномерно распределено по наружной конической червячной резьбе вдоль окружности. Наружная коническая червячная резьба находится в резьбовом соединении с конической гайкой 11. Посадка с гарантированным зазором микрометрической винтовой пары может регулироваться с помощью конической гайки 11.
Кодовый датчик 33 угла поворота установлен на опоре 32. Вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота соосен с микрометрической винтовой парой. Один конец муфты 10 закреплен во внутреннем отверстии ручного маховичка 9, а другой конец вставлен в центральное отверстие вращающегося вала 12 кодового датчика угла поворота. На наружной поверхности муфты 10 имеется первая канавка в осевом направлении. Верхняя кромка вращающегося вала 12 кодового датчика угла поворота снабжена второй шпонкой 34. Вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота соединен с муфтой 10 посредством второй шпонки 34. Вторая шпонка 34 может скользить в первой осевой канавке во время перемещения микрометрического винта 13. Вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота соединен с микрометрическим винтом 13 посредством муфты 10 и вращается синхронно с микрометрическим винтом 13.
При вращении ручного маховичка 9 вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота, муфта 10 и микрометрический винт 13 вращаются синхронно, при этом микрометрический винт 13 перемещается в осевом направлении вверх и вниз. За каждый цикл вращения ручного маховичка 9 микрометрический винт 13 перемещается в осевом направлении на шаг резьбы винта. Кодовый датчик 33 угла поворота делит это перемещение на несколько тысяч ступеней и передает сигнал в схему 37 ЦП через измерительную схему 36, чтобы реализовать точное измерение глубины отпечатка. В данном варианте осуществления один шаг резьбы винта составляет 0,5 мм. В процессе определения твердости по Роквеллу вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота может выдавать 5,000 ступеней в каждом цикле вращения, при этом каждая ступень соответствует перемещению на 0,1 мкм, что эквивалентно 0,05 единицы твердости по Роквеллу. При использовании определения глубины для определения твердости по Бринеллю и твердости по Виккерсу вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота может выдавать 10,000 ступеней в каждом цикле вращения посредством технологии частотного разделения, при этом каждая ступень соответствует перемещению на 0,05 мкм, что эквивалентно 1/730 минимальной глубины отпечатка (величина твердости закаленной стали составляет 650 HBW) для шкалы HBW 2,5/187,5 твердости по Бринеллю и эквивалентно 1/280 минимальной глубины отпечатка (величина твердости слоя азотирования составляет 1,000 HV5) для шкалы HV5 твердости по Виккерсу. Требования соответствующих стандартов GB/T230.2, GB/T231.2 и GB/T4340 могут быть выполнены.
Один конец (верхний конец) скользящей втулки 28 соединен с другим концом (нижним концом) микрометрического винта 13 посредством нажимного колпачка 31 и двух полуколец 30, а другой конец (нижний конец) скользящей втулки 28 находится в резьбовом соединении с одним концом (верхним концом) датчика 21 усилия. Подставка 22 датчика усилия установлена внизу другого конца (нижнего конца) датчика 21 усилия. Индентор 24 соединен с нижним концом подставки 22 датчика усилия. Индентор 24 может представлять собой шариковый индентор или алмазный индентор. Стальной шарик 29 расположен между другим концом микрометрического винта 13 и скользящей втулкой 28, при этом торцевая поверхность другого конца микрометрического винта 13 снабжена сферическим углублением, пригнанным к стальному шарику 29 и состыковывающимся со стальным шариком 29. По периметру окружности наружной поверхности скользящей втулки 28 проходит третья осевая канавка. Микрометрическая гайка 14 установлена с первой шпонкой 16. Первая шпонка 16 скользит в третьей осевой канавке. Скользящая втулка 28 лишь перемещается в осевом направлении в микрометрической гайке 14 под руководством первой шпонки 16, предотвращая вращение всего устройства измерения усилия и индентора 24. Стальной шарик 29 может эффективно устранять действие поперечно приложенной силы на скользящую втулку 28 и первую шпонку 16 при вращении микрометрического винта 13. Печатная плата 23 подсветки расположена под подставкой 22 датчика усилия. Печатная плата 23 подсветки снабжена светодиодным осветителем 25. Во время измерения светодиодный осветитель 25 может освещать зону измерений таким образом, что оператору удобно выбирать точку замера и наблюдать весь процесс измерения.
В данном варианте осуществления скользящая втулка 28, датчик 21 усилия, подставка 22 датчика усилия, индентор 24, микрометрический винт 13, микрометрическая гайка 14, вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота, ручной маховичок 9, муфта 10 и круглое отверстие в опоре 32 соосны. Ручной маховичок 9 в данном изобретении может быть заменен электродвигателем. Выходной вал электродвигателя соединяется с муфтой 10, и электродвигатель приводит во вращение муфту 10, микрометрический винт 13 и вращающийся вал 12 кодового датчика угла поворота.
Цифровой дисплей 5 установлен перед опорой 32. Цифровой дисплей 5 содержит экран 6 дисплея и клавишу 7, причем экран 6 дисплея наклонен к опоре 32 для облегчения наблюдения во время операции. Цифровой дисплей 5 может также устанавливаться над магнитным держателем 3. Электронная печатная плата 27 установлена над магнитным держателем 3. Кодовый датчик 33 угла поворота, цифровой дисплей 5, печатная плата 23 подсветки и датчик 21 усилия, соответственно, электрически соединены с электронной печатной платой 27.
Электронная печатная плата 27 содержит измерительную схему 36, схему 37 ЦП и цепь 38 питания. Вход измерительной схемы 36 соединен с кодовым датчиком 33 угла поворота и датчиком 21 усилия, а выход соединен со схемой 37 ЦП, которая также соединена с цифровым дисплеем 5. Датчик 21 усилия и кодовый датчик 33 угла поворота, соответственно, передают сигналы усилия и перемещения на схему 37 ЦП через измерительную схему 36. Цифровой дисплей 5 отображает значение испытательного усилия и измеренное значение твердости после того, как схема 37 ЦП обрабатывает сигналы усилия и перемещения. Электронная печатная плата 27 может автоматически калибровать ноль для значения усилия. После включения прибора схема 37 ЦП автоматически получает нулевой выходной сигнал датчика 21 усилия и отображает значение усилия на цифровом дисплее 5 после снижения выходного сигнала датчика 21 усилия на нулевое значение при приложении усилия.
Данное изобретение также снабжено рукояткой 4. Рукоятка 4 установлена с двух сторон опоры 32 посредством соединительной пластины 15 либо установлена на магнитном держателе 3 для облегчения подъема прибора для определения твердости.
Магнитный держатель 3 включает в себя статор 19, содержащий постоянный магнит, ротор 20, содержащий постоянный магнит, рычаг 1 магнитного переключателя и кулачок 2, причем ротор 20 установлен в статоре 19; кулачок 2 установлен на валу 18 ротора 20; рычаг 1 магнитного переключателя соединен с валом 18 ротора посредством отверстия в кулачке 2. Магнитный захват 3 может захватывать или освобождать испытательный образец 26 посредством перемещения на себя рычага 1 магнитного переключателя, а кулачок 2 может вращаться вместе с рычагом 1 магнитного переключателя. При перемещении на себя рычага 1 магнитного переключателя для управления магнитным захватом 3 с целью освобождения испытательного образца 26 стальной или железный металлический испытательный образец 26 может, тем не менее, захватываться магнитным держателем 3 из-за небольшой величины остаточной намагниченности. В таких условиях рычаг 1 магнитного переключателя можно перемещать на себя постоянно до тех пор, пока кулачок 2 не будет выступать за нижнюю плоскость магнитного держателя 3, а затем испытательный образец 26 и магнитный держатель 3 могут быть разделены за счет эффекта рычага.
В данном варианте осуществления используются магнитные держатели 3, симметрично установленные с двух сторон опоры 32. Один магнитный держатель может использоваться для измерения небольших заготовок, а три магнитных держателя могут использоваться для измерения прямоугольного сварного шва круглых труб.
В соответствии с требованиями стандарта GB/T24523-2009 определения твердости по Бринеллю измерением глубины, измерительный прибор должен измерять последовательность стандартных контрольных блоков Бринелля перед поставкой, при этом измеренные значения твердости вводятся в прибор для построения кривой «твердость-глубина отпечатка». Такая же работа должна выполняться при использовании измерения глубины для определения твердости по Виккерсу.
Принцип действия изобретения состоит в следующем.
Поместите данное изобретение на испытательный образец 26, переместите на себя рычаг 1 магнитного переключателя таким образом, чтобы магнитные держатели 3 притянулись для захвата испытательного образца 26; поверните ручной маховичок 9 для приведения в движение муфты 10, микрометрического винта 13 и вращающегося вала 12 кодового датчика угла поворота для синхронного вращения, а затем микрометрический винт 13 толкает датчик 21 усилия, подставку 22 датчика усилия и индентор 24 для перемещения вниз к испытательному образцу 26 посредством стального шарика 29 и скользящей втулки 28; при соприкосновении индентора 24 с испытательным образцом 26 верхний конец индентора 24 вжимается в испытательный образец вместе с постоянным вращением ручного маховичка 9 для создания отметок вдавливания на поверхности испытательного образца 26. Во время измерения датчик 21 усилия контролирует испытательное усилие, прикладываемое к индентору 24, в реальном времени и передает сигналы на схему 37 ЦП. Когда испытательное усилие достигает регулируемого первичного значения испытательного усилия, схема 37 ЦП в этот момент регистрирует значение глубины отпечатка, постоянно прикладывает усилие для достижения полного значения испытательного усилия, прекращает приложение усилия, а затем поддерживает его в течение регулируемого времени. Поверните ручной маховичок 9 в обратную сторону, в этот момент схема 37 ЦП регистрирует значение глубины отметки вдавливания, когда испытательное усилие снижается до регулируемого первичного значения испытательного усилия, обрабатывает и вычисляет разность глубин отпечатков под действием первичного испытательного усилия до и после приложения полного испытательного усилия и отображает значение твердости испытательного образца 26 на экране 6 дисплея. После завершения измерения переместите от себя рычаг 1 магнитного переключателя таким образом, чтобы магнитные держатели 3 отделились от испытательного образца 26. Для проведения полного измерения требуется всего лишь несколько десятков секунд.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления данного изобретения процесс выполнения операции измерения может быть упрощен до следующих этапов:
захват испытательного образца, приложение полного испытательного усилия, поддержание испытательного усилия, снятие полного испытательного усилия, считывание величины твердости и освобождение испытательного образца.