硬度测定仪上使用的卡爪压头底座的制作方法
【专利说明】硬度测定仪上使用的卡爪压头底座
[0001]本申请根据美国35U.S.C.119(e)要求于2012年12月5日提交的美国临时专利申请序列号61/733，548的优先权，该申请的公开内容全部通过引用的方式并入本文中。
【背景技术】
技术领域
[0002]
[0003]本公开涉及在硬度测定仪上特别是显微硬度测定仪或类似设备上使用的卡爪压头底座。
[0004]现有抟术
[0005]通常在布氏硬度测定仪、洛氏硬度测定仪或显微硬度测定仪上测量硬度，S卩，材料对永久变形的抗力。在显微硬度测试中，四棱锥金刚石压头以受控的力压入样品表面内。然后移除压头，并使用显微镜测量留在样品表面上的压痕的对角线长度。通过测试力和压痕面积来计算硬度(通常通过软件计算)。
[0006]显微硬度测定仪可以装有至少两种压头类型，包括维氏硬度压头和努普氏压头。维氏硬度压头是对称的四棱锥，它形成方形压痕。测量两个对角线来计算硬度。努普氏压头是高度不对称的，并且它形成细长(7:1)的长斜方形压痕。仅测量长对角线并将其用于硬度计算。
[0007]显微硬度测定仪通常配有全部安装在多位置旋转台上的多个压头和多个显微镜物镜。为了进行测试，使台旋转以将压头位于测试样品上方，打出压痕，然后将台旋转到物镜位置，所以使用者(以及软件)可以观察并测量压痕。
[0008]为了在测试样品上打出对称的压痕，金刚石压头必须以精确的角度取向与表面接触。也就是说，压头轴线和测试样品表面必须以两根轴线在3角分的范围内互相垂直。需要两个可调的水平轴线，因为用固定的零件，甚至用最精确的机加工也无法获得这种严格的角容差。
[0009]还必须控制第三压痕取向，即压痕绕着观察轴线的旋转。相对的压痕顶角的左右和前后取向需要在大约半度的范围内。最需要这种旋转对齐，因为使用者通常期望压痕看起来与主轴线对齐一一弯曲的压痕是差的机器质量的表征。此外，因为由两对软件细丝(一对完全竖直，并且一对完全水平)自动测量压痕长度，许多使用者会假设通过软件细丝不能精确测量具有容易看到的角度的压痕，即使用细丝可以精确测量(通常在0.1%的范围内)具有非常明显的2.5度角的压痕。
[0010]为了获得“压痕对称性”，Wilson Tukon 2100和Tukon 2500测定仪使用薄垫片结构(0.001” &0.003”厚的金属垫片)来调节X-Y平台的角度。用无垫片测定仪打出两个努普氏压痕(一个水平，一个竖直)，测量压痕对称性并且将测量结果用于计算校正不对称性所需垫片的厚度。从测定仪移除X-Y平台，将垫片放置在将X-Y平台夹紧在载架上的四个螺钉周围，并且对机器的X-Y平台进行改装。最后，再打出两个努普氏压痕来验证垫片调节的结果。
[0011]TU2500不具有对压痕取向的精细旋转调节。使用者必须使用临时穿过压头中的横向孔的一毫米螺丝旋棒来手动转动压头。
[0012]各个公司制造可能通过一些类型的调节机构来调节其压头对称性的装置。类似地，存在四根轴线(两根平动，两根旋转)对齐装置用于调节拉伸测试试样对齐。它是由Interlaken公司制造的，参照于1995年I月3日发布的美国专利第5，377，549号。
[0013]在2006年2月28日发布的共有美国专利第7，004，017号中，倾斜盘簧用于使压头居中并且将其肩部拉至与联接的端面牢固地压缩接触。
[0014]另外，于2012年9月5日提交的题为“用于显微硬度测量的设备”的共有专利PCT/US2012/053750虽然非常适合其预期目的，但是不包括卡爪特征。
[0015]一般来说，现有技术的“在平台上调整垫片”的对称性调节方法是可以接受的(即，可以使压痕对称)，但是该方法耗时且要求临时移除X-Y平台以安装垫片。平台的沉重重量以及其靠近显微镜目镜和压头使平台移除和安装成为一件有风险的任务一一当保持平台的螺纹突然松脱时很可能存在向上猛拉沉重的X-Y平台并且拉入到显微镜和负载传感器部件中的巨大风险。
[0016]在平台上调整垫片的另一个缺点在于因为调节垫片而使样品表面倾斜，显微镜的焦平面发生变化并且一部分视野会失去焦点。
[0017]现有技术的方法的另一个不足在于无法找到“调节垫片前的压痕”以与“调节垫片后的压痕”进行比较，因为从仪器移除平台并且在加垫片后进行更换(并非准确地在同一位置)。
[0018]维氏和努普氏压头加工成这样的精度使得通常可以从机器底座移除压头并更换成另一个压头并且保持压痕的对称性。然而，当更换压头时，总会失去压痕的旋转取向。这是一个很大的问题，因为用现有技术的方法调节压痕的旋转取向是单调乏味的、无计划的任务，操作员每次用不太可控的螺丝旋棒旋转调节对压头进行旋转调节通常会过头或不足。调节压头的旋转取向通常被认为是在TU2500机器上最难做的一件事情。
【发明内容】
[0019]因此本公开的目的是提供用于简化调节硬度测定仪或类似材料测试设备中的压头O
[0020]通过提供由固定螺钉调节的球接头来达到这个和其他目的。因为在压头处完成对称调节，平台在调节期间保持在位并且焦平面不受调节的影响。球接头的中心在钻石压头的末端，所以压头末端不会在调节角度时平移。这意味着被调节的压头可以与“调节垫片前的压痕”相邻放置，用于目视确认调节动作。
[0021]卡爪连接和两个销的旋转取向机构的结合允许使用者在不需要重做任何对齐调节的情况下换掉压头/下壳体组件。使用者可以移除努普氏压头并安装维氏压头，并且在不中断的情况下继续测试。
[0022]本公开通过使用两个相对的固定螺钉进行调节(精细调节固定螺钉是容易的并且拧紧两个螺钉提供了固定的锁定位置)来解决容易地调节压痕取向。本公开还提供了每次安装下壳体组件(通常不需要调节对称性或压痕取向)时将下壳体组件卡入到可重复位置中的方法。
【附图说明】
[0023]从以下说明和附图将明白本公开的进一步目的和优点，其中:
[0024]图1是本公开的压头底座的实施例的部分分解的透视图。
[0025]图2是本公开的压头底座的实施例的分解透视图。
[0026]图3A是根据本公开的实施例的压头底座的阴性部件或上壳体组件的俯视平面图。
[0027]图3B是沿着图3A的3B-3B平面截取的剖视图。
[0028]图3C是根据本公开的实施例的压头底座的阴性部件或上壳体组件的俯视透视图(部分以虚线示出)。
[0029]图3D是根据本公开的实施例的压头底座的阴性部件或上壳体组件的仰视透视图(部分以虚线示出)。
[0030]图3E是根据本公开的实施例的压头底座的阴性部件或上壳体组件的侧视平面图。
[0031]图3F是图3B的细节视图。
[0032]图3G是根据本公开的实施例的压头底座的隐性部件或上壳体组件的俯视平面图(部分以虚线示出)。
[0033]图3H是根据本公开的实施例的压头底座的阴性部件或上壳体组件的仰视平面图(部分以虚线示出)。
[0034]图4A是根据本公开的实施例的压头底座的阳性部件或下壳体组件的俯视平面图。
[0035]图4B是沿着图4A的截面4B-4B截取的剖视图。
[0036]图4C是图4B的细节视图。
[0037]图4D是根据本公开的实施例的压头底座的阳性部件或下壳体组件的侧视平面图。
[0038]图4E是根据本公开的实施例的压头底座的阳性部件或下壳体组件的仰视平面图。
[0039]图4F是根据本公开的实施例的压头底座的阳性部件或下壳体组件的俯视透视图。
[0040]图4G是根据本公开的实施例的压头底座的阳性部件或下壳体组件的仰视透视图(部分以虚线示出)。
[0041]图5A是根据本公开的实施例的压头底座的压头球适配器的仰视平面图。
[0042]图5B是根据本公开的实施例的压头底座的压头球适配器的侧视平面图。
[0043]图5C是根据本公开的实施例的压头底座的压头球适配器的仰视透视图。
[0044]图是根据本公开的实施例的压头底座的压头球适配器的俯视透视图。
[0045]图5E是沿着图5B的5E-5E平面截取的剖视图。
[0046]图6A、图6B、图6C和图6D是压头形成的压痕的各种可能取向的示意图。
[0047]图7A、图7B和图7C图示了压头形成的压痕的另外的取向。
【具体实施方式】
[0048]现在详细参照附图，其中在几张附图中相同的附图标记指代相同的元件，可以看到图1和图2是根据本公开的卡爪压头底座10的分解图。卡爪压头底座10由高级金属制成，适于预计会遇到的力。所述高级金属可以是但不限于不锈钢。卡爪压头底座10包括三个主要部件:上壳体组件(或卡爪凹形元件)12、下壳体组件(或卡爪凸形元件)14和压头球适配器16。
[0049]图3A至图3H进一步详细示出了上壳体组件12。上壳体组件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从柱形下底座18延伸并且包括第一、第二和第三纵向孔26、28和30。第一和第三纵向孔26和30是接纳负载传感器(未示出)的相应的第一和第二负载传感器销32、34的盲孔，而第二纵向孔28是带螺纹的以接纳来自负载传感器的紧固螺钉并且穿过上阴性壳体组件12，并且中心位于卡爪压头底座10的旋转轴线上，并且在下平底面29中包括扩大的柱形阴性安装孔27(参照图1)。如图3B和图3F所示，扩大的柱形安装孔27进一步包括接纳倾斜盘簧64的内环形槽31。第一和第二横向通道36、38分别形成在各自的第一和第二 V形槽口 20、22中并且通往相应的第一和第二纵向取向的外围通道40、42。第一和第二横向通道36、38接纳停靠或抵靠在第一和第二组件间销48、50的相应的第一和第二弹簧加载的球柱塞44、46，该第一和第二组件间销从下壳体组件14延伸，由此第一和第二弹簧加载的球柱塞44、46提供旋转的嵌套力。从图1和图2可以看出，第二组件间销50具有比第一组件间销48更大的直径，从而要求第二纵向外围通道42具有更大的直径，得到“键控”的单向组件。另外，从图1可以看出，第二纵向外周通道42包括开口的侧部52。
[0050]如图1、图2和图4A至图4G所示，下壳体组件14包括具有大致平面的上表面62的大致柱形本体60。倾斜盘簧64(参照图2)用于一起拉动上壳体组件12的下平底面29和下壳体组件14的上平表面62。上平