硬度測定儀上使用的卡爪壓頭底座的制作方法
【專利說明】硬度測定儀上使用的卡爪壓頭底座
[0001]本申請根據美國35U.S.C.119(e)要求于2012年12月5日提交的美國臨時專利申請序列號61/733，548的優先權，該申請的公開內容全部通過引用的方式并入本文中。
【背景技術】
技術領域
[0002]
[0003]本公開涉及在硬度測定儀上特別是顯微硬度測定儀或類似設備上使用的卡爪壓頭底座。
[0004]現有摶術
[0005]通常在布氏硬度測定儀、洛氏硬度測定儀或顯微硬度測定儀上測量硬度，S卩，材料對永久變形的抗力。在顯微硬度測試中，四棱錐金剛石壓頭以受控的力壓入樣品表面內。然后移除壓頭，并使用顯微鏡測量留在樣品表面上的壓痕的對角線長度。通過測試力和壓痕面積來計算硬度(通常通過軟件計算)。
[0006]顯微硬度測定儀可以裝有至少兩種壓頭類型，包括維氏硬度壓頭和努普氏壓頭。維氏硬度壓頭是對稱的四棱錐，它形成方形壓痕。測量兩個對角線來計算硬度。努普氏壓頭是高度不對稱的，并且它形成細長(7:1)的長斜方形壓痕。僅測量長對角線并將其用于硬度計算。
[0007]顯微硬度測定儀通常配有全部安裝在多位置旋轉臺上的多個壓頭和多個顯微鏡物鏡。為了進行測試，使臺旋轉以將壓頭位于測試樣品上方，打出壓痕，然后將臺旋轉到物鏡位置，所以使用者(以及軟件)可以觀察并測量壓痕。
[0008]為了在測試樣品上打出對稱的壓痕，金剛石壓頭必須以精確的角度取向與表面接觸。也就是說，壓頭軸線和測試樣品表面必須以兩根軸線在3角分的范圍內互相垂直。需要兩個可調的水平軸線，因為用固定的零件，甚至用最精確的機加工也無法獲得這種嚴格的角容差。
[0009]還必須控制第三壓痕取向，即壓痕繞著觀察軸線的旋轉。相對的壓痕頂角的左右和前后取向需要在大約半度的范圍內。最需要這種旋轉對齊，因為使用者通常期望壓痕看起來與主軸線對齊一一彎曲的壓痕是差的機器質量的表征。此外，因為由兩對軟件細絲(一對完全豎直，并且一對完全水平)自動測量壓痕長度，許多使用者會假設通過軟件細絲不能精確測量具有容易看到的角度的壓痕，即使用細絲可以精確測量(通常在0.1%的范圍內)具有非常明顯的2.5度角的壓痕。
[0010]為了獲得“壓痕對稱性”，Wilson Tukon 2100和Tukon 2500測定儀使用薄墊片結構(0.001” &0.003”厚的金屬墊片)來調節X-Y平臺的角度。用無墊片測定儀打出兩個努普氏壓痕(一個水平，一個豎直)，測量壓痕對稱性并且將測量結果用于計算校正不對稱性所需墊片的厚度。從測定儀移除X-Y平臺，將墊片放置在將X-Y平臺夾緊在載架上的四個螺釘周圍，并且對機器的X-Y平臺進行改裝。最后，再打出兩個努普氏壓痕來驗證墊片調節的結果。
[0011]TU2500不具有對壓痕取向的精細旋轉調節。使用者必須使用臨時穿過壓頭中的橫向孔的一毫米螺絲旋棒來手動轉動壓頭。
[0012]各個公司制造可能通過一些類型的調節機構來調節其壓頭對稱性的裝置。類似地，存在四根軸線(兩根平動，兩根旋轉)對齊裝置用于調節拉伸測試試樣對齊。它是由Interlaken公司制造的，參照于1995年I月3日發布的美國專利第5，377，549號。
[0013]在2006年2月28日發布的共有美國專利第7，004，017號中，傾斜盤簧用于使壓頭居中并且將其肩部拉至與聯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“用于顯微硬度測量的設備”的共有專利PCT/US2012/053750雖然非常適合其預期目的，但是不包括卡爪特征。
[0015]一般來說，現有技術的“在平臺上調整墊片”的對稱性調節方法是可以接受的(即，可以使壓痕對稱)，但是該方法耗時且要求臨時移除X-Y平臺以安裝墊片。平臺的沉重重量以及其靠近顯微鏡目鏡和壓頭使平臺移除和安裝成為一件有風險的任務一一當保持平臺的螺紋突然松脫時很可能存在向上猛拉沉重的X-Y平臺并且拉入到顯微鏡和負載傳感器部件中的巨大風險。
[0016]在平臺上調整墊片的另一個缺點在于因為調節墊片而使樣品表面傾斜，顯微鏡的焦平面發生變化并且一部分視野會失去焦點。
[0017]現有技術的方法的另一個不足在于無法找到“調節墊片前的壓痕”以與“調節墊片后的壓痕”進行比較，因為從儀器移除平臺并且在加墊片后進行更換(并非準確地在同一位置)。
[0018]維氏和努普氏壓頭加工成這樣的精度使得通常可以從機器底座移除壓頭并更換成另一個壓頭并且保持壓痕的對稱性。然而，當更換壓頭時，總會失去壓痕的旋轉取向。這是一個很大的問題，因為用現有技術的方法調節壓痕的旋轉取向是單調乏味的、無計劃的任務，操作員每次用不太可控的螺絲旋棒旋轉調節對壓頭進行旋轉調節通常會過頭或不足。調節壓頭的旋轉取向通常被認為是在TU2500機器上最難做的一件事情。
【發明內容】
[0019]因此本公開的目的是提供用于簡化調節硬度測定儀或類似材料測試設備中的壓頭O
[0020]通過提供由固定螺釘調節的球接頭來達到這個和其他目的。因為在壓頭處完成對稱調節，平臺在調節期間保持在位并且焦平面不受調節的影響。球接頭的中心在鉆石壓頭的末端，所以壓頭末端不會在調節角度時平移。這意味著被調節的壓頭可以與“調節墊片前的壓痕”相鄰放置，用于目視確認調節動作。
[0021]卡爪連接和兩個銷的旋轉取向機構的結合允許使用者在不需要重做任何對齊調節的情況下換掉壓頭/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測試。
[0022]本公開通過使用兩個相對的固定螺釘進行調節(精細調節固定螺釘是容易的并且擰緊兩個螺釘提供了固定的鎖定位置)來解決容易地調節壓痕取向。本公開還提供了每次安裝下殼體組件(通常不需要調節對稱性或壓痕取向)時將下殼體組件卡入到可重復位置中的方法。
【附圖說明】
[0023]從以下說明和附圖將明白本公開的進一步目的和優點，其中:
[0024]圖1是本公開的壓頭底座的實施例的部分分解的透視圖。
[0025]圖2是本公開的壓頭底座的實施例的分解透視圖。
[0026]圖3A是根據本公開的實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是根據本公開的實施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的俯視透視圖(部分以虛線示出)。
[0029]圖3D是根據本公開的實施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的仰視透視圖(部分以虛線示出)。
[0030]圖3E是根據本公開的實施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的側視平面圖。
[0031]圖3F是圖3B的細節視圖。
[0032]圖3G是根據本公開的實施例的壓頭底座的隱性部件或上殼體組件的俯視平面圖(部分以虛線示出)。
[0033]圖3H是根據本公開的實施例的壓頭底座的陰性部件或上殼體組件的仰視平面圖(部分以虛線示出)。
[0034]圖4A是根據本公開的實施例的壓頭底座的陽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的細節視圖。
[0037]圖4D是根據本公開的實施例的壓頭底座的陽性部件或下殼體組件的側視平面圖。
[0038]圖4E是根據本公開的實施例的壓頭底座的陽性部件或下殼體組件的仰視平面圖。
[0039]圖4F是根據本公開的實施例的壓頭底座的陽性部件或下殼體組件的俯視透視圖。
[0040]圖4G是根據本公開的實施例的壓頭底座的陽性部件或下殼體組件的仰視透視圖(部分以虛線示出)。
[0041]圖5A是根據本公開的實施例的壓頭底座的壓頭球適配器的仰視平面圖。
[0042]圖5B是根據本公開的實施例的壓頭底座的壓頭球適配器的側視平面圖。
[0043]圖5C是根據本公開的實施例的壓頭底座的壓頭球適配器的仰視透視圖。
[0044]圖是根據本公開的實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。
【具體實施方式】
[0048]現在詳細參照附圖，其中在幾張附圖中相同的附圖標記指代相同的元件，可以看到圖1和圖2是根據本公開的卡爪壓頭底座10的分解圖。卡爪壓頭底座10由高級金屬制成，適于預計會遇到的力。所述高級金屬可以是但不限于不銹鋼。卡爪壓頭底座10包括三個主要部件: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進一步詳細示出了上殼體組件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是接納負載傳感器(未示出)的相應的第一和第二負載傳感器銷32、34的盲孔，而第二縱向孔28是帶螺紋的以接納來自負載傳感器的緊固螺釘并且穿過上陰性殼體組件12，并且中心位于卡爪壓頭底座10的旋轉軸線上，并且在下平底面29中包括擴大的柱形陰性安裝孔27(參照圖1)。如圖3B和圖3F所示，擴大的柱形安裝孔27進一步包括接納傾斜盤簧64的內環形槽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接納停靠或抵靠在第一和第二組件間銷48、50的相應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提供旋轉的嵌套力。從圖1和圖2可以看出，第二組件間銷50具有比第一組件間銷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包括開口的側部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。傾斜盤簧64(參照圖2)用于一起拉動上殼體組件12的下平底面29和下殼體組件14的上平表面62。上平