全自动维氏硬度基准的研制

　　一、概述

　　硬度试验由于简单易行,工作效率较高,可以对工件进行100%的检测,而且它具有非破坏性的特点,因此在工业生产及科研工作中得到广泛的应用,是测量材料机械性能的主要方法之一。维氏硬度试验是硬度试验的主要方法。

　　维氏硬度试验的原理是,采用相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头,在规定的试验力作用下压入试样表面,以压痕单位面积上承受的力来表示硬度值。其计算公式为:

式中,HV——维氏硬度;F——试验力,N;S——压痕表面积,mm2;A——角锥体压头相对面夹角,度;d——压痕对角线长度,mm。

　　由(1)式可知,影响维氏硬度值正确测量的主要因素为试验力误差、金刚石压头几何形状偏差以及压痕对角线长度的测量误差。为此,本装置的主机采用静重式,即直接加荷式结构,以保证足够高的试验力精度;挑选高精度的金刚石压头组成基准压头组;并采用CCD图象处理技术自动测量压痕对角线长度,以提高测量精度。经测定,本装置的总不确定度小于0.5%,达到了予期目的。

　　二、全自动维氏硬度基准装置

　　1.结构及特点

　　本装置由主机、电控部分、液压传动部分、CCD测量系统及计算机系统组成。通过计算机控制程序,主机自动施加、保持、卸除试验力,产生压痕,并在光轴下自动调焦,启动CCD测量系统及计算机系统进行自动测量,即信号采集、放大、传输,模数转换,数据处理,显示并打印。全部过程由计算机程控实现。基准装置的结构框图如图1所示。

　　2.主机

　　本装置的主机为一垂直直接加荷式维氏硬度机,如图2所示。加力结构包括主轴、吊挂、砝码,以组成49.03N(5kgf)～980.7N(100kgf)的各级试验力。加卸试验力及工作台的移动是通过液压系统控制的,加荷平稳无冲击,且速度恒定。

　　3.光学系统

　　CCD图象传感器及驱动系统安装在主机上部。光学系统的作用是实施压痕的照明、放大及成象。可以用CCD图象分析自动测量,也可采用主机上的测量显微镜人工测量。当压痕被光源均匀照明后,经物镜在CCD光敏阵列上成象。本装置采用高精度稳流源对照明系统供电,光强恒定,照明均匀、稳定,畸变很小,且照度足够大,保证了CCD输出的图象信号的清晰、稳定和可靠。

　　试样的反射光经过物镜后,也可以通过转向棱镜反射到目镜物面上成象,由目镜测微计测量压痕直径。本装置的光路图如图3所示。

　　本装置自动测量系统采用相邻象素间距为0.007mm,具有5000个象素的CCD器件,与之相匹配的物镜为70X,35X,20X,最小测量长度可达到0.1Lm,见表1。