CN108444701A - 一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机 - Google Patents

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陈柯行
赵印明
范小燕
李小昆
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Abstract

本发明涉及一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，属于硬度检测领域。用气浮轴承代替原来的滚珠花键轴承；气浮轴承包括：主轴、气浮平板、气源孔、螺栓和外框。在静重式洛氏硬度机中，升降主轴是长方体，主轴四个侧面安放气浮平板，通过调整平板与外面框体之间的螺栓，使得气浮平板抱紧主轴。主轴顶部装有压痕深度的测量系统，下端的孔是用来装各标尺所用的压头，主轴上的所有零件与上吊挂一起组成初试验力，下吊挂是托起各级试验力的关键部位。本发明解决了因现有主轴摩擦力大且不确定从而影响硬度检测结果的问题，大幅度提高硬度机的测量精度，满足量值传递与溯源的要求。

Description

一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机
技术领域
本发明涉及一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，属于硬度检测领域。
背景技术
伴随着科学技术的发展，越来越多的领域对产品的质量提出了更高的要求。在力学计量的领域，洛式硬度计得到了广泛的应用，主要用于各种钢材(含合金钢、不锈钢)硬度的测试。根据检定规程要求，使用单位必须定期对其校准。
就目前国内外情况来看，洛式硬度计产品种类繁多，但是洛式硬度标准机却鲜而有之。目前国内生产的标准硬度机顶部有的采用滚珠花键轴承，升降主轴上的摩擦力较大而且不确定，长期使用后主轴还会产生磨损，影响精度的同时，也引入了误差的不确定度。另外，有的硬度标准机的变换试验力装置仍然采用手动扳把结构，在检定不同硬度块时，需要根据硬度块的类型选择不同的负荷，采用手动扳把结构的硬度标准机需要检定人员打开主体柜门，人工扳动手柄更换载荷，费时费力，工作效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，该装置不仅能够降低主轴摩擦力、延长主轴使用寿命、提高硬度机的精度，且能够方便地更换标尺、提高工作效率、减轻工作强度。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，采用螺旋式砝码分级加载装置作为载荷更换装置代替原来的扳把手柄，并用气浮轴承代替原来的滚珠花键轴承；
螺旋式砝码分级加载装置包括：套筒、扇形托块、螺旋机构驱动、强力感应磁铁、零点传感器和位移传感器；
所述扇形托块固定安装在套筒上；套筒套在硬度机的柱体上；螺旋机构驱动用于控制套筒的旋转；所述套筒顶部及底部安装有强力磁铁；零点传感器和位移传感器感应强力磁铁，从而确定旋转角度；
所述扇形托块的数量与硬度机砝码的数量相同；且扇形托块位于砝码下方，与砝码接触，承托砝码的重量；
所述套筒底部用于位移传感器感应的磁铁数量与硬度机砝码的数量相同，且均匀分布；
除了最上方的一个扇形托块，相邻的两个扇形托块之间相差60°，且由下至上依次增加；
所述扇形托块的角度分别为60°、120°、180°、240°、300°和60°；
工作过程：当选择砝码载荷后，将砝码提升使得所有砝码与扇形托块之间有一定间隙，根据扇形托块当前位置以及目标位置确定需要旋转的角度，电机驱动套筒及扇形托块一起旋转，零位传感器和位置传感器通过磁铁感应确定托块旋转到达的位置，当到达目标位置后，螺旋机构驱动停止运转，将砝码落下，不需要的砝码落在扇形托块上，这样实现了一次完整的试验力变换。
气浮轴承包括：主轴、气浮平板、气源孔、螺栓和外框。
主轴为顶端带有凹槽的轴，所述凹槽用于放置测长仪，所述主轴下端与硬度机的上吊挂固定连接；所述气浮平板均匀分布在主轴周围；螺栓穿过外框实现气浮平板与主轴的压紧固定；气源孔用于给气浮平板通气；
工作过程：在静重式洛氏硬度机中，在升降主轴外侧安放气浮平板，通过调整平板与外面框体之间的螺栓，使得气浮平板抱紧主轴。在不工作时，气浮平板与主轴外侧之间没有间隙且有压力，当气源打开，给气浮平板通气后，气浮平板与主轴侧面之间空气的压力大于气浮平板与框体侧壁的压力时，气浮平板与主轴侧面出现极小的间隙，主轴能够无旋转、无偏移地上下自由移动。采用气浮平板抱紧技术的气浮轴承，摩擦力非常小，且很稳定，导向性能好，可靠稳定持久。
工作过程：首先打开气浮轴承气源、主机以及测长仪的电源，主轴上升处于工作的预备状态。如需调整试验力则上升主轴至最高位，选择所需标尺，驱动螺旋分级机构旋转，调整试验力。
将硬度块放置在工作台上，检查工作环境，检查要检测的硬度块是否有毛刺及异常情况，排除后要用汽油或酒精洗干净备好。根据相关检定规程，对硬度块加载初试验力后读取第一次压痕深度测量仪表数据，加载主试验力，卸载主试验力后读取第二次压痕深度测量仪表数据，卸载初试验力，一个检测过程结束。所有检测点均结束后，将主轴升到最高位置，驱动螺旋结构回到零点位置，下降主轴将各砝码放在各自的托块上。卸下压头，工作台上放一块硬度块，以保护工作台。关机时，关闭测长仪电源、主机电源、气源电源。
有益效果
本发明的一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，针对硬度检测需求，立足于试验条件现状，采用螺旋式分级加载机构来代替传统的扳把手柄结构,此螺旋机构分为多级旋转，采用电机驱动螺旋结构旋转，零点传感器和位置传感器通过感应强力磁铁来检测旋转角度，旋转的角度不同，对应不同的砝码载荷，实现自动选择标尺载荷；采用气浮轴承来代替传统的滚珠花键轴承结构,气浮轴承以过滤空气为介质，低摩擦、低磨损，主轴无旋转、无平移、上下运行稳定，减少了主轴运行时的摩擦力，不仅延长了主轴使用寿命，而且大大减小了试验力误差，解决了因主轴摩擦力而影响硬度检测结果的问题，提高了硬度机的测量精度，满足量值传递与溯源的要求。
附图说明
图1为静重式洛氏标准硬度机结构示意图；
图2为螺旋分级加载机构单侧柱图；
图3为气浮轴承主视图；
图4为气浮轴承剖面图；
图5为气浮轴承俯视图。
图中，1—套筒、2—扇形托块、3—螺旋机构驱动、4—强力感应磁铁、5—零点传感器、6—位移传感器、7—主轴、8—气浮平板、9—气源孔、10—螺栓和11—外框。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，如图1所示，主要包括主轴、框架、上吊挂、下吊挂、砝码、导向机构、试验力驱动和螺旋式砝码分级加载装置。
如图2所示，螺旋式砝码分级加载装置包括：套筒1、扇形托块2、螺旋机构驱动3、强力感应磁铁4、零点传感器5和位移传感器6；
所述6块扇形托块固定安装在套筒上，且扇形托块位于砝码下方，与砝码接触，承托砝码的重量；套筒套在硬度机的柱体上；螺旋机构驱动用于控制套筒的旋转；在套筒底部均匀分布6个强力磁铁用于主负荷位置传感器的感应，另1个强力磁铁处于下方，用于主负荷零点传感器的感应；在套筒上部，安装有2个强力磁铁，相距角度为60°，用于初负荷位置传感器的感应；在硬度机底板和上部框架上位于套筒外侧的安装架上装有零点传感器和位移传感器，当套筒旋转时，它们通过感应强力磁铁来确定当前到达的角度位置，从而确定扇形托块的旋转角度；
从套筒下方开始，所述扇形托块的角度分别为60°、120°、180°、240°、300°和60°；需保证静止、初始时刻时砝码被扇形托块承托并固定；
如图3、4、5所示，气浮轴承包括主轴7、气浮平板8、气源孔9、螺栓10和外框11。
主轴是硬度机的关键零件，上方安放测长仪，用于测量压痕深度。气浮平板通过双向螺栓与外框连接，安放在升降主轴外侧，气浮平板与升降主轴之间紧密贴合，通过调节螺栓，气浮平板与主轴侧面之间有一定的压力，气浮平板紧紧抱住主轴。气浮平板气源孔相连，采用一个气源供气。气源充气使得平板与主轴侧面空气的压力较大时，气浮平板与主轴侧面出现极小的空隙，并且由于气压均衡的原理，所有空隙会自动调节至相同大小，从而保证主轴可以无旋转、无偏移、极小摩擦、自由升降运动。
整体尺寸约为(长×宽×高)700×650×1800mm，重量约为800kg，总试验力为1471N。
砝码力值检测过程：
选择传感器及仪表，将压头更换为传感器专用压头，将传感器安放在平台上，传感器连接仪表，打开气浮轴承气源、主机、仪表的电源。
当气源打开，给气浮平板通气后，气浮平板与主轴侧面之间空气的压力大于气浮平板与框体侧壁的压力时，气浮平板与主轴侧面出现极小的间隙，主轴能够无旋转、无偏移地上下自由移动。主轴上升处于工作的预备状态。
在选择砝码载荷后，升降电机提升砝码使得所有砝码与扇形托块之间有一定间隙，根据扇形托块当前位置以及目标位置确定需要旋转的角度，螺旋机构驱动电机驱使套筒及扇形托块一起旋转，零位传感器和位置传感器通过磁铁感应确定托块到达的位置，当到达目标位置后，螺旋机构驱动停止运转。升降电机驱动主轴下降，不需要的砝码落在扇形托块上，所需的砝码质量通过吊挂全部落在传感器上，通过仪表读取数据。上升主轴，卸载砝码，完成一次砝码力值的测量过程。
表1为砝码力值检测数据
从测试数据看出，硬度机的初负荷(3kg/10kg)力值误差可达到0.065％，主负荷力值误差可达到0.07％,均优于相应规程要求。采用气浮轴承及螺旋分级加载技术的静重洛氏硬度机主轴升降摩擦力较小，对力值误差影响较小，更换标尺操作简便，提高了作效率。
硬度块检测过程：
安装相应的专用压头，检查要标定的硬度块是否有毛刺及异常情况，排除后要用汽油或酒精洗干净备好，放置在工作台上，打开气浮轴承气源、主机、测长仪的电源。
当气源打开，给气浮平板通气后，气浮平板与主轴侧面之间空气的压力大于气浮平板与框体侧壁的压力时，气浮平板与主轴侧面出现极小的间隙，主轴能够无旋转、无偏移地上下自由移动。主轴上升处于工作的预备状态。
在选择砝码载荷后，升降电机提升砝码使得所有砝码与扇形托块之间有一定间隙，根据扇形托块当前位置以及目标位置确定需要旋转的角度，螺旋机构驱动电机驱使套筒及扇形托块一起旋转，零位传感器和位置传感器通过磁铁感应确定托块到达的位置，当到达目标位置后，螺旋机构驱动停止运转。
压头下降靠近试件表面，压头接触上工作面后，平稳施加初试验力，第一次读取测长仪的有效数据。平稳无冲击地施加主试验力，总试验力保持一段时间，卸除主试验力，第二次读取测长仪的有效数据，完成硬度块一个点的硬度检测。
硬度块硬度检测数据表
通过对标准硬度块的测试，可以从测试数据看出硬度块的硬度值及均匀性较好，采用气浮轴承及螺旋分级加载技术的静重洛氏硬度机符合相关要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，其特征在于：用气浮轴承代替原来的滚珠花键轴承。
2.如权利要求1所述的一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，其特征在于：所述气浮轴承包括：主轴、气浮平板、气源孔、螺栓和外框；
主轴为顶端带有凹槽的轴，所述凹槽用于放置测长仪，所述主轴下端与硬度机的上吊挂固定连接；所述气浮平板均匀分布在主轴周围；螺栓穿过外框实现气浮平板与主轴的压紧固定；气源孔用于给气浮平板通气。
3.如权利要求1或2所述的一种采用精密气浮轴承技术的静重式洛氏硬度机，其特征在于：所述装置的工作过程为：在静重式洛氏硬度机中，在升降主轴外侧安放气浮平板，通过调整平板与外面框体之间的螺栓，使得气浮平板抱紧主轴；在不工作时，气浮平板与主轴外侧之间没有间隙且有压力，当气源打开，给气浮平板通气后，气浮平板与主轴侧面之间空气的压力大于气浮平板与框体侧壁的压力时，气浮平板与主轴侧面出现极小的间隙，主轴能够无旋转、无偏移地上下自由移动。
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