洛氏硬度計在校準(zhǔn)時易被忽略的現(xiàn)象分析

沈運(yùn)杰，李自武，牟娟

(1.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限公司計量中心，陜西西安710021;2.大連市計量檢定測試所，遼寧大連116031)

0 引言

影響洛氏硬度計測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素很多，如金剛石壓頭角度的大小、負(fù)荷(力值)誤差、加荷速度的快慢、負(fù)荷持續(xù)時間的長短、主軸位移測深裝置誤差以及機(jī)架變形等，它們對洛氏硬度計測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響偶爾是獨(dú)立的，更多的是相互交叉重疊而產(chǎn)生的綜合現(xiàn)象。因此在處理硬度計各種影響因素時既要獨(dú)立判斷某一因素的影響量，又要綜合分析各種因素之間的相互關(guān)系，作出正確判斷，以免洛氏硬度計的測量結(jié)果存在較大的不確定度。

1 洛氏硬度計直接校準(zhǔn)與間接校準(zhǔn)結(jié)果不一致的原因分析

依據(jù)JJG112-2003《洛氏硬度計檢定規(guī)程》或ASTM E18 洛氏硬度試驗(yàn)方法，對一臺洛氏硬度計的負(fù)荷(力值)、循環(huán)時間、加荷速度、主軸位移(深測裝置)、金剛石壓頭等部件或系統(tǒng)指標(biāo)逐一進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)果均符合規(guī)程(方法)的要求。用標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊HRC 標(biāo)尺的60±2 高硬度值、45±2 中硬度值、30±2 低硬度值對洛氏硬度計進(jìn)行間接校準(zhǔn)時會出現(xiàn)以下三種情況:①標(biāo)尺的高中低硬度值偏差方向基本一致，誤差值在規(guī)定要求范圍內(nèi);②低硬度值負(fù)超差，高硬度值正偏差;③低硬度值正偏差，高硬度值負(fù)偏差，當(dāng)?shù)冖?，③種偏差情況出現(xiàn)時，對機(jī)械式洛氏硬度計通過測量杠桿有時不能得到較理想的示值偏差修正，而對數(shù)顯洛氏硬度計HRC 標(biāo)尺的某一硬度值范圍過度修正其示值的偏差，將影響洛氏硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。通過表1［1］可以看出各參數(shù)指標(biāo)影響洛氏硬度計示值準(zhǔn)確度的大小與方向。如果在校準(zhǔn)一臺洛氏硬度計時，使硬度值增大或減小的影響因素同時出現(xiàn)，有可能發(fā)生直接校準(zhǔn)與間接校準(zhǔn)結(jié)果不完全一致的現(xiàn)象，這時就需要對在直接校準(zhǔn)時的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以使其處在一個合適的范圍，例如:更換偏差值相反的壓頭，調(diào)整負(fù)荷杠桿以改變力值偏差方向等，這樣才能避免出現(xiàn)硬度計示值偏差過大或高中低硬度值偏差不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。

表1 影響硬度計示值準(zhǔn)確性的因素

直接校準(zhǔn)與間接校準(zhǔn)是從兩個不同的方面反映硬度計的狀態(tài)和技術(shù)指標(biāo)。直接校準(zhǔn)保證了各部件或系統(tǒng)的正確性，而間接校準(zhǔn)反應(yīng)的是各部件或系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，配合程度，綜合反應(yīng)了硬度計測試能力。

影響硬度計示值準(zhǔn)確性的因素很多，遠(yuǎn)不止表1所列的這些，因此任何一臺硬度計在校準(zhǔn)時不可避免地會出現(xiàn)示值偏差，為了校準(zhǔn)硬度計就需要對硬度計的示值偏差進(jìn)行合理修正?，F(xiàn)用的JJG122-2003《洛氏硬度計檢定規(guī)程》和ASTM E18 洛氏硬度試驗(yàn)方法，沒有對硬度計校準(zhǔn)時示值偏差的修正范圍給出參數(shù)要求，而對硬度計示值允差(誤差)有參數(shù)要求，此參數(shù)要求是基于洛氏硬度試驗(yàn)原理和洛氏硬度量值傳遞圖而確定的，所以建議硬度計的示值偏差修正應(yīng)當(dāng)不大于其規(guī)程(方法)所規(guī)定的相應(yīng)硬度示值允差(誤差)的數(shù)值，這樣能保證硬度計具有良好的系統(tǒng)性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)才具有可比性。

2 自動洛氏硬度計加荷與保荷時力值波動對硬度示值的影響

自動洛氏硬度計力值加荷與位移測量系統(tǒng)是力傳感器和位移傳感器與主軸于一體，如圖1所示，通過伺服電機(jī)或液壓系統(tǒng)閉環(huán)控制主軸工作，以達(dá)到力值與位移的測量和控制。

圖1 自動洛氏硬度計原理圖

在對自動洛氏硬度計力值校準(zhǔn)時會出現(xiàn)以下情況:硬度計在加荷時，標(biāo)準(zhǔn)測力儀顯示，初始階段是勻速增加力值，而當(dāng)接近標(biāo)準(zhǔn)力值時硬度計的力值加荷過程就變成停頓、調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)力值時停止，如圖2 中的a曲線;另一種現(xiàn)象則是在標(biāo)準(zhǔn)力值上下一定范圍內(nèi)停頓、調(diào)整循環(huán)進(jìn)行，直到逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)力值時停止，如圖2 中的b曲線。以上情況無論哪一種，其停頓、調(diào)整的區(qū)間不應(yīng)大于相應(yīng)力值的允差(誤差)范圍，加載時間不能超出規(guī)程(方法)允許的時長，否則將直接影響硬度計示值的準(zhǔn)確性。

圖2 自動洛氏硬度計加荷時的力值波動曲線

機(jī)械式洛氏硬度計的力值是通過懸掛的標(biāo)準(zhǔn)砝碼所產(chǎn)生的重力并由負(fù)荷杠桿傳遞到硬度計主軸上，工作時標(biāo)準(zhǔn)砝碼所產(chǎn)生的重力是不可逆轉(zhuǎn)的，始終作用在硬度計主軸上，與主軸位移成正比，其主軸位移曲線與被測試件壓痕深度曲線完全一致，兩條位移參數(shù)曲線完全擬合;而自動洛氏硬度計是通過條件參數(shù)設(shè)置并對力值參數(shù)和位移參數(shù)的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)洛氏硬度試驗(yàn)，所以，自動洛氏硬度計在工作時力值通過壓頭作用在被測試件上，當(dāng)試樣在壓頭的作用下產(chǎn)生變形的同時主軸也產(chǎn)生相應(yīng)的位移，這時主軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)為滿足標(biāo)準(zhǔn)力值的存在必須重新進(jìn)行位置調(diào)整，反復(fù)進(jìn)行直到試驗(yàn)結(jié)束，當(dāng)硬度計的調(diào)整能力不能滿足硬度試驗(yàn)條件要求時，就會使硬度計在加荷與保荷時出現(xiàn)力值不穩(wěn)定，造成硬度計示值重復(fù)性不好。如果力值波動過大甚至造成硬度計示值超差的結(jié)果，對低硬度值影響較大。

機(jī)械式洛氏硬度計通過百分表式指示度盤或光學(xué)標(biāo)尺投影窗將整個測試過程表示出來，一般情況下可透過度盤或投影窗指示的狀態(tài)和變化情況來判斷硬度計相應(yīng)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)和存在的問題;而自動洛氏硬度計是通過狀態(tài)標(biāo)識符在顯示屏上表示出此時的工作內(nèi)容，不能模擬顯示出工作狀態(tài)，因此，有必要在周期校準(zhǔn)自動洛氏硬度計時對硬度計的力值進(jìn)行校準(zhǔn)(參考文獻(xiàn)［2］和［3］中對硬度計力值的周期校準(zhǔn)未做要求)。通過硬度計力值的校準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)硬度計力值在加荷與保荷時的變化狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬度計在加荷與保荷時力值的波動大于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)力值的±1.0%(參考文獻(xiàn)［2］和［3］中規(guī)定硬度計力值誤差為±1.0%)，或力值的調(diào)整過于緩慢影響到硬度計的循環(huán)時間要求時，應(yīng)對硬度計相關(guān)的控制程序和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整設(shè)置或與制造商聯(lián)系獲得技術(shù)支持，如果硬度計的力值超差，可通過硬度計試驗(yàn)力校準(zhǔn)界面菜單修正力傳感器參數(shù)，以確保硬度計的各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)程(方法)要求。

3 機(jī)架變形造成硬度計系統(tǒng)誤差的分析

洛氏硬度計試驗(yàn)時，在施加主負(fù)荷后機(jī)架出現(xiàn)彈性變形或試樣支撐裝置出現(xiàn)位移(工作臺升降絲杠下沉)均可造成硬度計示值的負(fù)誤差，該誤差就某一標(biāo)尺而言對硬度值范圍的影響量是一樣的，屬于系統(tǒng)性誤差。

硬度計試樣支撐裝置是由工作臺、升降絲杠、升降絲杠手輪、止推軸承、絲杠導(dǎo)座等部件組成。由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式(工作臺與升降絲杠、升降絲杠手輪和止推軸承與絲杠導(dǎo)座由形狀幾何尺寸定位自然落放)，在使用時為了操作靈活，需要在絲杠和止推軸承等處加適量的機(jī)油或潤滑劑以起到潤滑作用。當(dāng)機(jī)油加的過多或長時間不維護(hù)導(dǎo)致機(jī)油氧化時，在連接處形成粘稠的油膜，導(dǎo)致硬度計施加主負(fù)荷時部件之間在力的作用下對油膜產(chǎn)生擠壓并使其改變原有的狀態(tài)，造成支撐裝置異常位移。依據(jù)洛氏硬度計試驗(yàn)原理可知，主軸每移動0.002 mm 就可產(chǎn)生1HRC 硬度值的誤差，當(dāng)支撐裝置上的作用力消失并轉(zhuǎn)動升降絲杠手輪后，油膜又恢復(fù)到初始狀態(tài)，油膜或污物越多變形越大，為了使該影響量減少到最小，應(yīng)定期對硬度計檢查維護(hù)。工作臺與絲杠接觸面應(yīng)潔凈、光滑，徑向無間隙，升降絲杠和止推軸承加油后應(yīng)用潔布將浮油抹去，觸摸后手不應(yīng)有油印為好，轉(zhuǎn)動手輪時絲杠上下移動自如順暢。必要時可用數(shù)顯千分表對其工作狀態(tài)進(jìn)行測量，方法如下:以硬度計對試樣施加初負(fù)荷后將磁力表架吸在機(jī)體側(cè)面，調(diào)整磁力表架支桿將數(shù)顯千分表觸頭與工作臺下端面接觸并使數(shù)顯千分表有一定量的壓縮，對數(shù)顯千分表清零后施加硬度計主負(fù)荷，觀察數(shù)顯千分表顯示值的變化量，該變化量即是試樣支撐裝置的異常位移量。

一般情況下，機(jī)架變形量都是由機(jī)架自身的彈性變形和試樣支撐裝置的位移共同產(chǎn)生。機(jī)架在某一作用力下的變形是恒定的，其在出廠首次校準(zhǔn)后是不會改變的。在周期校準(zhǔn)時應(yīng)對試樣支撐裝置進(jìn)行檢查和必要的維護(hù)，以避免將此誤差引入到機(jī)架的變形誤差中，從而導(dǎo)致錯誤的判斷。

4 機(jī)械式洛氏硬度計測量裝置異常的分析

機(jī)械式洛式硬度計的測量裝置是由測量杠桿和專用百分表及附件組成，測量杠桿將主軸位移量經(jīng)1 ∶5放大后由專用百分表轉(zhuǎn)換成洛氏硬度值指示于度盤，如圖3所示。

圖3 機(jī)械式洛氏硬度計主軸和測量裝置示意圖

工作時試樣隨著工作臺升起，測量杠桿在主軸位移的作用下使專用百分表長指針旋轉(zhuǎn)3 圈后停止，此時專用百分表測桿在外力作用下向上位移使測桿拉簧處在張開的狀態(tài)。在施加主負(fù)荷時，測量杠桿在主軸的帶動下向下位移，此時的專用百分表測桿在測桿拉簧的作用下跟隨測量杠桿與主軸同步位移(此時的測量杠桿位移誤差不影響測量結(jié)果)。當(dāng)硬度計的主負(fù)荷卸除后，在試樣彈性變形恢復(fù)的作用下，主軸向上位移并帶動測量杠桿與專用百分表測桿移動，正常情況下試樣的彈性恢復(fù)能力足以克服初負(fù)荷(負(fù)荷杠桿及吊掛、主軸、測量杠桿以及專用百分表測桿)的作用力，而將主軸位移量傳遞到專用百分表顯示于度盤。如果專用百分表測桿移動時有摩擦阻力或其他原因造成的測桿移動困難，以及測量杠桿支點(diǎn)軸承的油污、異物、磨損造成測量裝置不靈活而產(chǎn)生阻力，就會影響到試樣的彈性恢復(fù)，使硬度計出現(xiàn)負(fù)偏差，造成硬度計的系統(tǒng)誤差。

如果校準(zhǔn)硬度計在卸除主負(fù)荷時度盤指針停頓后又有少量的走動(與卸除主負(fù)荷時指針走動方向一致)，應(yīng)考慮檢查測量裝置是否存在摩擦，也可打開硬度計上蓋，將測量杠桿輕輕抬起，觀察是否有卡阻現(xiàn)象，松手的同時觀察度盤指針走動是否平穩(wěn)和勻速，檢查測量杠桿定位螺栓是否上緊，確認(rèn)專用百分表外殼與機(jī)體配合正確并無松動。通過以上方法，發(fā)現(xiàn)并排除問題。

顯然，當(dāng)洛氏硬度計出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象時，不能簡單地處理和下結(jié)論，應(yīng)通過問題現(xiàn)象結(jié)合硬度計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由表及里逐步分析判斷，找出問題存在的主因，使硬度計存在的問題得以正確解決。

［1］三機(jī)部304 所，國防工業(yè)計量站.硬度計量與硬度計［M］.上海:國防工業(yè)計量站，1979.

［2］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，全國力值、硬度計量技術(shù)委員會.JJG112-2003 金屬洛氏硬度計檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，2003.

［3］美國國防部.ASTM E18- 11 金屬材料洛氏硬度和洛氏表面硬度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法［S］.中文版.2011.