磁性測厚儀的測量系統(tǒng)分析

楊志業(yè)，李陽，王進(jìn)軍，耿莽河，郭燕

（沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽 110034）

厚度是鍍層最重要的性能指標(biāo)之一，直接關(guān)系到零件的耐蝕性、氫脆性等品質(zhì)特性。民用產(chǎn)品一般僅要求鍍層厚度不低于某個(gè)值，例如耐中性鹽霧試驗(yàn)360 h的鍍鎘層要求鍍層厚度應(yīng)大于25 μm[1]。而對于航空零件，為保證零件強(qiáng)度、尺寸精度和鍍層結(jié)合力，多要求鍍層的厚度控制在一定范圍內(nèi)，如鍍鎘層厚度一般為7.6 ~ 15.2 μm[2]。這就要求對航空零件的鍍層厚度進(jìn)行測量時(shí)應(yīng)使用更為精確的測量系統(tǒng)，以降低測量誤差，避免因測量誤差而導(dǎo)致零件返工、返修。

HB 5335-94《金屬鍍覆和化學(xué)覆蓋工藝質(zhì)量控制》中要求必須保證鍍(膜)層厚度測量值與實(shí)際厚度之差在±10%之內(nèi)。目前鍍覆層厚度測量最常用的是磁性測厚法，其操作簡單，適用范圍廣，不損傷鍍層。然而按照GB/T 4956-2003《磁性基體上非磁性覆蓋層 覆蓋層厚度測量 磁性法》要求，磁性測厚儀的校準(zhǔn)和操作應(yīng)能使覆蓋層厚度測準(zhǔn)到真實(shí)厚度的10%或1.5 μm以內(nèi)，兩個(gè)值取其較大的。換言之，當(dāng)鍍層厚度為15 μm以下時(shí)，磁性測厚儀可能不滿足HB 5335的要求。

另外，測量過程是為了完成被測對象質(zhì)量特征的測量所需人員、量具、程序、軟件和操作的集合。要保證測量值與實(shí)際值相符，不僅要求測厚儀精度高，還應(yīng)考慮到待測對象等因素。按照J(rèn)JG 818《磁性、電渦流式覆層厚度測量儀檢定規(guī)程》的要求，校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)膜片厚度要大于測厚儀量程的2/3，校準(zhǔn)基體Ra≤ 0.2 μm，平面度≤1 μm。而現(xiàn)場實(shí)際測量時(shí)鍍層厚度一般為5.1 ~ 100 μm，零件的Ra為0.4 ~ 3.2 μm，與校準(zhǔn)時(shí)的測量條件相差較大。

為確定在實(shí)際的測量條件下磁性測厚儀能否滿足測量厚度為7.6 ~ 15.2 μm鍍層的需求，本文采用測量系統(tǒng)分析方法對磁性測厚儀的測量系統(tǒng)能力進(jìn)行了評估。測量系統(tǒng)分析在航空航天領(lǐng)域多用于關(guān)鍵特性波動(dòng)管理中。本文采用精確性公差比P/T作為測量系統(tǒng)能力評價(jià)指標(biāo)，它指測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性波動(dòng)與被測量對象的質(zhì)量特性公差之比，著重評估測量系統(tǒng)針對相關(guān)產(chǎn)品規(guī)格的測量結(jié)果，強(qiáng)調(diào)測量系統(tǒng)對公差界限的分析性能能否測量得足夠精確。P/T最好不超過10%。P/T處于10% ~ 30%時(shí)，測量系統(tǒng)也許可用，也許需改善。若P/T超過30%，則測量系統(tǒng)不可用，因?yàn)樗荒転檫^程控制和過程能力提供證據(jù)[3]。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)ASTM B499-09Standard Test Method for Measurement of Coating Thicknesses by the Magnetic Method:Nonmagnetic Coatings on Magnetic Basis Metals、GB/T 4956-2003《磁性基體上非磁性覆蓋層 覆蓋層厚度測量磁性法》及儀器說明書，在磁性測厚儀的使用過程中對測量系統(tǒng)能力影響較大的因素主要有3項(xiàng)，即基體表面粗糙度、磁性測厚儀校準(zhǔn)方法、測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)方法。

為避免其他因素干擾，采用無磁性的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度量塊(其厚度大于儀器要求的最小基體厚度)與標(biāo)準(zhǔn)厚度箔片，在無電磁干擾的試驗(yàn)間進(jìn)行測量，測量時(shí)選取量塊的中心點(diǎn)，以避免邊緣效應(yīng)和曲率的影響。

在測量系統(tǒng)分析過程中，由兩名檢驗(yàn)員在同一臺(tái)EPK公司的MINITEST2100磁性測厚儀上采用相同的測試方案對10個(gè)試塊的指定位置進(jìn)行厚度測量，并采用Minitab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

每組條件下進(jìn)行3次測量系統(tǒng)分析，取3次P/T的平均值作為最終結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 基體粗糙度對測量系統(tǒng)能力的影響

由表1可見，隨著基體表面粗糙度降低，磁性測厚儀的測量系統(tǒng)能力逐步提高?；w表面粗糙度降低到0.8 μm后，測量系統(tǒng)能力提高較小。但即使基體表面粗糙度降低到0.2 μm，P/T值仍超過50%?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中零件粗糙度多分布在1.6 μm附近，后續(xù)試驗(yàn)將在基體表面粗糙度1.6 μm的條件下進(jìn)行。

表1 不同基體粗糙度條件下的測量系統(tǒng)能力Table 1 Measurement system capability under different roughness of substrate

2.2 校準(zhǔn)方式對測量系統(tǒng)能力的影響

由表2可見，當(dāng)采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)，磁性測厚儀的測量系統(tǒng)能力有所提高，采用含零點(diǎn)的兩點(diǎn)校準(zhǔn)和不含零點(diǎn)的兩點(diǎn)校準(zhǔn)對測量系統(tǒng)能力影響不大。考慮到實(shí)際生產(chǎn)中測厚工作量較大，不含零點(diǎn)的兩點(diǎn)校準(zhǔn)方式操作繁瑣，后續(xù)試驗(yàn)將采用含零點(diǎn)的兩點(diǎn)校準(zhǔn)方式進(jìn)行。

表2 不同校準(zhǔn)方式下的測量系統(tǒng)能力Table 2 Measurement system capability when using different calibration methods

2.3 測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)方法對測量系統(tǒng)能力的影響

由表3可見，當(dāng)提高讀數(shù)次數(shù)，多點(diǎn)取平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，磁性測厚儀測量系統(tǒng)能力有一定提高，采用舍點(diǎn)法進(jìn)行測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)時(shí)測量系統(tǒng)能力最高。

表3 不同測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)方法下的測量系統(tǒng)能力Table 3 Measurement system capability when using different statistical methods for the results

3 結(jié)論

綜上所述，使用EPK公司的MINITEST2100磁性測厚儀在鍍層厚度為7.6 ~ 15.2 μm的范圍內(nèi)，即使將零件表面粗糙度Ra降低至1.6 μm，且采用相對較好的舍點(diǎn)法測量，P/T也只能降低至52.49%，無法滿足＜ 30%的最低要求。

因 P/T與鍍層厚度公差成反比，在不能擴(kuò)大鍍層厚度公差的情況下，為減低測量系統(tǒng)誤差，提高測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性，應(yīng)更換更適用于該測量條件的磁性測厚儀或者按其他原理設(shè)計(jì)的測厚儀器。

采用測量系統(tǒng)分析方法可有效評估測量環(huán)境條件及方法對測量系統(tǒng)能力的影響。建議在進(jìn)行測量活動(dòng)或儀器采購前，在實(shí)際測量條件下預(yù)先進(jìn)行測量系統(tǒng)分析，以確保測量能力可滿足實(shí)際測量需求，避免因測量誤差而導(dǎo)致質(zhì)量損失。