便攜式洛氏硬度計檢定裝置研究

張盛海,桑 干

(無錫市檢驗檢測認證研究院,江蘇 無錫 214101)

1 引 言

洛氏硬度計是一種常用的金屬材料硬度測試儀器,廣泛應用于各種金屬制品的硬度測試。為了保證測試結果的準確性和可靠性,需要對洛氏硬度計進行定期檢定或校準。洛氏硬度計的檢驗需進行直接檢驗和間接檢驗。直接檢驗包括:試驗力的校準、壓頭的檢測、壓痕深度測量裝置的校準和試驗循環(huán)時間的檢測;間接檢驗即使用標準硬度塊對洛氏硬度計的硬度示值進行校準。

洛氏硬度計檢定裝置是用于檢定洛氏硬度計的專用儀器,其計量特性直接關系到洛氏硬度計測試結果的準確性和可靠性。目前已有的洛氏硬度計校準裝置大多比較笨重,所需標準器較多,不便于攜帶,不能實現(xiàn)現(xiàn)場檢測,且過程復雜,效率低下,不同人員的操作會導致一定的數(shù)據(jù)偏差,數(shù)據(jù)獲取源頭過多,數(shù)據(jù)處理不方便。

本文研發(fā)了一套洛氏硬度計專用的檢定裝置,集成檢定洛氏硬度計主要參數(shù)的各項功能,一體化設計,體積小,重量輕,便于攜帶和操作,能夠?qū)崿F(xiàn)對洛氏硬度計的加載載荷及其保持時間、測深裝置及硬度示值進行同步校準。

對研發(fā)的洛氏硬度計檢定裝置的計量特性進行了系統(tǒng)性研究,通過試驗測試和數(shù)據(jù)分析,得出該裝置的準確性、穩(wěn)定性等計量特性指標。依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》,采用該裝置對市場上常用的洛氏硬度計進行校準,并按JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》進行驗證。結果表明,該檢定裝置穩(wěn)定可靠,達到規(guī)程對檢定裝置的要求,滿足市場需求。

2 洛氏硬度計檢定裝置設計

2.1 工作原理和結構

洛氏硬度計的測試原理是在規(guī)定的條件下,將壓頭(金剛石圓錐、鋼球或硬質(zhì)合金球)壓入試樣表面,待卸除主試驗力后,在初試驗力下測量壓痕殘余深度,以壓痕殘余深度來表征被測物洛氏硬度的高低。

本文研究的便攜式洛氏硬度計檢定裝置的原理是通過模擬洛氏硬度計實際測試過程,對洛氏硬度計的壓力、時間、深度等參數(shù)進行測試和校準,從而保證洛氏硬度計測試結果的準確性和可靠性。裝置的主件結構如圖1所示,其可直接安裝在被檢洛氏硬度計上,轉(zhuǎn)換壓塊上端直接和硬度計的施壓機構連接,下端與測頭相連,底座帶有支腿,可以穩(wěn)定地放在標準洛氏硬度塊上面。

圖1 便攜式洛氏硬度計檢定裝置結構圖

試驗時,將該裝置及配套的測力平臺放在被檢硬度計的測試平臺上(標準洛氏硬度塊放置在測力平臺上),試驗過程中,在硬度計載荷的作用下,楔形塊依附轉(zhuǎn)換壓塊一起下移,將豎直方向的測深參量轉(zhuǎn)化為水平方向的位移,通過位移傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿C系統(tǒng),測力平臺也將載荷大小通過力傳感器實時反饋給微機系統(tǒng)并記錄。通過載荷和位移的變化,微機系統(tǒng)可以識別被檢硬度計的加載時間,這樣,可以同步校準力值、測深和時間等幾個主要參數(shù)。

2.2 硬件與軟件設計

整個裝置采用微機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理,其特點是功耗低、體積小、性能穩(wěn)定。系統(tǒng)采用18位多功能數(shù)據(jù)采集卡作為硬件部分的核心設備,該數(shù)據(jù)采集卡具有多個輸入通道,可以同時測量多個參數(shù),滿足洛氏硬度計檢定和校準時多參數(shù)的測試要求。此外,本裝置還配置有顯示器、鍵盤、鼠標等硬件設備,用戶可以方便地進行數(shù)據(jù)輸入和結果輸出。

本裝置采用Windows(Win7以上)操作系統(tǒng),并開發(fā)了專用的硬度計檢定軟件。該軟件結合了洛氏硬度計的測試原理和數(shù)學模型,可以實現(xiàn)完整的檢定和校準過程,具體包括:(1)硬度計測試界面:用于設置測試條件、選擇測試模式、啟動測試等操作。(2)測試數(shù)據(jù)采集與處理模塊:采集測試數(shù)據(jù)并進行實時處理、生成測試結果。(3)測試結果輸出模塊:用于輸出測試結果,并提供保存、導出等功能。

3 裝置的計量特性

計量標準裝置必須滿足相應計量規(guī)程的要求。為了研究本裝置的計量特性,分別采用高等級的計量標準對裝置的各關鍵參數(shù)進行計量校準,并根據(jù)JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》的要求,對裝置進行穩(wěn)定性考核。對于每個參數(shù),每個月進行1組10次重復測量,每組取算術平均值作為該組測得值。測試持續(xù)半年,測得6組數(shù)據(jù),各組測得值的最大值與最小值之差即為該時間段內(nèi)的穩(wěn)定性指標。

(1)測力平臺。對裝置的測力平臺采用L6-II型0.01級力標準機,在溫度(20±2.5)℃(校準期間溫度變動范圍小于1℃)、相對濕度56.8%的環(huán)境條件下,依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 144—2007《標準測力儀》,將裝置的測力平臺預先放置在校準實驗室等溫8h以上,對其力值校準,結果如表1所示。由表1可知,該測力平臺的各計量指標符合JJG 144—2007《標準測力儀》對0.3級標準測力儀的計量要求,滿足JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》對測力標準器的要求。

表1 測力平臺的力值計量特性

(2)測深裝置檢定系統(tǒng)。采用規(guī)格為(0.5～100)mm的二等量塊,在溫度(20±0.2)℃(溫度波動優(yōu)于0.1℃/h)、相對濕度56.6%的環(huán)境條件下,依據(jù)JJF 1682—2017《光柵式測微儀校準規(guī)范》,將本裝置的硬度計測深裝置檢定系統(tǒng)放置在校準實驗室等溫8h以上,然后對長度參數(shù)進行校準,其結果如表2所示。由表2可知,該硬度計測深裝置檢定系統(tǒng)的各計量指標符合JJF 1682—2017《光柵式測微儀校準規(guī)范》對0.2μm光柵式測微儀的計量要求,滿足JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》對硬度計測深裝置檢定儀的要求。

表2 測深裝置檢定系統(tǒng)的計量特性

(3)計時系統(tǒng)。對裝置的計時系統(tǒng)采用最大允許誤差為±(T×107+2ms)的時間檢定儀、最大允許誤差為±0.01s/d的日差儀,在溫度(20±2.5)℃(校準期間溫度變動范圍小于2℃)、相對濕度56.8%的環(huán)境條件下,依據(jù)國家計量檢定規(guī)程JJG 237—2010《秒表》進行校準,其結果如表3所示。由表3可知,該計時系統(tǒng)各計量指標優(yōu)于JJG 237—2010《秒表》對電子秒表的計量要求,滿足JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》對計時標準器的要求。

表3 計時系統(tǒng)的計量特性

綜上所述,結合表1-表3可知,本裝置各項參數(shù)的計量指標均滿足相應技術規(guī)程/規(guī)范的要求,其穩(wěn)定性也滿足JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》對計量標準的要求。

4 校準結果的驗證

根據(jù)JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》中檢定或校準結果的驗證方案,結合洛氏硬度計的項目特點,采用比對法對本裝置進行系統(tǒng)性驗證。

選擇項目能力相當、測量不確定度相近的兩家已建標市級機構,與本實驗室進行實驗室間比對。依據(jù)JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》,在溫度(23±5)℃、相對濕度50.4%～58.6%的環(huán)境條件下,分別對萊州華銀試驗儀器有限公司生產(chǎn)的編號為1685的HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計進行校準,本裝置(記為1#)和另外兩家洛氏硬度計檢定裝置(分別記為2#、3#)的校準結果如表4-表7所示?？傇囼灹Ρ３謺r間設置5s,主試驗力施加時間為(5～8)s,主試驗力在(2～3)s內(nèi)平穩(wěn)卸除,選用常用的C標尺,硬度計的硬度示值校準結果見表6。

表4 試驗力校準結果

表5 測深裝置校準結果

表6 硬度示值校準結果

表7 總試驗力保持時間的校準結果

根據(jù)JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》,比對結果采用式(1)進行評價:

(1)

將表4-表7中數(shù)據(jù)代入式(1),經(jīng)計算可知,試驗力、測深裝置的深度值、硬度示值和試驗力保持時間均滿足式(1)的要求,即本裝置對被檢洛氏硬度計的校準結果準確可靠,滿足JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》對計量標準裝置的要求。此外,因為測深和時間參數(shù)是系統(tǒng)智能識別和記錄,其校準結果明顯優(yōu)于另外兩家。

5 結束語

便攜式洛氏硬度計檢定裝置體積小、重量輕、便于攜帶和操作,其力值的最大量程可達2500N,精度優(yōu)于0.3級(標準測力儀),長度參數(shù)的最大測量值超過0.3mm,其測量精度相當于0.2μm等級的光柵測微儀,時間的測量精度可達到分辨率為0.01s的電子秒表水平,滿足JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》對標準器的要求,也符合JJF 1033—2022《計量標準考核規(guī)范》對洛氏硬度計檢定裝置的計量考核要求。

該裝置能同步完成硬度計加載載荷、硬度示值、測深裝置和加載保持時間的校準,校準結果符合JJG 112—2013《金屬洛氏硬度計》的要求,極大提高了工作效率,可對市場上各類洛氏硬度計開展檢定和校準工作。

6 致 謝

本文研究課題得到了江蘇省市場監(jiān)督管理局科技計劃項目(項目編號:KJ21125010)的資助,本文試驗得到南京市計量監(jiān)督檢測院、常州檢驗檢測標準認證研究院的重要支持。