朱旭明 李 矛 翁 俊 孫春宇 孫桂清/. 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；. 上海大學(xué)

該文介紹一種以液壓系統(tǒng)為加力裝置，通過(guò)測(cè)深法來(lái)確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計(jì)，克服了常規(guī)布氏硬度計(jì)加力裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和固定不動(dòng)等問(wèn)題，可解決批量工件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行布氏硬度的檢測(cè)，該方法還避免了人為測(cè)量誤差，尤其對(duì)一些大型工件來(lái)說(shuō)，可顯著提高工作效率。

0 引言

工程中為了在不破壞工件的情況下，方便地成批檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)硬度檢測(cè)來(lái)確定產(chǎn)品的物理性能指標(biāo)。它是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，是衡量材料物理性能的依據(jù)，是一個(gè)綜合的物理量。

布氏硬度值是用一定直徑的硬質(zhì)合金球，在一定試驗(yàn)力的作用下壓入試件表面，經(jīng)一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力而獲得壓痕，以壓痕表面積上所承受的平均壓力來(lái)表示的。目前大多數(shù)布氏硬度壓痕的測(cè)量值是通過(guò)普通的光學(xué)顯微鏡來(lái)得到，不但造成較大的人為測(cè)量誤差，而且工作效率低。硬度計(jì)的加力裝置是通過(guò)杠桿加載砝碼，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)布氏硬度壓痕比較大，成品檢驗(yàn)有困難。本文通過(guò)運(yùn)用測(cè)量壓痕深度來(lái)?yè)Q算成布氏硬度值，取代原來(lái)用測(cè)量壓痕直徑換算成布氏硬度值，采用液壓系統(tǒng)為加力裝置通過(guò)測(cè)深法來(lái)確定布氏硬度值的方法，可解決批量工件在線檢測(cè)布氏硬度值，避免了人為讀數(shù)誤差，尤其對(duì)一些大型工件來(lái)說(shuō)，可顯著提高工作效率。

1 測(cè)量原理

布氏硬度測(cè)量的原理：對(duì)直徑為D的硬質(zhì)合金壓頭施加規(guī)定的試驗(yàn)力，使壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后，除去試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑d，布氏硬度就是用試驗(yàn)力除以壓痕表面積S的商來(lái)計(jì)算，如圖1所示。

圖1 布氏硬度試驗(yàn)原理

HBS——表示用淬火鋼球壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：小于HBS 450；

HBW——表示用硬質(zhì)合金壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：HBW 450～650

式中：

F —— 試驗(yàn)力， 單位 N；

D —— 球壓頭直徑，單位mm；

h —— 壓痕深度，單位mm；

d —— 壓痕直徑，單位mm

G ——標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，1/G=1/9.80665=0.102

這是布氏硬度測(cè)量的基本原理，但是由于試樣材質(zhì)不同、硬度不同、試樣大小及薄厚也不同，一種試驗(yàn)力、一種壓頭自然不能滿(mǎn)足要求。在試驗(yàn)力和壓頭球直徑的選擇方面需要遵循的規(guī)則有兩個(gè)：

規(guī)則一，要使試驗(yàn)力與球壓頭直徑的平方之比為一個(gè)常數(shù)。如圖2所示：

圖2 布氏硬度壓痕相似原理

這個(gè)規(guī)則來(lái)源于相似律。根據(jù)相似律，在（圖2）中不同直徑的球壓頭D1、D2在不同的試驗(yàn)力F1、F2作用下壓入試樣表面，壓痕直徑d1、d2是不同的，但是只要壓入角1、角2相同，壓痕就具有相似性。這時(shí)試驗(yàn)力和球壓頭直徑的平方之比就是一個(gè)常數(shù)。在這種條件下，采用不同的試驗(yàn)力和不同直徑的球壓頭，在同一試樣上測(cè)得的硬度值是相同的，在不同的試樣上測(cè)得的硬度值是可以相互比較的。試驗(yàn)力與球壓頭直徑平方之比在采用公斤力的舊標(biāo)準(zhǔn)中表示為F/D2，在采用牛頓力的新標(biāo)準(zhǔn)中表示為0.102F/D2。

規(guī)則二，試驗(yàn)后要使壓痕直徑處于以下范圍：0.24D＜d＜0.6D

否則試驗(yàn)結(jié)果是無(wú)效的,應(yīng)選擇合適的試驗(yàn)力重新試驗(yàn)。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)壓頭直徑在0.24D～0.6D之間時(shí)，測(cè)得的硬度值與試驗(yàn)力大小無(wú)關(guān)。布氏硬度試驗(yàn)可選擇的試驗(yàn)力從3000 kg到1 kg大約有20個(gè)級(jí)別。布氏硬度試驗(yàn)可選擇的壓頭直徑為φ10 mm、φ5 mm、φ2.5 mm、φ1 mm共4種。布氏硬度試驗(yàn)可選擇的0.102F/D2值為30、15、10、5、2.5、1 共 6 種。

在標(biāo)準(zhǔn)GB/T231.1-2002中規(guī)定了試驗(yàn)條件：試驗(yàn)力和壓頭直徑平方比（0.102F/D2）應(yīng)按材料的種類(lèi)和硬度范圍來(lái)選擇，不再贅述。

2 總體結(jié)構(gòu)

便攜式布氏硬度計(jì)的機(jī)械部分包含升降機(jī)構(gòu)及工作臺(tái)、加力裝置和壓頭設(shè)計(jì)等。升降機(jī)構(gòu)的工作原理比較簡(jiǎn)單，由圖3可知：通過(guò)手柄的人工搖動(dòng)，垂直方向的錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)水平方向的錐齒輪聯(lián)動(dòng)，繼而再帶動(dòng)與它聯(lián)立的水平直齒輪工作，與此同時(shí)直齒輪再帶動(dòng)其兩旁的兩個(gè)水平直齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而改變螺母在絲桿上的位置來(lái)移動(dòng)壓頭的上下位置。另外，選取雙絲桿之目的也是為了保證測(cè)試能夠更加穩(wěn)定進(jìn)行。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度計(jì)總體結(jié)構(gòu)

加力裝置主要就是液壓千斤頂，經(jīng)過(guò)杠桿和大小活塞的兩次放大，根據(jù)布氏硬度測(cè)試最常用的試驗(yàn)條件擬定設(shè)計(jì)基本要求：大柱塞試驗(yàn)壓力為3000 kg，最大行程是5 mm，采用10 mm直徑鋼球壓頭，壓入深度為1 mm?？紤]一般人可以在杠桿處輸出的力值區(qū)間和大小活塞的行程及設(shè)備總體尺寸，得到對(duì)于千斤頂設(shè)計(jì)的平衡位置是：小柱塞取φ10 mm、行程10 mm，大柱塞取φ40 mm、行程 5 mm，壓強(qiáng)p= 23.87 MPa，油箱為φ36×20 mm，杠桿放大30倍，即桿長(zhǎng)為300 mm（考慮手握位置+50 mm），那么工作人員只需在杠桿處施加6.25 kg力便可達(dá)到要求，對(duì)于一般試驗(yàn)人員均沒(méi)有問(wèn)題。

3 硬件、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)布氏硬度的試驗(yàn)原理，要測(cè)算布氏硬度值，所需獲得的數(shù)據(jù)包括兩部分：試驗(yàn)力F和壓痕深度d。其中試驗(yàn)力由LSR-A2型壓力傳感器獲得，壓痕深度由rsj-1容柵數(shù)顯位移傳感器獲得，以這兩個(gè)傳感器為核心組成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分。

本系統(tǒng)的原理圖框圖如圖4所示，壓力傳感器和位移傳感器采集到的信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)AD574的模數(shù)轉(zhuǎn)換才能被讀取，進(jìn)入單片機(jī)MCS51-89C52，顯示動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)力和壓頭壓入試樣的深度，當(dāng)達(dá)到預(yù)定試驗(yàn)力時(shí)，采用位移傳感器的位移值并送數(shù)據(jù)處理，通過(guò)液晶顯示屏顯示試樣的硬度值并存儲(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)硬件原理框圖

軟件設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想：采用模塊化結(jié)構(gòu)，大量調(diào)用子程序及中斷服務(wù)程序，盡量減少主程序內(nèi)容，使條理清晰，調(diào)試方便。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖

軟件的主要功能：軟件程序包括液晶驅(qū)動(dòng)程序、漢字顯示程序、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 運(yùn)行與調(diào)試

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣和A/D轉(zhuǎn)換，顯示動(dòng)態(tài)的試驗(yàn)力和壓頭壓入試樣的深度，求出試驗(yàn)力的最大值和卸除試驗(yàn)力后的殘余壓痕深度，并送數(shù)據(jù)處理，顯示試樣這個(gè)點(diǎn)的布氏硬度值并存儲(chǔ)。每個(gè)試樣結(jié)束后，顯示硬度的平均值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析整個(gè)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種采用液壓系統(tǒng)為加力裝置，通過(guò)測(cè)深法來(lái)確定布氏硬度值的便攜式布氏硬度計(jì)，提出了采用測(cè)量壓痕深度的方法獲得硬度值的方案。

但上述實(shí)驗(yàn)中未考慮樣品表面粗糙度和彈性形變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，因此需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而歸納總結(jié)出修正因子。另外菜單模式以及軟件上的功能有待優(yōu)化與豐富。

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