厲 旻/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，布氏硬度計(jì)的外觀結(jié)構(gòu)和控制加載也有了很大的改進(jìn)和革新，其中最明顯的改變就是：由傳統(tǒng)的杠桿加荷式原理加杠桿控制系統(tǒng)提供試驗(yàn)力的壓入式加荷方法，發(fā)展為由精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)和微機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)的光、機(jī)、電一體化產(chǎn)品，其控制過程是采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)加卸試驗(yàn)力，通過高精度的測力傳感器進(jìn)行反饋，在CPU的控制下可對(duì)保荷試驗(yàn)中衰減的試驗(yàn)力進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，去除了繁瑣的砝碼結(jié)構(gòu)，取而代之的是精巧的力控制系統(tǒng)，在保證整機(jī)剛性的前提下，使得整臺(tái)設(shè)備減輕了重量，便于搬運(yùn)，同時(shí)也簡化了操作。然而，問題也隨之出現(xiàn)了，傳統(tǒng)的杠桿加砝碼的加力方式，只要周圍沒有震源，在保荷過程中，力值一般是不會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的，而采用了新的加載方式后，力控制系統(tǒng)帶出了新的問題，尤其是在力值保荷的過程中，由于伺服電機(jī)的特性，其產(chǎn)生的力值在保荷過程中會(huì)衰減，在微機(jī)的控制下，當(dāng)力值衰減到一定的程度時(shí)，系統(tǒng)便通過增加力值來補(bǔ)償衰減，使保荷力重新回到理想的狀態(tài)，這樣一來，保荷時(shí)的力值便會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，而且該波動(dòng)度的大小和頻率會(huì)隨著反饋信號(hào)采樣頻率的變化而變化。根據(jù)GB/T 231-2002《金屬布氏硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，不同材質(zhì)的金屬要求保荷的時(shí)間不同：黑色金屬的試驗(yàn)力保持時(shí)間為（10～15）s，有色金屬為（30±2）s，布氏硬度＜ 35時(shí)為（60±2）s。那么在這些時(shí)間段里，采用新的加載方式保荷，試驗(yàn)力的波動(dòng)度對(duì)材料的硬度值會(huì)產(chǎn)生多大的影響，就值得探討了。需要說明的是，為了降低制造成本，目前大多數(shù)數(shù)顯布氏硬度計(jì)只采用一套力傳感器系統(tǒng)，也就是說布氏硬度計(jì)加載的力值范圍62.5 kgf （ 612.9 N）～3000 kgf（29400 N）都是由一套力傳感器系統(tǒng)來控制完成的，而一般測力傳感器的有效量程是10%～100%，因此對(duì)于一個(gè)滿量程為3000 kgf（29400 N）的傳感器來說，要保證其10%以下，即＜300 kgf（2940 N）的力值精度，將是一個(gè)考驗(yàn)。因此，本次實(shí)驗(yàn)采用測量上限為3000 kgf （29400 N）的力值傳感器來控制62.5 kgf（612.9 N）的力。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1 取樣

選取均勻度≤1%的標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度塊3塊，目的是為了減小硬度塊均勻度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。分別標(biāo)記為A，B，C。

2.2 校驗(yàn)設(shè)備及校驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備為XHB-3000型數(shù)顯布氏硬度計(jì)，采用NI數(shù)據(jù)采集卡(PXI4220)及HBM力傳感器；

試驗(yàn)條件為HBW2.5/62.5(F/D2一10)；

整個(gè)試驗(yàn)過程試驗(yàn)溫度為（18～28）℃；

采樣速率（1000 Hz）。

其中：F 表示試驗(yàn)力，kgf（N）

D表示壓頭球體直徑，mm

2.3 試驗(yàn)方法

參照GB/T 231.1-2002 金屬布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法以及GB/T 231.2-2002 金屬布氏硬度試驗(yàn) 第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)。

進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)時(shí)，為了具有可比性，從加力開始到施加全部試驗(yàn)力的時(shí)間控制在（6±0.5）s之間，對(duì)試樣施加的試驗(yàn)力保持時(shí)間為（12±0.5）s，在試樣上壓出均勻分布的5個(gè)壓痕。通過改變閉環(huán)控制系統(tǒng)中的補(bǔ)償系數(shù)來改變保荷力值的波動(dòng)度，按照此方法，依次采用波動(dòng)度≤0.5%，0.5%＜波動(dòng)度≤1.0%，1.0%＜波動(dòng)度≤1.5%的保荷試驗(yàn)力，分別在A，B，C三塊試樣上產(chǎn)生壓痕，記錄數(shù)據(jù)。

Fmax，F(xiàn)min分別為保荷時(shí)力值采樣的最大值和最小值。

整個(gè)試驗(yàn)過程中的力值變化通過多功能機(jī)械量動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)采集完成，如圖1所示。

圖1

提取其中的保荷階段曲線，不同波動(dòng)度的試驗(yàn)力力值變化經(jīng)放大后依次如圖2，3，4所示。

圖2

圖3

圖4

3 結(jié)果與討論

將保荷階段不同波動(dòng)度的試驗(yàn)力作用下所測得的試樣的布氏硬度值依次列于表1。

表1

根據(jù)公式，硬度計(jì)示值誤差：

式中：

δ —硬度計(jì)示值誤差；

硬度計(jì)示值重復(fù)性：

式中：

Hmax—5點(diǎn)中硬度值最大值；

Hmin—5點(diǎn)中硬度值最小值；—5點(diǎn)硬度值的算術(shù)平均值。

將示值誤差和示值重復(fù)性列于表2。

表2

根據(jù)JJG 150-2005《金屬布氏硬度計(jì)檢定規(guī)程》，硬度范圍在（≤125HBW）的硬度計(jì)示值，其最大允許誤差和示值重復(fù)性分別為（±3%）和（≤3.5%）。通過計(jì)算公式，可分別得出保荷試驗(yàn)力波動(dòng)度對(duì)布氏硬度示值誤差和示值重復(fù)性的影響。

式中：

δA,δB,δC—分別為A，B，C三種布氏硬度的示值誤差；

δmax—表示硬度計(jì)示值最大允許誤差（此處取3%）。

式中：

Ycf—波動(dòng)度對(duì)布氏硬度示值重復(fù)性的影響系數(shù)；

HcfA,HcfB,HcfC—分別為A，B，C三種布氏硬度的示值重復(fù)性；

Hcf max—表示硬度計(jì)示值最大示值重復(fù)性（此處取3.5%）。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3

通過數(shù)據(jù)分析比較可知，保荷試驗(yàn)力波動(dòng)度對(duì)布氏硬度的測量是有影響的，而且影響系數(shù)隨著波動(dòng)度的增大而增大。雖然波動(dòng)度對(duì)布氏硬度示值誤差和示值重復(fù)性的影響，在金屬布氏硬度計(jì)檢定規(guī)程允許的誤差范圍內(nèi)。但隨著波動(dòng)度的增加，布氏硬度的示值誤差和示值重復(fù)性也隨之增大。特別是當(dāng)波動(dòng)度＞1.0%后，硬度計(jì)的示值誤差和示值重復(fù)性明顯增加，甚至于接近最大允許誤差。因此，將保荷試驗(yàn)力的波動(dòng)度控制在合理的范圍內(nèi)（理想狀況是將保荷試驗(yàn)力的波動(dòng)度控制在≤0.5%的范圍內(nèi)），可以有效地減小硬度計(jì)的系統(tǒng)誤差。

作為一種新型的硬度計(jì)機(jī)型，或許在今后的國標(biāo)或檢定規(guī)程中可以考慮對(duì)硬度計(jì)保荷力值的波動(dòng)度要求規(guī)范化。

[1] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 231.1-2002［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002.

[2] 全國力值、硬度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 150-2005［S］. 北京：中國計(jì)量出版社, 2005.

[3] 郁有文，常健.傳感器原理及工程應(yīng)用［M］. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2003.7.

[4] 余成波，胡新宇，趙勇.傳感器與自動(dòng)檢測技術(shù)［M］. 北京：高等教育出版社, 2004.2.