沈運(yùn)杰，李自武，牟娟

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

0 引言

影響洛氏硬度計(jì)測(cè)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(shí)間的長(zhǎng)短、主軸位移測(cè)深裝置誤差以及機(jī)架變形等，它們對(duì)洛氏硬度計(jì)測(cè)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(jì)各種影響因素時(shí)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(jì)的測(cè)量結(jié)果存在較大的不確定度。

1 洛氏硬度計(jì)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(jì)檢定規(guī)程》或ASTM E18 洛氏硬度試驗(yàn)方法，對(duì)一臺(tái)洛氏硬度計(jì)的負(fù)荷(力值)、循環(huán)時(shí)間、加荷速度、主軸位移(深測(cè)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(duì)洛氏硬度計(jì)進(jìn)行間接校準(zhǔn)時(shí)會(huì)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(shí)，對(duì)機(jī)械式洛氏硬度計(jì)通過測(cè)量杠桿有時(shí)不能得到較理想的示值偏差修正，而對(duì)數(shù)顯洛氏硬度計(jì)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(jì)示值準(zhǔn)確度的大小與方向。如果在校準(zhǔn)一臺(tái)洛氏硬度計(jì)時(shí)，使硬度值增大或減小的影響因素同時(shí)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(shí)就需要對(duì)在直接校準(zhǔn)時(shí)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(gè)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(jì)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(jì)示值準(zhǔn)確性的因素

直接校準(zhǔn)與間接校準(zhǔn)是從兩個(gè)不同的方面反映硬度計(jì)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(jì)測(cè)試能力。

影響硬度計(jì)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(tái)硬度計(jì)在校準(zhǔn)時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)示值偏差，為了校準(zhǔn)硬度計(jì)就需要對(duì)硬度計(jì)的示值偏差進(jìn)行合理修正?，F(xiàn)用的JJG122-2003《洛氏硬度計(jì)檢定規(guī)程》和ASTM E18 洛氏硬度試驗(yàn)方法，沒有對(duì)硬度計(jì)校準(zhǔn)時(shí)示值偏差的修正范圍給出參數(shù)要求，而對(duì)硬度計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)洛氏硬度計(jì)加荷與保荷時(shí)力值波動(dòng)對(duì)硬度示值的影響

自動(dòng)洛氏硬度計(jì)力值加荷與位移測(cè)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(cè)量和控制。

圖1 自動(dòng)洛氏硬度計(jì)原理圖

在對(duì)自動(dòng)洛氏硬度計(jì)力值校準(zhǔn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下情況:硬度計(jì)在加荷時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(shí)硬度計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間不能超出規(guī)程(方法)允許的時(shí)長(zhǎng)，否則將直接影響硬度計(jì)示值的準(zhǔn)確性。

圖2 自動(dòng)洛氏硬度計(jì)加荷時(shí)的力值波動(dòng)曲線

機(jī)械式洛氏硬度計(jì)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(jì)主軸上，工作時(shí)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(jì)主軸上，與主軸位移成正比，其主軸位移曲線與被測(cè)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(dòng)洛氏硬度計(jì)是通過條件參數(shù)設(shè)置并對(duì)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(dòng)洛氏硬度計(jì)在工作時(shí)力值通過壓頭作用在被測(cè)試件上，當(dāng)試樣在壓頭的作用下產(chǎn)生變形的同時(shí)主軸也產(chǎn)生相應(yīng)的位移，這時(shí)主軸驅(qū)動(dòng)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(jì)的調(diào)整能力不能滿足硬度試驗(yàn)條件要求時(shí)，就會(huì)使硬度計(jì)在加荷與保荷時(shí)出現(xiàn)力值不穩(wěn)定，造成硬度計(jì)示值重復(fù)性不好。如果力值波動(dòng)過大甚至造成硬度計(jì)示值超差的結(jié)果，對(duì)低硬度值影響較大。

機(jī)械式洛氏硬度計(jì)通過百分表式指示度盤或光學(xué)標(biāo)尺投影窗將整個(gè)測(cè)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(jì)相應(yīng)環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)和存在的問題;而自動(dòng)洛氏硬度計(jì)是通過狀態(tài)標(biāo)識(shí)符在顯示屏上表示出此時(shí)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(dòng)洛氏硬度計(jì)時(shí)對(duì)硬度計(jì)的力值進(jìn)行校準(zhǔn)(參考文獻(xiàn)［2］和［3］中對(duì)硬度計(jì)力值的周期校準(zhǔn)未做要求)。通過硬度計(jì)力值的校準(zhǔn)可發(fā)現(xiàn)硬度計(jì)力值在加荷與保荷時(shí)的變化狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬度計(jì)在加荷與保荷時(shí)力值的波動(dòng)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(jì)力值誤差為±1.0%)，或力值的調(diào)整過于緩慢影響到硬度計(jì)的循環(huán)時(shí)間要求時(shí)，應(yīng)對(duì)硬度計(jì)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(jì)的力值超差，可通過硬度計(jì)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(jì)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(jì)系統(tǒng)誤差的分析

洛氏硬度計(jì)試驗(yàn)時(shí)，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(tái)升降絲杠下沉)均可造成硬度計(jì)示值的負(fù)誤差，該誤差就某一標(biāo)尺而言對(duì)硬度值范圍的影響量是一樣的，屬于系統(tǒng)性誤差。

硬度計(jì)試樣支撐裝置是由工作臺(tái)、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(tái)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(shí)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(rùn)滑劑以起到潤(rùn)滑作用。當(dāng)機(jī)油加的過多或長(zhǎng)時(shí)間不維護(hù)導(dǎo)致機(jī)油氧化時(shí)，在連接處形成粘稠的油膜，導(dǎo)致硬度計(jì)施加主負(fù)荷時(shí)部件之間在力的作用下對(duì)油膜產(chǎn)生擠壓并使其改變?cè)械臓顟B(tài)，造成支撐裝置異常位移。依據(jù)洛氏硬度計(jì)試驗(yàn)原理可知，主軸每移動(dòng)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(dòng)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(duì)硬度計(jì)檢查維護(hù)。工作臺(tái)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(dòng)手輪時(shí)絲杠上下移動(dòng)自如順暢。必要時(shí)可用數(shù)顯千分表對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，方法如下:以硬度計(jì)對(duì)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(tái)下端面接觸并使數(shù)顯千分表有一定量的壓縮，對(duì)數(shù)顯千分表清零后施加硬度計(jì)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(huì)改變的。在周期校準(zhǔn)時(shí)應(yīng)對(duì)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(cuò)誤的判斷。

4 機(jī)械式洛氏硬度計(jì)測(cè)量裝置異常的分析

機(jī)械式洛式硬度計(jì)的測(cè)量裝置是由測(cè)量杠桿和專用百分表及附件組成，測(cè)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(jì)主軸和測(cè)量裝置示意圖

工作時(shí)試樣隨著工作臺(tái)升起，測(cè)量杠桿在主軸位移的作用下使專用百分表長(zhǎng)指針旋轉(zhuǎn)3 圈后停止，此時(shí)專用百分表測(cè)桿在外力作用下向上位移使測(cè)桿拉簧處在張開的狀態(tài)。在施加主負(fù)荷時(shí)，測(cè)量杠桿在主軸的帶動(dòng)下向下位移，此時(shí)的專用百分表測(cè)桿在測(cè)桿拉簧的作用下跟隨測(cè)量杠桿與主軸同步位移(此時(shí)的測(cè)量杠桿位移誤差不影響測(cè)量結(jié)果)。當(dāng)硬度計(jì)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(dòng)測(cè)量杠桿與專用百分表測(cè)桿移動(dòng)，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(cè)量杠桿以及專用百分表測(cè)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(cè)桿移動(dòng)時(shí)有摩擦阻力或其他原因造成的測(cè)桿移動(dòng)困難，以及測(cè)量杠桿支點(diǎn)軸承的油污、異物、磨損造成測(cè)量裝置不靈活而產(chǎn)生阻力，就會(huì)影響到試樣的彈性恢復(fù)，使硬度計(jì)出現(xiàn)負(fù)偏差，造成硬度計(jì)的系統(tǒng)誤差。

如果校準(zhǔn)硬度計(jì)在卸除主負(fù)荷時(shí)度盤指針停頓后又有少量的走動(dòng)(與卸除主負(fù)荷時(shí)指針走動(dòng)方向一致)，應(yīng)考慮檢查測(cè)量裝置是否存在摩擦，也可打開硬度計(jì)上蓋，將測(cè)量杠桿輕輕抬起，觀察是否有卡阻現(xiàn)象，松手的同時(shí)觀察度盤指針走動(dòng)是否平穩(wěn)和勻速，檢查測(cè)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(dòng)。通過以上方法，發(fā)現(xiàn)并排除問題。

顯然，當(dāng)洛氏硬度計(jì)出現(xiàn)各種異?，F(xiàn)象時(shí)，不能簡(jiǎn)單地處理和下結(jié)論，應(yīng)通過問題現(xiàn)象結(jié)合硬度計(jì)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(jì)存在的問題得以正確解決。

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

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

［3］美國(guó)國(guó)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(cè)試方法［S］.中文版.2011.