艾兆春，劉玉波，王超，韓若曦，王新爽

(國防科技工業(yè)2311 二級計量站，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引言

基于激光干涉法測量的伽利略LTF 布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是目前國際上最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)型硬度機(jī)，其型號為PHS DW 型，該型硬度機(jī)是根據(jù)意大利國家計量院(INRIM)即原意大利國家研究委員會(CNR)的基準(zhǔn)硬度試驗機(jī)而設(shè)計的，并由CNR 授權(quán)伽利略LTF 公司進(jìn)行生產(chǎn)。不同于其它標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)的是它采用激光干涉法進(jìn)行硬度值的測量，還有加載試驗力系統(tǒng)中的軸承采用的是空氣軸承，這也是該型硬度機(jī)最為突出的兩個優(yōu)點。目前世界上共有6 臺該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)，我單位現(xiàn)擁有一臺該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)，目前也是國內(nèi)唯一的一臺，布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖1 所示。國際上其他國家使用該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)作為國家基準(zhǔn)的還有美國、意大利、巴西和韓國等國家。

圖1 PHS DW 型布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

PHS DW 型布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī))可以進(jìn)行洛氏、表面洛氏、布氏和維氏硬度試驗，其試驗力范圍為9.807N 至1839N?？梢赃M(jìn)行符合ISO、ASTM 標(biāo)準(zhǔn)以及國家計量檢定規(guī)程中涉及到的所有洛氏硬度標(biāo)尺試驗。進(jìn)行布氏硬度試驗的試驗力包括:9.807，49.03，61.29，98.07，153.20，245.20，294.20，306.5，612.90N;980.7N 和1839N (HB1，HB5， HB6.25， HB10， HB15.625， HB25， HB30，HB31.25，HB62.5，HB100 和HB187.5)。可以進(jìn)行維氏硬度試驗的標(biāo)尺為HV100，HV50，HV30，HV20，HV10，HV5，HV3，HV2 和HV1。

1 PHS DW 型布洛維標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)的系統(tǒng)組成

該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)分別由試驗力加載系統(tǒng)、硬度塊定位系統(tǒng)、激光干涉測量系統(tǒng)、空氣導(dǎo)軌供氣系統(tǒng)以及系統(tǒng)軟件等組成。

1.1 試驗力加載系統(tǒng)

試驗力加載系統(tǒng)由載荷框架、連續(xù)砝碼組及負(fù)荷傳感器等組成。

1.1.1 載荷框架的組成

載荷框架由上架、拉桿和底盤組成。硬度壓頭安裝在上架上，上架通過三個拉桿與底盤相連接，底盤上按順序疊放砝碼組。框架自重為29.42 N，載荷框架如圖2 所示。

1.1.2 連續(xù)砝碼組

在標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)基體下半部分安裝有連續(xù)砝碼組，載荷設(shè)置裝置可進(jìn)行試驗所需試驗力的設(shè)置，設(shè)置試驗力用手動進(jìn)行人工設(shè)置，通過設(shè)置選擇后的砝碼是不能分開的，必須在底部構(gòu)成一個整體。

圖2 載荷框架

1.1.3 負(fù)荷傳感器

負(fù)荷傳感器的量程為1960 N。傳感器由特殊接頭盒加載框架相連，并通過串口和測量軟件連接，負(fù)荷傳感器主要起到監(jiān)視試驗力的作用。

1.2 硬度塊定位系統(tǒng)

硬度塊定位系統(tǒng)位于標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)砧骨之上，作為硬度機(jī)的分系統(tǒng)，它由可以使硬度塊沿X －Y 軸移動的平臺和控制壓痕的專用夾具組成。每個運動軸都有自己獨立的控制單元，可以通過軟件的虛擬按鍵進(jìn)行控制。定位系統(tǒng)夾具可以使外形尺寸相同的硬度塊相互通用，不同規(guī)格的夾具模型可以適用于不同形狀的硬度塊，如圓形、三角形和矩形。夾具模型如圖3 所示。

圖3 夾具模型

1.3 激光干涉測量系統(tǒng)

激光干涉測量系統(tǒng)由激光頭、起偏振隔離器、固定三棱鏡、移動三棱鏡組成。其中固定三棱鏡安裝在基體橫梁的中間，移動三棱鏡安裝在載荷框架上。它用于測量載荷框架的垂直位移，也就是測量壓頭的移動位移。為防止電磁干擾，激光頭和其控制器、電源及數(shù)據(jù)采集卡分別獨立連接，數(shù)據(jù)采集卡中配置了高精度頻率時鐘。激光干涉測量示意圖如圖4 所示。

圖4 激光干涉測量示意圖

1.4 空氣導(dǎo)軌供氣系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)采用的軸承為空氣軸承，硬度機(jī)工作時至少需要4 ～6 bar 的壓力，供氣流量為30 ～50 NL/min。空氣導(dǎo)軌供氣系統(tǒng)由連續(xù)過濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、電磁閥、3 個不同的轉(zhuǎn)換接頭及快速接頭組成。壓縮空氣系統(tǒng)提供的空氣必須絕對清潔、干燥。

1.5 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)控制軟件經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)比較成熟，在檢定/校準(zhǔn)過程中運行Primary. exe 管理程序，它用于相應(yīng)試驗的參數(shù)設(shè)置、完成硬度試驗自動控制和數(shù)據(jù)處理等。該系統(tǒng)軟件還可以對檢定/校準(zhǔn)過程制定曲線圖，以洛氏硬度曲線為例，加荷時間、速度與試驗力的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 時間、速度與試驗力關(guān)系示意圖

當(dāng)壓頭接觸硬度塊后(第一條黃線)，負(fù)荷傳感器會檢測到開始施加初載荷值，這時接近過程結(jié)束，硬度試驗機(jī)開始進(jìn)入施加初載荷階段，硬度試驗機(jī)將以設(shè)置好的速度施加初載荷。

當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測到初載荷沒有超出公差限制時，施加初載荷階段結(jié)束(第二條黃線)，初載荷保持階段開始，這個階段會持續(xù)一定時間，持續(xù)時間按計算機(jī)時鐘進(jìn)行。

在此時加載框架還會以保持初載荷一直下降，下降速度有兩種，一種是以初載荷加載速度表示的初載荷加載時間，另一種是以加載框架移動速度表示的保持初載荷時間。在硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定了初載荷加載時間和初載荷保持時間的允許極限(這兩個設(shè)置通過第一對藍(lán)線定義)。

當(dāng)初載荷施加和保持時間結(jié)束后，壓頭的當(dāng)前位置將被讀取(第一條紅線)，當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測到a%的初載荷變化(已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)，即初載荷的101%)時，就開始啟動附加載荷加載階段(第一條紫線)，因為這時加載框架載著載荷框架和砝碼組開始移動，這時計算機(jī)開始計算附加載荷架加載時間。加載框架繼續(xù)以第一個附加載荷加載速度下降直到第一設(shè)置百分?jǐn)?shù)，從第一個設(shè)置百分?jǐn)?shù)到第二個設(shè)置百分?jǐn)?shù)利用第二個附加載荷加載速度，然后用第二個附加載荷加載速度繼續(xù)下降(這兩個過程由兩條深藍(lán)色線定義)。

當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測到附加載荷已經(jīng)加載并且在設(shè)置允許范圍內(nèi)時，附加載荷加載階段結(jié)束(第二條紫線)，附件載荷保持階段開始。本階段的保持時間將由計算機(jī)的時鐘控制。

在這個階段加載框架還將繼續(xù)下降，以第二個附加載荷加載速度施加剩余的附加載荷，在附加載荷保持時間結(jié)束時停止下降(這兩個過程由第二對淺藍(lán)線定義)。在硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)中定義了附加載荷施加時間和保持時間的允許極限，而且也規(guī)定了附加載荷在最后加載階段的速度允許極限。

在此附加載荷保持階段，程序計算出已經(jīng)下降的距離，當(dāng)附加載荷保持時間快要結(jié)束時，加載框架開始上升(第三條黃線)，上升距離和下降距離相等，上升速度為附加載荷卸除速度。加載框架的上升逐漸使底部支撐靠近砝碼組，繼續(xù)上升一段行程后當(dāng)附加載荷卸除結(jié)束時，使砝碼組被抬升起來(第三條紫線)，此時的速度為附加載荷卸載速度。

當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測到附加載荷移動到公差范圍內(nèi)時，附加載荷卸除階段結(jié)束(第四條黃線)。然后進(jìn)行末次讀數(shù)等待階段，等待時間由計算機(jī)時鐘提供。

在此之后，加載框架繼續(xù)以卸載速度向上運動，然后停止(由第三條天藍(lán)線定義)。硬度試驗標(biāo)準(zhǔn)中定義了末次讀數(shù)等待階段持續(xù)時間允許極限。

在等待結(jié)束后，進(jìn)行壓頭位置的測量(第二條紅線)，然后加載框架開始以初載荷卸除速度向上運動，一直要運動到工作起始位置(第五條黃線)。此時如果工作限位開關(guān)處于激活狀態(tài)，加載框架將運動到工作位置上限位置。

2 經(jīng)驗與體會

基于激光干涉法測量的伽利略LTF 標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)使用方便，工作效率高，消除了因人為讀數(shù)而產(chǎn)生的測量誤差，有經(jīng)驗的檢定員和沒有經(jīng)驗的檢定員在測量同一個硬度壓痕時，兩者之間的測量誤差微乎其微。該型硬度機(jī)是根據(jù)基準(zhǔn)機(jī)的要求設(shè)計而成，具有較高的精度和良好的穩(wěn)定性，其中多普勒激光位移發(fā)射器可直接溯源到美國國家計量研究院，國際上很多發(fā)達(dá)國家都將該型硬度機(jī)作為本國家的硬度基準(zhǔn)機(jī)。

我們在進(jìn)行硬度塊的檢定/校準(zhǔn)工作時，如果對未經(jīng)打點的硬度塊進(jìn)行定度，則可充分利用硬度塊定位系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件中設(shè)定需要測量的點數(shù)和位置，系統(tǒng)將自動進(jìn)行測量，從而大大提高了工作效率。需要特別注意的是該型硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是通過空氣導(dǎo)軌垂直上下的運動來實現(xiàn)試驗力加載的，為防止空氣滑輪造成損害，在空氣滑輪工作之前必須確保壓縮空氣已經(jīng)供給到空氣滑輪。

3 結(jié)語

2000 年以后，國際硬度工作組每年都召開一次工作會議，討論洛氏硬度關(guān)鍵比對和其他硬度關(guān)鍵比對問題，以洛氏硬度校準(zhǔn)曲線為例，在歷次會議上，專家們對洛氏硬度關(guān)鍵比對進(jìn)行了討論，并一致認(rèn)為洛氏硬度關(guān)鍵比對中各國的差值主要是目前對洛氏硬度定義的不完善引起的。國際硬度工作組第7 次、第8次會議對洛氏硬度試驗C 標(biāo)尺所有參數(shù)重新進(jìn)行了定義。根據(jù)洛氏硬度標(biāo)尺的新定義，加荷過程中運動速度是不同的，傳統(tǒng)的基準(zhǔn)硬度機(jī)加荷方式則采用液壓系統(tǒng)，雖然加荷穩(wěn)定、振動小，但加荷速度不可調(diào)，另外，新定義中還要求對加卸荷從開始到結(jié)束全程需要對試驗力進(jìn)行監(jiān)測，并畫出相應(yīng)的曲線。

PHS DW 型布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)符合ISO 和ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中所有的硬度標(biāo)尺試驗，強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件還可以對檢定/校準(zhǔn)過程制定曲線圖，完全滿足國際硬度工作組對洛氏硬度標(biāo)尺新定義的相關(guān)要求。該型硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)落戶中國代表著我國硬度參數(shù)領(lǐng)域在國際上領(lǐng)先的地位，具有深遠(yuǎn)而重大的意義。

［1］意大利伽利略LTF 公司. PHS DW 型布洛維標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)使用說明書. 都靈:LTF 公司. 2010.

［2］意大利伽利略LTF 公司. 測量維氏、努氏、布氏硬度激光干涉測量系統(tǒng)用戶手冊. 都靈:LTF 公司. 2010.

［3］國防科工委科技與質(zhì)量司組織編寫. 力學(xué)計量(上冊)［M］. 北京:原子能出版社. 2002.