石偉，陶繼增，王麗，李金穎，徐明

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

國際洛氏硬度新定義標(biāo)準(zhǔn)草案對改善洛氏硬度試驗(yàn)C 標(biāo)尺定義中所有參數(shù)進(jìn)行了初步確定，通過完善定義和參數(shù)的準(zhǔn)確控制，要求施加主試驗(yàn)力時(shí)的速度應(yīng)可調(diào)節(jié)，特別增加了試驗(yàn)過程中間環(huán)節(jié)控制的參數(shù)控制描繪曲線，來減小各國間洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)測量的差異，提高量值傳遞的整體水平。據(jù)此，本文重點(diǎn)介紹了課題最新研究成果——智能加載激光洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1 研究背景

近年來，國際間一直致力于“在世界范圍內(nèi)統(tǒng)一洛氏硬度標(biāo)尺”的工作，并進(jìn)行了多次關(guān)鍵比對，但比對結(jié)果始終存在著一定的差異。其差異主要來源于現(xiàn)有洛氏硬度定義的不完善和不準(zhǔn)確，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1)定義不完善

洛氏硬度是個(gè)試驗(yàn)量，試驗(yàn)過程相對復(fù)雜，且對測量結(jié)果的影響直接而重要。如加初、主試驗(yàn)力的準(zhǔn)確性，加卸試驗(yàn)力速度的快慢，保荷時(shí)間的長短，壓頭幾何尺寸的控制等都是影響試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的主要因素，且各因素之間的影響關(guān)系錯(cuò)綜交互，難以獨(dú)立評(píng)價(jià)。由于現(xiàn)定義中沒有對試驗(yàn)過程的監(jiān)控要求，因此問題的發(fā)現(xiàn)只能依賴于結(jié)果的反應(yīng)，且無法評(píng)判定位、確診癥因。

2)定義不準(zhǔn)確

針對洛氏硬度試驗(yàn)過程中的參數(shù)要求，在試驗(yàn)力、時(shí)間及壓頭等幾個(gè)主要參數(shù)方面的定義都顯得較為寬泛，控制力度較弱，這造成測量結(jié)果的較大差異。因此，必須從計(jì)量學(xué)的角度，對洛氏硬度進(jìn)行新的嚴(yán)格定義，并且加強(qiáng)試驗(yàn)方法中的參數(shù)中間環(huán)節(jié)控制。通過完善定義和參數(shù)的準(zhǔn)確控制來減小各國間洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)測量的差別，從而提高量值傳遞的整體水平，并最終形成了國際洛氏硬度新定義的標(biāo)準(zhǔn)草案，其對HRC 的參數(shù)定義如表1所示。

表1 HRC 的參數(shù)定義

表1 中帶* 的部分是與現(xiàn)定義有變化的地方。其中試驗(yàn)力現(xiàn)定義為98.07 N 和1471 N，總試驗(yàn)力的保持時(shí)間為4 ～6 s，讀數(shù)時(shí)間為3 ～5 s。新定義要求更為精確嚴(yán)格。其余變化的內(nèi)容為新定義草案中新增的要求?？梢?，新定義要求施加主試驗(yàn)力時(shí)速度應(yīng)可調(diào)，即在壓頭接近試驗(yàn)面時(shí)，速度應(yīng)緩慢變更至30 μm ·s-1，用于減少速度的沖擊影響。

圖1 為試驗(yàn)過程中各個(gè)時(shí)間、速度與試驗(yàn)力定義的關(guān)系圖。

圖1 試驗(yàn)過程參數(shù)控制曲線圖

圖1 為新定義中新增的核心內(nèi)容，是對現(xiàn)有洛氏硬度定義的重大革新，首次體現(xiàn)出了硬度試驗(yàn)智能加載的概念，實(shí)現(xiàn)了從過程控制角度對洛氏硬度進(jìn)行全新的定義規(guī)范，使得定義更加準(zhǔn)確完整有效。根據(jù)圖1不僅可以明晰各參數(shù)的具體含義，通過智能化加載實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)力的自動(dòng)判控及加載過程的實(shí)時(shí)跟蹤反饋，為測量結(jié)果提供準(zhǔn)確而有效的評(píng)判依據(jù)，而且通過各參數(shù)的精確控制，可大大提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)課題任務(wù)書的技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合國際洛氏硬度新定義的要求及對各參數(shù)的具體規(guī)定，設(shè)計(jì)洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)裝置的總體方案示意圖如圖2所示。

圖2 總體方案示意圖

本裝置設(shè)計(jì)思路主要包括兩部分內(nèi)容:一是智能力加載系統(tǒng)采用電機(jī)帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)砝碼起落的方式進(jìn)行試驗(yàn)力的加卸，獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)力值，并將整個(gè)施力過程通過高精度力傳感器進(jìn)行監(jiān)控并反饋，全程實(shí)現(xiàn)智能化控制;二是壓痕深度測量裝置由安裝在主軸上方的激光邁克爾遜外差式干涉系統(tǒng)跟隨主軸的位移實(shí)時(shí)測量壓痕的深度。整個(gè)裝置全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3 裝置介紹

3.1 總體結(jié)構(gòu)

本裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，外觀如圖4所示。其工作原理為開始工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)、滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲母向下作直線運(yùn)動(dòng)，其上的小吊掛及連接件等重量加載到主軸上，實(shí)現(xiàn)初負(fù)荷的加載;絲母繼續(xù)向下作直線運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)控制變荷電機(jī)組脫開第一級(jí)砝碼，大吊掛及其連接件、第一級(jí)砝碼等重量加載到主軸上，實(shí)現(xiàn)第一級(jí)加載;絲母繼續(xù)向下作直線運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)控制變荷電機(jī)組脫開第二級(jí)砝碼，第二級(jí)砝碼加載到主軸上，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)加載。整個(gè)加載過程的加載速度通過傳感器對加載力值的反饋來實(shí)現(xiàn)。

圖3 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 裝置外觀圖

3.2 控制系統(tǒng)

裝置的控制原理圖如圖5所示。

圖5 控制原理框圖

激光干涉儀實(shí)時(shí)測量洛氏硬度試驗(yàn)中壓痕深度隨加載時(shí)間的位移變化量;砝碼轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)用于完成試驗(yàn)砝碼的自動(dòng)變換;狀態(tài)線用于檢測洛氏硬度試驗(yàn)過程中主軸不同的位置狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)判斷洛氏硬度試驗(yàn)所處的進(jìn)程;力傳感器用于檢測試驗(yàn)過程中力值的變化，并根據(jù)傳感器的信號(hào)控制電機(jī)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度;伺服電機(jī)用于帶動(dòng)主軸完成洛氏硬度試驗(yàn)力值的加荷與卸載。

3.3 激光壓痕深度測量系統(tǒng)

激光壓痕深度測量系統(tǒng)采用雙頻外差激光干涉儀測量原理，系統(tǒng)方案原理如圖6所示。雙頻測長激光干涉儀將光學(xué)頭和解調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，以平面鏡作為測量合作目標(biāo)，直接輸出位移的數(shù)字信號(hào)給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)采集環(huán)境溫濕度和空氣壓力，通過軟件自動(dòng)對位移進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，直接顯示位移測量結(jié)果，并可給出位移的實(shí)時(shí)曲線。速度解調(diào)系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，作為系統(tǒng)功能的擴(kuò)充，可直接獲得速度結(jié)果輸出(模擬信號(hào))。

圖6 雙頻外差激光干涉儀系統(tǒng)方案圖

4 裝置分系統(tǒng)性能校準(zhǔn)

裝置完成后，為確保裝置的性能滿足國際洛氏硬度新定義的要求，首先對最為關(guān)鍵的力值加載和壓痕測量兩大系統(tǒng)進(jìn)行性能校準(zhǔn)，并獲得了理想的結(jié)果。

4.1 力加載曲線的校準(zhǔn)

力值曲線的校準(zhǔn)為在控制程序運(yùn)行后，系統(tǒng)自動(dòng)完成對應(yīng)的洛氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)除自動(dòng)計(jì)算洛氏硬度試驗(yàn)相關(guān)的指標(biāo)外，還將試驗(yàn)力隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，圖7 例為150 kgf 試驗(yàn)力隨時(shí)間變化的曲線圖，其中初負(fù)荷加載時(shí)間小于4 s，主負(fù)荷加載時(shí)間小于6.5 s，主負(fù)荷保持時(shí)間5 s，主負(fù)荷卸載時(shí)間小于5 s，滿足國際洛氏硬度新定義規(guī)定的指標(biāo)要求。

圖7 150 kgf 力加載曲線

4.2 壓痕深度測量曲線的校準(zhǔn)

深度曲線的校準(zhǔn)為在控制程序運(yùn)行后，系統(tǒng)自動(dòng)完成對應(yīng)的洛氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)除自動(dòng)計(jì)算洛氏硬度試驗(yàn)相關(guān)的指標(biāo)外，還將壓痕深度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，圖8 例為150 kgf 壓痕深度隨時(shí)間變化的曲線圖，其曲線形狀與國際洛氏硬度新定義規(guī)定的曲線一致。

圖8 150 kgf 壓痕深度曲線

4.3 校準(zhǔn)結(jié)論

通過力加載系統(tǒng)及壓痕深度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，獲得了與新定義一致的試驗(yàn)曲線，分別達(dá)到了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，為裝置整體性能試驗(yàn)及指標(biāo)驗(yàn)證工作提供了最佳狀態(tài)。

5 裝置的指標(biāo)驗(yàn)證及示值比對

為了驗(yàn)證研制裝置的性能指標(biāo)，主要進(jìn)行了試驗(yàn)力檢定、壓痕深度測量裝置檢定、重復(fù)性和示值比對等幾項(xiàng)最為關(guān)鍵的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

5.1 試驗(yàn)力的檢定

試驗(yàn)力檢定采用HBM 公司生產(chǎn)的TopZ30A、準(zhǔn)確度為0.02 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)測力儀對各級(jí)試驗(yàn)力進(jìn)行了檢定，表2 給出了部分檢定結(jié)果。

表2 試驗(yàn)力檢定結(jié)果

由試驗(yàn)力檢定結(jié)果可以看出，初試驗(yàn)力誤差最大為+0.05%，總試驗(yàn)力誤差最大為+0.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國際洛氏硬度新定義中試驗(yàn)力±0.1%的技術(shù)指標(biāo)要求。

5.2 壓痕深度測量裝置的檢定

壓痕深度測量裝置的檢定采用Galileo 公司生產(chǎn)的專用壓痕深度測量檢具對各位移行程進(jìn)行了檢定，表3給出了部分壓痕深度測量裝置的檢定結(jié)果。

表3 壓痕深度測量裝置檢定結(jié)果 μm

由壓痕深度測量裝置檢定結(jié)果可以看出，各位置點(diǎn)的最大誤差為-0.20 μm，全部小于等于國際洛氏硬度新定義中規(guī)定的最大允許誤差±0.2 μm 的指標(biāo)要求。

5.3 裝置重復(fù)性檢定

裝置重復(fù)性檢定采用比對洛氏硬度塊(溯源到國家基準(zhǔn))在小區(qū)域范圍內(nèi)對裝置的示值檢定10 次，排除硬度塊均勻性帶來的影響，以考核裝置的重復(fù)性，表4給出了裝置重復(fù)性檢定結(jié)果。

由裝置重復(fù)性檢定結(jié)果可以看出，其標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=0.1 HR，重復(fù)性試驗(yàn)較為理想。

表4 裝置重復(fù)性檢定結(jié)果

5.4 示值比對

裝置示值比對采用比對洛氏硬度塊(溯源到國家基準(zhǔn))對裝置的示值進(jìn)行比對，表5 給出了部分示值比對結(jié)果。由裝置示值比對結(jié)果可看出:其比對數(shù)據(jù)與國家基準(zhǔn)提供的標(biāo)準(zhǔn)值的差值均在±0.12HR 以內(nèi)，根據(jù)國際通用比對規(guī)則，計(jì)算En 數(shù)的絕對值全部小于1，結(jié)果滿意。

表5 裝置示值比對結(jié)果

5.5 旁證試驗(yàn)

本裝置與國家基準(zhǔn)比對之后，又與最新引進(jìn)并溯源到美國NIST 的美標(biāo)(ASTM E18-14)硬度塊進(jìn)行了比對試驗(yàn)，部分比對數(shù)據(jù)如表6所示。

通過與美標(biāo)硬度塊比對結(jié)果可看出:其比對數(shù)據(jù)與NIST 提供的測量值的差值均在±0.25HR 以內(nèi)，根據(jù)國際通用比對規(guī)則，計(jì)算En 數(shù)的絕對值全部小于1，結(jié)果滿意。

表6 與美國硬度塊比對結(jié)果

5.6 穩(wěn)定性試驗(yàn)

本裝置與國內(nèi)國際的最高權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行比對試驗(yàn)后，我們又利用國防洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)保存的長穩(wěn)比對洛氏硬度塊進(jìn)行了裝置的穩(wěn)定性試驗(yàn)。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:該裝置歷時(shí)23 個(gè)月的穩(wěn)定性差值都在±0.19HR 以內(nèi)，結(jié)果較為理想。

6 結(jié)束語

智能加載激光洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)表明了裝置的先進(jìn)性和可靠性，其創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:首次采用滾珠花鍵的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行主軸導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)了力值的準(zhǔn)確、穩(wěn)定加載;采用旋轉(zhuǎn)電磁鐵進(jìn)行變荷機(jī)構(gòu)的控制，實(shí)現(xiàn)了砝碼的自動(dòng)、可靠變換;首次采用電機(jī)結(jié)合砝碼的方式進(jìn)行力值的智能加載控制，獲得了與國際洛氏硬度新定義要求一致的力值加載控制曲線;首次采用激光外差式干涉原理進(jìn)行壓痕深度的非接觸測量，實(shí)現(xiàn)洛氏硬度壓痕深度的高精度測量。本裝置采用最新的力值加載技術(shù)和激光壓痕測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了洛氏硬度新定義各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的最新突破，其裝置不確定度達(dá)到U=0.2HR(k=2)，將國內(nèi)洛氏硬度裝置的技術(shù)水平提升了一個(gè)新的高度，而且對其它硬度裝置的設(shè)計(jì)和研制具有很好的借鑒價(jià)值。

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［3］Proceedings of IMEKO 2010:TC3，TC5，TC22 Conferences［C］.

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