金京 伍玲 / 武漢市計量測試檢定研究所

0 引言

金屬材料沖擊試驗對于沖擊試樣的缺口要求嚴格，缺口的細微變化都可能引起試驗結(jié)果出現(xiàn)偏差。為保證加工出的沖擊試樣缺口符合國標(biāo)，檢驗缺口的加工質(zhì)量是一個重要的控制方法。隨著國內(nèi)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)越來越多的行業(yè)諸如鍋爐壓力容器、冶金和機械等已普遍采用夏比V形缺口沖擊試驗。沖擊試樣缺口投影儀是根據(jù)目前國內(nèi)大部分用戶的實際需求以及國標(biāo)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中對沖擊試樣缺口的要求而設(shè)計開發(fā)的一種專用于檢查夏比V形（深2 mm）和U形（深2 mm）沖擊試樣缺口加工質(zhì)量的光學(xué)儀器，是廣大冶金、鍋爐壓力容器、車船和工程機械制造及科研等部門實驗室的必備專用設(shè)備。而其中標(biāo)準比對樣板V形、U形缺口圓弧半徑則是沖擊試樣缺口投影儀的主要計量參數(shù)，需要做計量特性的要求和進行量值溯源。但是，目前國內(nèi)尚無沖擊試樣缺口投影儀的校準方法。行業(yè)相關(guān)企業(yè)需要做好內(nèi)部質(zhì)量控制，確保設(shè)備正常工作狀態(tài)，確保產(chǎn)品符合國家標(biāo)準要求，同時面對企業(yè)客戶的考核和評審需求，以及監(jiān)管評審等，制定與之對應(yīng)的校準規(guī)范或是詳盡的校準方法，開展相應(yīng)的計量校準工作，有利于保證此類設(shè)備的量值準確。

1 概述及要求

沖擊試樣缺口投影儀是一種專用于檢查夏比V形和U形沖擊試樣缺口加工質(zhì)量的專用光學(xué)儀器，主要由標(biāo)準比對樣板、投影屏、光學(xué)投影系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成。通過發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡照射到?jīng)_擊試樣上，再經(jīng)物鏡將沖擊試樣缺口放大50倍后的輪廓投射在標(biāo)準比對樣板投影屏上，與標(biāo)準比對樣板進行比對，以確定被檢測的沖擊試樣缺口加工是否合格。沖擊試樣缺口投影儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，投影屏上的標(biāo)準比對樣板如圖2所示。

圖1 沖擊試樣缺口投影儀

圖2 標(biāo)準比對樣板

1）標(biāo)準比對樣板V形缺口圓弧

標(biāo)準比對樣板圖V形缺口圓弧半徑標(biāo)注值為0.225 mm、0.25 mm、0.275 mm，標(biāo)稱值為11.25 mm、12.5 mm、13.75 mm，根據(jù) GB/T 229-2007 對缺口根部半徑尺寸與偏差的要求，制定沖擊試樣缺口投影儀標(biāo)準比對樣板V形缺口圓弧半徑最大允許誤差為±0.25 mm。

2）標(biāo)準比對樣板U形缺口圓弧

標(biāo)準比對樣板上U型缺口圓弧半徑標(biāo)注值為0.93 mm、1 mm、1.07 mm，標(biāo)稱值為 46.5 mm、50 mm、53.5 mm，根據(jù)GB/T 229-2007對缺口根部半徑尺寸與偏差的要求，制定沖擊試樣缺口投影儀標(biāo)準比對樣板U形缺口圓弧半徑最大允許誤差為±0.7 mm。

2 校準條件及校準用標(biāo)準器

校準時溫度為（20±5）℃；濕度為≤75%RH；不得有影響校準結(jié)果的振動或其他干擾源。

校準用標(biāo)準器為萬能工具顯微鏡，示值MPEV：（1 +L/100）μm；L為被測長度（mm）。也可采用滿足測量不確定度要求的其他測量設(shè)備進行校準。

3 標(biāo)準比對樣板V形缺口圓弧半徑校準方法

將標(biāo)準比對樣板放置于萬能工具顯微鏡的工作臺面上，調(diào)整儀器，選擇適當(dāng)放大倍數(shù)的物鏡，能從萬能工具顯微鏡目鏡視場中觀察到清晰的V形缺口輪廓。調(diào)整萬能工具顯微鏡工作臺，使主顯微鏡十字水平分度線與缺口底部水平線對齊。分別對三段半徑不同的圓弧進行測量，每段圓弧分別測量弓高和弦長，在選擇弦長時盡可能選取弦長的最大值來進行測量，然后按式（1）分別計算出每段不同圓弧的半徑值即為校準結(jié)果：

式中：Ri——被測缺口圓弧半徑值；

Hi——被測缺口圓弧弓高測得值；

Di——被測缺口圓弧弦長測得值

4 標(biāo)準比對樣板U形缺口圓弧半徑校準方法

從萬能工具顯微鏡目鏡視場中觀察到清晰的U形缺口輪廓。分別對三段半徑不同的圓弧進行測量，每段圓弧分別測量弓高和弦長，在選擇弦長時盡可能選取弦長的最大值來進行測量，然后按式（1）分別計算出每段不同圓弧的半徑值即為校準結(jié)果。

5 測量不確定度分析

5.1 測量任務(wù)

用萬能工具顯微鏡測量沖擊試樣缺口投影儀標(biāo)準比對樣板標(biāo)注半徑為1 mm，實際半徑為50 mm的U形缺口圓弧半徑。

5.2 目標(biāo)不確定度

根據(jù)JJF 1094-2002《測量儀器特性評定》中5.3.1.4規(guī)定，擴展不確定度U（k= 2）與其最大允許誤差的絕對值MPEV之比，應(yīng)小于或等于1∶3，即

依據(jù)校準方法，U形缺口圓弧半徑MPEV=±0.7 mm，將其代入式（2）中，得到與之對應(yīng)的目標(biāo)不確定度UT= 0.24 mm。

5.3 不確定度傳播公式

5.4 標(biāo)準不確定度評定

1）弦長測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1(Di)：選取放大后半徑為50 mm的U形缺口圓弧，在重復(fù)性條件下分別連續(xù)測量10次，其弓高和弦長測得數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量數(shù)據(jù)

依據(jù)表1，弦長測量重復(fù)性引入的標(biāo)準不確定度分量u1(Di)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可得：u1(Di) = 2.8 μm

2）弓高測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1(Hi)：依據(jù)表1，弓高測量重復(fù)性引入的標(biāo)準不確定度分量u1(Hi)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)可得：u1(Hi) = 4.8 μm

3）標(biāo)準器分辨力引入的不確定度分量u2：萬能工具顯微鏡分辨力為0.2 μm，區(qū)間半寬為0.1 μm，服從均勻分布 ，可得：u2= 0.06 μm

重復(fù)性引入的標(biāo)準不確定度分量和標(biāo)準器分辨力引入的標(biāo)準不確定分量，取結(jié)果較大者，則u2舍去。

4）標(biāo)準器誤差引入的不確定度分量u(B)：萬能工具顯微鏡示值MPEV：（1 +L/100）μm；L為被測長度（mm），取L最大值100 mm時，在半寬為2.0 μm區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，測弓高和弦長時，引入 2 次，可得：

5）溫度差引入的不確定分量u(Δt)：測量環(huán)境溫度條件為（20±5）℃，被測件材料為玻璃，其線膨脹系數(shù)α= 10×10-6℃-1，被測行程L最大取 100 mm，服從均勻分布，可得：u(Δt) = 2.89 μm

6）線膨脹系數(shù)差引入的不確定分量u(Δα)：實驗環(huán)境溫度取最大偏離t= 5 ℃，測件材料為玻璃，其線膨脹系數(shù)α1= 10×10-6℃-1，而標(biāo)準器金屬線膨脹系數(shù)為α2= 11.5×10-6℃-1，被測行程L最大取100 mm，服從均勻分布，可得：

5.5 標(biāo)準不確定度一覽表

沖擊試樣缺口投影儀圓弧半徑的測量不確定度來源與數(shù)值匯總于表2。

表2 標(biāo)準不確定度一覽表

5.6 合成標(biāo)準不確定度

5.7 擴展不確定度

取包含因子k= 2，則U=kuc= 13.1 μm ≈ 0.02 mm

5.8 不確定度計算討論

通過上述不確定度計算表明，U= 0.02 mm ＜UT（0.24 mm），目標(biāo)不確定度合格判據(jù)U≤UT得到滿足。

6 結(jié)語

沖擊試樣缺口投影儀利用光學(xué)投影方法將被測的沖擊試樣V形或U形缺口與標(biāo)準比對樣板比對，以確定被檢測的沖擊試樣缺口加工是否合格。因此，沖擊試樣缺口投影儀標(biāo)準比對樣板缺口半徑檢測的準確性，顯得尤為重要。本文通過對沖擊試樣缺口投影儀的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準比對樣板V形、U形缺口圓弧半徑技術(shù)要求的分析，研究選用沖擊試樣缺口投影儀標(biāo)準比對樣板缺口半徑的測量標(biāo)準設(shè)備，給出的校準方法，一定程度上規(guī)范了沖擊試樣缺口投影儀在實際計量校準過程中的操作問題。