劉吉萍, 王敬濤, 崔園園, 曾利民

(1.中國計量科學(xué)研究院,北京 100029;2.萊州華銀試驗儀器有限公司,山東 萊州 261400;3.浙江省計量科學(xué)研究院,浙江 杭州 310018)

1 引 言

球壓痕硬度曾稱之為塑料球壓痕硬度,是從布氏硬度試驗方法演變而來,可以取代布氏硬度測量塑料等較軟材料的硬度[1],曾用H表示塑料球壓痕硬度符號,現(xiàn)國標(biāo)用HB表示球壓痕硬度符號[2]。

在塑料球壓痕硬度基準(zhǔn)中,只有H5/36.5這一個標(biāo)尺,開展量值傳遞范圍為70～170 H。基準(zhǔn)中的H5/36.5標(biāo)尺的擴展不定度U=2.5 H(k=3)[3], 用相對不確度表示Urel=1.0%(k=2)。

新研制的球壓痕硬度基準(zhǔn),具有全部標(biāo)尺,可在全硬度范圍:8.45～467.2 HB開展量值傳遞。所有標(biāo)尺的擴展不確定度均為Urel=1.0%(k=2)。

2 參數(shù)精度要求的確定

球壓痕硬度量值是由試驗力值F、球壓頭直徑D和測量壓痕深度h這3個量值的導(dǎo)出量,研制基準(zhǔn)裝置首先必須確定各個量值的精度要求。用分部法推導(dǎo)出各分量的權(quán)重再合成評估[4]。

依據(jù)球壓痕硬度試驗的定義[5]:在規(guī)定條件下,用直徑為φ5 mm的鋼球壓頭,用9.8 N初試驗力壓入試樣表面,保持初試驗力到達一定時間(5 s)后,標(biāo)記壓痕測量系統(tǒng)此時位置h1,再施加主試驗力,在總試驗力保持一定時間(30 s)后,測量鋼球壓入試樣深度h2。球壓痕硬度值HB是以總試驗力除以壓痕表面積的商表示:

(1)

式中:HB為球壓痕硬度符號,N/mm2;F為總試驗力,N; D為壓頭球直徑,mm; h為修正機架變形后的壓痕深度,h=h2-h1-h0,h0為常數(shù),表示機架變形量,mm; h1為初試驗力作用下的壓入深度,mm; h2為總試驗力作用下的壓入深度,mm。

為推導(dǎo)方便,令:L=h-0.04,式(1)變?yōu)?/p>

(2)

試驗力F、球直徑D和深度測量L彼此無關(guān),方差和傳播系數(shù)公式[6]為

(3)

其中:

(4)

(5)

(6)

由式(3)和式(2)可得到:

(7)

相對標(biāo)準(zhǔn)不確定為:

(8)

新研制基準(zhǔn)應(yīng)不低于塑料球壓痕基準(zhǔn)技術(shù)要求,則新基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(HB)應(yīng)滿足:

urel(HB)<0.5%,

(9)

(1) 試驗力F精度要求

球壓痕基準(zhǔn)的試驗力在49 ～961N范圍,小負(fù)荷布氏硬度的力值范圍也大致如此,布氏硬度基準(zhǔn)的各級試驗力F誤差絕對值要求在0.1%以內(nèi)[7]。

在新研制的基準(zhǔn)中達到試驗力精度要求是完全可行的,設(shè)計加工成本也不高,經(jīng)費上是可以接受的。

由試驗力F的誤差帶來的標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(F)(按均勻分布)為

(2) 球壓頭直徑D精度要求

在布氏硬度基準(zhǔn)中,有直徑為5mm的球壓頭,其直徑誤差要求為±0.004mm[8],即球直徑誤差 ±0.08%,選用此精度的球壓頭是可行的。

由球直徑D誤差帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(D)(按均勻分布)為

(3) 壓痕深度測量精度要求

由于L=h-0.04,且h=h2-h1-h0,得L=h2-h1-h0-0.04,與h2、h1相關(guān),

式中:ΔL為L的誤差,mm;Δh1為初試驗力作用下的壓入深度測量誤差,mm;Δh2為總試驗力作用下的壓入深度測量誤差,mm;γ為相關(guān)系數(shù)。

Δh1和Δh2是同一個長度計的測量誤差,均為Δh。考慮h1和h2的相關(guān)性,為更可信,取γ=1[9],得到:

按均勻分布折合成相對不確定度,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3398.1-2008規(guī)定,有效的球壓痕硬度試驗的壓痕深度最小為0.15 mm,按不確定度最大考慮,h取最小值為0.15 mm,則壓入深度測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

(10)

在總試驗力誤差的絕對值小于0.1%、球壓頭直徑誤差絕對值小于0.08%的條件下,只要能實現(xiàn)測量壓痕深度誤差絕對值小于0.000 4 mm就可以滿足新基準(zhǔn)的不確定度要求。

綜上所述,球壓痕硬度基準(zhǔn)裝置中的試驗力F的誤差絕對值ΔF、壓頭球直徑D的誤差絕對值ΔD和測量壓痕深度h的誤差絕對值Δh應(yīng)滿足:

(11)

3 球壓痕基準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

球壓痕基準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)如1所示。上部為壓痕深度測量傳感器和壓頭部分和工作臺;中部為砝碼部分;下部為電機傳動和整機底座部分。

圖1 整機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the whole machine

3.1 機械結(jié)構(gòu)

在49～961 N試驗力范圍,杠桿式、疊加式和靜重式等多種結(jié)構(gòu)都能實現(xiàn)試驗力0.1%的精度要求,力值最穩(wěn)定的當(dāng)屬靜重式結(jié)構(gòu)。借鑒了小負(fù)荷布氏硬度基準(zhǔn)裝置試驗力的靜重式結(jié)構(gòu)[10],球壓痕基準(zhǔn)試驗力部分采用了這一結(jié)構(gòu)。

靜重式試驗力原理:試驗力由質(zhì)量在重力場中產(chǎn)生。只要質(zhì)量不變,由質(zhì)量產(chǎn)生的試驗力就不變。

球壓痕基準(zhǔn)裝置采用了活動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),見圖2。由于不可避免存在機械加工誤差和質(zhì)量的不均勻性,施壓在主軸上的吊掛(砝碼)存在一個或幾個方位的力矩不平衡。只要吊掛(砝碼)不與外界發(fā)生刮擦,在重力作用下,活動關(guān)節(jié)會自動轉(zhuǎn)一個方位角度,使得各向方位力矩自動調(diào)節(jié)相等,達到新的平衡,從而確保由吊掛和砝碼質(zhì)量在重力場中產(chǎn)生的試驗力大小和方向不變。由于主軸需要導(dǎo)向,會有微小的摩擦力,此處與靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機有所不同[11]。

圖2(a)顯示沒有機械加工誤差且質(zhì)量均勻的理想狀態(tài)。

圖2(b)顯示雖有機械加工誤差或質(zhì)量不均勻,但能自動調(diào)節(jié)至平衡狀態(tài)。

圖2 試驗力結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of force

在設(shè)計加工中,對零件加工精度有嚴(yán)格的要求,實際的力矩不平衡需要自動調(diào)節(jié)的范圍很小,目視基本看不出來調(diào)節(jié)過程。

在主軸中還設(shè)計了試驗力施加的緩沖裝置,主試驗力不是一次性施加到硬度塊上,而是控制在一定時間內(nèi),主試驗力由0到全部逐漸地施加到硬度塊上,其作用是減小壓頭接觸硬度塊時的沖擊效能帶來的試驗力附加誤差[12,13]。

底座支撐采用3點改5點支撐方式。長方形底座4個角部位置各分別放置一個支撐座,在其中一個長邊中間位置再放置一個支撐座,共計5個支撐座。調(diào)整底座水平時,先將3個支撐座一側(cè)的2個端部支撐座暫時調(diào)整為懸空狀態(tài)。調(diào)節(jié)底座水平時只調(diào)節(jié)中間一個支撐座的和另一邊的2個支撐座,調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是保持所調(diào)節(jié)面中心高度不變。底座調(diào)整水平調(diào)整好后,保持底座上的水平儀不變,再調(diào)節(jié)2個尚處于懸空的支撐座,使之受力且水平儀的顯示保持不變,也可將中間支撐座適當(dāng)回調(diào)一點。保持水平狀態(tài),至少使4個角位置的支撐起作用。這種支撐調(diào)節(jié)方式不但調(diào)節(jié)非常方便,而且穩(wěn)定性還好。

3.2 壓痕深度測量

測量深度的硬度中,都會存在機架變形量和機架變形量的不確定度,計算硬度值時雖然可以扣除機架變形量,但變形量的不確定度無法扣除,相當(dāng)于增加了壓痕深深度的測量誤差。

德國HEIDENHAIN公司長度計MT 2571,其位置誤差測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 位置誤差測量結(jié)果Fig.3 Measuring results position error

由圖3可以看出:長度計在25 mm范圍的最大誤差為0.000 2 mm,且誤差曲線基本呈單調(diào)性,選用MT 2571是完全可以滿足要求的。在小負(fù)荷布氏硬度基準(zhǔn)研制中的壓痕測量系統(tǒng)中也采用了這種長度計。

采用布氏硬度壓痕測量[14]類似結(jié)構(gòu),由長度計直接測量主軸的位移量,測量結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓痕深度測量結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of theindentation depth measurement

從長度計位置誤差圖(圖3)中可以看出,長度計在20mm左右,位置誤差曲線最平坦,在此位置附近測量壓痕深度(h=h2-h1)應(yīng)是最理想的。

硬質(zhì)合金墊塊表面是經(jīng)過研磨的。硬質(zhì)合金具有不生銹和不變形的特點,研磨的平面與長度計前端球面確保實現(xiàn)單點接觸。

長度計測量主軸位移會存在一個余弦誤差,用量塊可以方便測量出修正值[15]。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

以抗干擾能力強的可編程控制器(PLC)和觸摸屏(HMI)為中心,控制伺服驅(qū)動器實現(xiàn)試驗力自動的加載、保持和卸載。4個繼電器控制2個小電機傳動和停止,實現(xiàn)變換不同的主試驗力?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of control system

3.4 控制軟件

控制軟件流程[16～19]如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow diagram

3.4.1 選擇試驗力部分程序

在HMI中,設(shè)置試驗力選擇按鈕,輸出屬性設(shè)置按1松0(即按住時為1,松開后自動為0)。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸單元后入為主原則,將最后選擇的試驗力數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲單元D460、相應(yīng)的機架變形量數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲單元D560,且能自動傳輸?shù)綌?shù)據(jù)功能塊中參與數(shù)據(jù)處理等。

PLC主試驗力選擇部分軟件梯形圖如圖7所示。

圖7 試驗力選擇軟件Fig.7 Force choice software

3.4.2 試驗力施加和卸除程序

在HMI上按測試按鈕,自動完成初試驗力施加、保持、主試驗力施加、保持和卸除,在HMI中顯示測量結(jié)果,梯形圖軟件如圖8所示,圖中W0.00～W0.05是PLC中內(nèi)部輔助中間繼電器。

圖8 步進控制軟件Fig.8 Step by step control software

采用經(jīng)典的歩進控制方法。在HMI上按下開始按鈕,發(fā)出測試指令,PLC中的300.10為1,轉(zhuǎn)入下一步;W0.00為1,伺服控制器發(fā)5 000個脈沖,待脈沖發(fā)完后,PLC中A280.03為1,初試驗力加載到位后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.01為1,初試驗力保持(電機停)并計時開始,保持時間到后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.02為1,施加主試驗力(電機正轉(zhuǎn)),到位后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.03為1全試驗力開始保持(電機停)并計時開始;全試驗力保持時間到后,采集壓入深度數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)入下一步;W0.05為1(電機反轉(zhuǎn)),復(fù)位至零位后,轉(zhuǎn)入下一步;等待下次的測試指令。

W0.00為間斷模式發(fā)脈沖控制伺服電機轉(zhuǎn)動規(guī)定的圈數(shù),使得托盤移動規(guī)定位移,實現(xiàn)初試驗力加載;

W0.01和W0.04控制時間繼電器,實現(xiàn)初試驗力保持時間和全試驗力保持時間;

W0.02、W0.03和W0.05分別連續(xù)模式控制伺服電機正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn),實現(xiàn)主試驗力施加、全試驗力保持和卸載復(fù)位。

3.4.3 量值溯源的程序設(shè)計

球壓痕基準(zhǔn)量值溯源就是應(yīng)能方便準(zhǔn)確測量基準(zhǔn)中的初試驗力、全試驗力和校準(zhǔn)長度計。

(1) 測量初試驗力。由于初試驗力與全試驗力相差較大,需要用不同量程的測力傳感器分別測量。這樣就要求測量完初試驗力后,不得再施加主試驗力,而是要返回原點,否則有可能使測量初試驗力的傳感器因超負(fù)荷而損壞。為此在PLC和HMI中設(shè)置了軟斷點A,當(dāng)斷點A處于0態(tài),控制程序?qū)崿F(xiàn)了施加初試驗力后停止,停止時間任意可控,且不再施加主試驗力,而是待發(fā)出返回指令后直接返回原點。正常工作時使斷點A處于1態(tài),則自動實現(xiàn)試驗過程自動化。

(2) 測量全試驗力和校準(zhǔn)長度計。在施加全試驗力位置,即在壓頭壓入標(biāo)準(zhǔn)塊位置測量全試驗力和校準(zhǔn)長度計,才是最接近實際工作位置。為此在PLC和HMI中設(shè)置了軟斷點B,測量全試驗力和校準(zhǔn)長度計時,使斷點B處于0態(tài),全試驗力在此位置處于保持狀態(tài),不會自動轉(zhuǎn)入下一動作,可以多次、長時間測量全試驗力和校準(zhǔn)長度計。正常工作時,使斷點B處1態(tài)即可,斷點不再起作用。

3.4.4 運行可靠性的設(shè)計

軟件設(shè)置了開機自動檢測功能,開機時若檢測到基準(zhǔn)不在初始狀態(tài),則自動執(zhí)行僅一個周期的復(fù)位功能,可將任意不在初始狀態(tài)一律復(fù)位至初始狀態(tài)。

基準(zhǔn)中重要位置設(shè)計了限位和極限限位的雙重保護。在異常情況限位保護起作用時,可報警且能接受人為指令僅執(zhí)行反向運動。在極特殊情況,限位保護也失靈時,極限保護才會起作用。極限保護將采用斷電方式且不接受任何指令,確保不會再有任何動作。只有排除故障后,手動調(diào)整機械部分(大多情況需要拆卸傳動部分零件)至正常范圍,控制部分才能恢復(fù)正常功能。軟件中還設(shè)計了2個砝碼支撐轉(zhuǎn)腳位置互聯(lián)互鎖和與主電機的聯(lián)鎖互動功能,確保加、卸試驗力時,砝碼與托盤處于相互正常位置關(guān)系。

在HMI中設(shè)計了顯示各個限位狀態(tài)、斷點A和斷點B的狀態(tài),監(jiān)控動作過程,便于及時發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障。

4 不確定度評定及測量數(shù)據(jù)驗證

4.1 不確定度評定

試驗力和球壓頭誤差絕對值均小于0.1%和0.08%。壓痕深度最小為0.15 mm。壓痕深度測量(含機架變形量的不確定度)誤差Δh=0.000 4 mm(按均勻分布),由式(10)得到:

urel(L)=0.004 2

按式(8)得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

ucrel(HB)=0.43%

擴展不確定度

Urel(HB)=kucrel(HB)≈1.0% (k=2)

數(shù)據(jù)表明:研制的球壓痕硬度基準(zhǔn)裝置達到了JJG2091-1995《塑料球壓痕計量器具》的規(guī)定要求。

4.2 硬度值旁證測試

在一個硬度塊上,研制基準(zhǔn)和旁證硬度計分別測試3個點硬度,分別計算測量結(jié)果和不確定度,采用歸一化偏差En作為評定旁證結(jié)果[20],測試結(jié)果見表1。

表1 旁證測量結(jié)果Tab.1 Result of circumstantial measurement

由表1可見,En<1,取得了滿意的測量結(jié)果。

4.3 穩(wěn)定性考核

4.3.1 重復(fù)性考核測量結(jié)果

在一個硬度塊中,3.5 h內(nèi)以所研制基準(zhǔn)測試完成所有測試點,用歸一化偏差En評價重復(fù)性,測試結(jié)果見表2。

表2 重復(fù)性考核測量結(jié)果Tab.2 Repetitive assessment result

由表2可見En<1,取得了滿意的測量結(jié)果。

4.3.2 穩(wěn)定性考核測量結(jié)果

在一個硬度塊上基準(zhǔn)間隔一個月測量一次,用歸一化偏差En評價穩(wěn)定性,測量結(jié)果見表3。

由表3可見,En<1,取得了滿意的測量結(jié)果。

表3 穩(wěn)定性考核測量結(jié)果Tab.3 Stability assessment result

5 結(jié)束語

研制的球壓痕硬度基準(zhǔn)裝置擴展不確定度Urel=1.0%(k=2),優(yōu)于JJG2019-1995《塑料球壓痕計量器具》的規(guī)定要求;重復(fù)性和穩(wěn)定性的考核均取得滿意測量結(jié)果。待《球壓痕硬度量值傳遞框圖》修訂后,將統(tǒng)一規(guī)范名詞術(shù)語,盡快開展量值溯源傳遞工作。

注:以第1次測量的平均值作參考值,其余第2、3、4、5、6和7次測量結(jié)果作為穩(wěn)定性考核值。