/上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

量塊是具有一對(duì)相互平行測(cè)量面的實(shí)物量具，其長度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于長度量值的傳遞或溯源。大多數(shù)量塊選用較為穩(wěn)定耐用的軸承鋼作為材料，也有選用陶瓷這類熱膨脹系數(shù)極小的材料來制作的。方形量塊是近年出現(xiàn)在市場(chǎng)上的一種有別于傳統(tǒng)截面尺寸 9 mm×30 mm 或 9 mm×35 mm 規(guī)格的量塊，其測(cè)量面規(guī)格為正方形，正中央存在鎖緊孔，必要時(shí)可在量塊研合后使用鎖緊螺釘使研合更穩(wěn)固，組合量塊比較測(cè)量更方便。

量塊分為1、2、3、4、5等和K、0、1、2、3級(jí)[1]，對(duì)于量塊等級(jí)必須達(dá)到的平面度、粗糙度、長度極限偏差等都進(jìn)行了定義，但由于方形量塊部分計(jì)量性能要求發(fā)生了改變，因此對(duì)方形量塊校檢項(xiàng)目與方法的探討具有一定的意義。

1 方形量塊的檢定項(xiàng)目、主要設(shè)備

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格量塊在檢定過程中，對(duì)平面度、粗糙度、研合性等項(xiàng)目都有一定的要求，而方形量塊由于存在鎖緊孔，因此需要額外對(duì)孔的直徑、圓度、位置及粗糙度等設(shè)置計(jì)量性能要求。孔的直徑、圓度及位置可使用萬能工具顯微鏡或影像儀進(jìn)行檢定，孔對(duì)測(cè)量面和側(cè)面之間垂直度、平行度和倒棱尺寸等可按側(cè)邊的檢定方法進(jìn)行檢定。而孔的同軸度根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量儀可測(cè)孔最大深度，對(duì)于標(biāo)稱值小于50 mm的方形量塊可使用三坐標(biāo)測(cè)量儀進(jìn)行檢定[2]，標(biāo)稱值大于50 mm的方形量塊則適合使用工業(yè)CT進(jìn)行掃描檢定，可對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行有效的控制[3]。

綜上，方形量塊具體需要檢定的項(xiàng)目見表1。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格量塊后續(xù)須對(duì)外觀、測(cè)量面的研合性、量塊長度、量塊長度變動(dòng)量以及長度穩(wěn)定度等項(xiàng)目進(jìn)行檢定，而方形量塊由于存在鎖緊孔，測(cè)量區(qū)域與普通量塊相比自由度更大，因此，需要額外對(duì)測(cè)量面的平面度進(jìn)行控制。

2 適用于方形量塊中心長度檢定項(xiàng)目

量塊中心長度的定義為對(duì)應(yīng)于量塊未研合測(cè)量面中心點(diǎn)的量塊長度。而方形量塊橫截面無法形成完整矩形，量塊中心點(diǎn)的中心長度由于橫截面中間存在的鎖緊孔而無法測(cè)量，因此，需要重新定位方形量塊測(cè)量面的中心點(diǎn)位置及對(duì)應(yīng)的量塊中心長度校檢方法。

2.1 方形量塊的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)

當(dāng)方形量塊放置于檢定裝置工作臺(tái)上時(shí)，為了更清楚地觀察量塊的標(biāo)稱尺寸標(biāo)注，可以將數(shù)碼字正對(duì)觀察者方向放置的狀態(tài)作為方形量塊校檢時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)。

2.2 方形量塊的中心長度檢定方法

由于方形量塊測(cè)量面中心存在鎖緊孔，使得測(cè)量區(qū)域間的自由度較大，因此，可以選擇對(duì)方形量塊分區(qū)域分別測(cè)量中心長度。如圖1所示，按軸線分區(qū)域作為四個(gè)測(cè)量面區(qū)域并以數(shù)碼字位置進(jìn)行定位，定義A、B、C、D，測(cè)量量塊中心長度后按相對(duì)應(yīng)位置分別記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在量塊做比較測(cè)量過程前，先將標(biāo)準(zhǔn)量塊與被測(cè)方形量塊放置在比較儀的工作臺(tái)上等溫足夠長的時(shí)間。測(cè)量時(shí)，測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)量塊中心，撥叉數(shù)次，示值穩(wěn)定后調(diào)零，再把被測(cè)方形量塊移至測(cè)頭下方，測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)四個(gè)測(cè)量區(qū)域的中心點(diǎn)后，撥叉數(shù)次，待示值穩(wěn)定后分別讀取并記錄長度偏差與對(duì)應(yīng)的測(cè)量位置。

表1 方形量塊檢定項(xiàng)目及主要設(shè)備

圖1 方形量塊按軸線劃分測(cè)量面區(qū)域定義測(cè)量中心長度

對(duì)方形量塊分區(qū)域分別測(cè)量中心長度的優(yōu)點(diǎn)在于：1）在使用時(shí)可以獲得準(zhǔn)確度更高的中心長度[4]；2）可對(duì)量塊端面的平面度等作大致判斷，并避免使用與相鄰測(cè)量區(qū)域長度差較大的區(qū)域。

2.3 方形量塊的測(cè)量中心點(diǎn)位置

方形量塊長度進(jìn)行校檢前須對(duì)量塊測(cè)量中心位置進(jìn)行定位。取方形量塊按軸線劃分測(cè)量面四分之一區(qū)域進(jìn)行分析，分別做出內(nèi)心、重心，并取量塊比較儀測(cè)頭與量塊的接觸面積直徑為 2 mm。由圖2可見重心及內(nèi)心距離較近。

由此可見，內(nèi)心與重心重合部分可以作為方形量塊中心點(diǎn)位置，如圖3所示。而在日常量塊檢定中，比較難以定位中心點(diǎn)位置，因此需要探討是否存在易定位的相似位置作為替代。優(yōu)先考慮在方形量塊的對(duì)角線上取點(diǎn)，以下對(duì)兩種可行的取點(diǎn)方案進(jìn)行分析。

圖2 方形量塊四分之一部分的內(nèi)心、重心及其重合部分

圖3 方形量塊測(cè)量中心點(diǎn)位置

第一種是以對(duì)角線到孔最近交點(diǎn)連線的中點(diǎn)作為量塊測(cè)量中心點(diǎn)位置（如圖4）。

圖4 按對(duì)角線到孔最近交點(diǎn)連線的中點(diǎn)替代測(cè)量中心點(diǎn)位置與測(cè)量中心點(diǎn)的重合度

第二種是以對(duì)角線到量塊中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)位置作為量塊測(cè)量中心點(diǎn)位置（如圖5），通過對(duì)測(cè)量中心重合度進(jìn)行比較，認(rèn)為第二種方案更接近實(shí)際的量塊中心點(diǎn)。

圖5 以對(duì)角線到量塊中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)替代測(cè)量中心點(diǎn)位置與測(cè)量中心點(diǎn)的重合度

因此，方形量塊的測(cè)量中心點(diǎn)位置可選用該測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行替代，即可將對(duì)角線到量塊中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)位置作為量塊測(cè)量中心點(diǎn)位置。

3 適用于方形量塊長度變動(dòng)量檢定項(xiàng)目

量塊的長度變動(dòng)量指量塊測(cè)量面上任意兩測(cè)量點(diǎn)間的最大長度lmax與最小長度lmin之差。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格量塊測(cè)量長度變動(dòng)量的方法是測(cè)量量塊測(cè)量面中心和四角（距量塊兩相鄰側(cè)面各為1.5 mm）位置的長度，再取其最大值與最小值的差值作為長度變動(dòng)量。該長度變動(dòng)量定義也適用于方形量塊，但測(cè)量長度變動(dòng)量的位置會(huì)有所不同。按四個(gè)測(cè)量區(qū)域設(shè)定長度變動(dòng)量測(cè)量位置，如圖6所示，其中存在兩個(gè)問題：1）無法對(duì)靠近鎖緊孔的位置進(jìn)行長度測(cè)量；2）測(cè)量長度變動(dòng)量的位置較多，工作量大大增加。因此，通過對(duì)四個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的平面情況以及相互之間平面關(guān)系進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)測(cè)量長度變動(dòng)量的位置進(jìn)行優(yōu)化。

由圖6左側(cè)可見藍(lán)色測(cè)量點(diǎn)位置沿對(duì)角線較為密集，且靠近鎖緊孔位置的點(diǎn)無法測(cè)量，因此，可分析可能的平面形變情況后進(jìn)行合并簡化。方形量塊由于可形變自由度較大，可能存在如拱形、漏斗形等形變情況，而在這些情況下測(cè)量面軸線靠近測(cè)量面中心的變化量較為明顯，因此，可選擇測(cè)量面軸線與中心長度測(cè)量點(diǎn)連線的交點(diǎn)替換交點(diǎn)周圍密集的紅色測(cè)量點(diǎn)。簡化后如圖6右側(cè)所示測(cè)量點(diǎn)位置，內(nèi)側(cè)4個(gè)測(cè)量點(diǎn)在測(cè)量面軸線與中心長度測(cè)量點(diǎn)連線交點(diǎn)的位置上。

圖6 四個(gè)測(cè)量區(qū)域的長度變動(dòng)量測(cè)量位置與優(yōu)化方案

進(jìn)一步使用有限元分析法對(duì)變形情況下的形變量進(jìn)行模擬驗(yàn)證，如圖7所示，簡化后的測(cè)量點(diǎn)也能夠較好地反映端面長度變化情況。在測(cè)量時(shí)，任取其中一點(diǎn)作為零位點(diǎn)并校檢其余7個(gè)點(diǎn)的偏差，并將測(cè)得的最大值與最小值之差的數(shù)值作為方形量塊的長度變動(dòng)量，也可根據(jù)需要分別給出部分區(qū)域的長度變動(dòng)量。

圖7 拱形及漏斗形形變情況下的形變量有限元分析模擬圖

4 方形量塊其他檢定項(xiàng)目

4.1 方形量塊的外觀檢定方法

方形量塊外觀檢定項(xiàng)目的觀察內(nèi)容不僅限于普通規(guī)格量塊，除了觀察代表標(biāo)稱長度的數(shù)碼字、測(cè)量面及側(cè)面劃痕、碰傷、銹蝕等情況外，還需要檢查鎖緊孔邊是否因螺釘?shù)拈L期壓力而產(chǎn)生影響該量塊計(jì)量性能的形變。

4.2 方形量塊的端面平面度檢定方法

方形量塊平面度可使用直徑不小于45 mm、厚度不小于11 mm的平晶以光波干涉法進(jìn)行測(cè)量。但在研合長時(shí)間被鎖緊的情況下，如圖8所示，鎖緊孔邊緣形變量增加，孔周圍可能由于螺母的壓力而產(chǎn)生呈漏斗形的微小形變，進(jìn)而使靠近鎖緊孔的端面出現(xiàn)平面度較大的情況。

圖8 量塊鎖緊孔受10 N螺母壓力下形變量的有限元分析圖

為了減小此影響，可如圖9所示在兩側(cè)條紋連貫，遠(yuǎn)離鎖緊孔與外邊緣約0.8 mm的區(qū)域保留二至三根光波干涉條紋。在干涉條紋方向一致情況下，取上述區(qū)域的干涉條紋中彎曲度絕對(duì)值最大者，再乘以所采用光源波長的一半，所得值即為該測(cè)量面的平面度F。

圖9 方形量塊平面度檢定方法

若兩側(cè)干涉條紋方向不一致，則需要對(duì)平面度進(jìn)行合成，公式為其中m1、m2分別為量塊兩側(cè)的條紋彎曲度[5]。

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于：1）了解測(cè)量區(qū)域內(nèi)平面情況；2）了解相鄰測(cè)量區(qū)域間的平面度關(guān)系。

4.3 方形量塊的研合性檢定方法

量塊通常以與平晶研合后的平面情況來判定是否符合對(duì)應(yīng)的等級(jí)要求[6]，而方形量塊需要額外觀察所有測(cè)量面區(qū)域的研合情況。例如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)K、0級(jí)量塊，當(dāng)研合面在照明均勻的白光下被觀察時(shí)，在測(cè)量面中心沿長邊方向約1/3的區(qū)域內(nèi)無光斑；而對(duì)于方形量塊，除每個(gè)測(cè)量區(qū)域中心點(diǎn)周圍1/3區(qū)域應(yīng)無光斑外，也需要對(duì)測(cè)量面軸線周圍研合性情況有一定的要求，同理于1、2級(jí)量塊的檢定。

4.4 方形量塊的長度穩(wěn)定度檢定方法

方形量塊的長度穩(wěn)定度可以按照對(duì)應(yīng)位置分別對(duì)四個(gè)測(cè)量中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行有效的控制[7]。若任一測(cè)量中心長度超過最大允許年變化量，則需要進(jìn)行降等或報(bào)廢處理。當(dāng)年變化量較小時(shí)，可通過延長量塊有效期的方法對(duì)變化量較大的區(qū)域進(jìn)行控制[8]。

5 結(jié)語

本文對(duì)適用于方形量塊后續(xù)檢定中必須檢定的項(xiàng)目以及方法進(jìn)行了探討，確定了方形量塊測(cè)量點(diǎn)的位置并提出了分區(qū)域獨(dú)立測(cè)量中心長度的方案，為方形量塊檢定規(guī)程的頒布提供了參考性的建議，并為更準(zhǔn)確地檢定校準(zhǔn)方形量塊奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)可以進(jìn)一步對(duì)方形量塊鎖緊孔位置變形偏移的影響、不確定度評(píng)定方法及其他檢定項(xiàng)目的測(cè)量方法等進(jìn)行研究，這對(duì)方形量塊的檢定校準(zhǔn)都具有一定的意義。