簡(jiǎn)談基于激光干涉法測(cè)量的LTF 布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

艾兆春，劉玉波，王超，韓若曦，王新爽

(國(guó)防科技工業(yè)2311 二級(jí)計(jì)量站，黑龍江 哈爾濱150046)

0 引言

基于激光干涉法測(cè)量的伽利略LTF 布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)型硬度機(jī)，其型號(hào)為PHS DW 型，該型硬度機(jī)是根據(jù)意大利國(guó)家計(jì)量院(INRIM)即原意大利國(guó)家研究委員會(huì)(CNR)的基準(zhǔn)硬度試驗(yàn)機(jī)而設(shè)計(jì)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(cè)量，還有加載試驗(yàn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。目前世界上共有6 臺(tái)該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)，我單位現(xiàn)擁有一臺(tái)該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)，目前也是國(guó)內(nèi)唯一的一臺(tái)，布洛維硬度標(biāo)準(zhǔn)機(jī)如圖1 所示。國(guó)際上其他國(guó)家使用該型標(biāo)準(zhǔn)硬度機(jī)作為國(guó)家基準(zhǔn)的還有美國(guó)、意大利、巴西和韓國(guó)等國(guó)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(jiǎn)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(yàn)，其試驗(yàn)力范圍為9.807N 至1839N?？梢赃M(jìn)行符合ISO、ASTM 標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程中涉及到的所有洛氏硬度標(biāo)尺試驗(yàn)。進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)的試驗(yàn)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)?？梢赃M(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)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(yàn)力加載系統(tǒng)、硬度塊定位系統(tǒng)、激光干涉測(cè)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(yàn)力加載系統(tǒng)

試驗(yàn)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(guò)三個(gè)拉桿與底盤相連接，底盤上按順序疊放砝碼組?？蚣茏灾貫?9.42 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(yàn)所需試驗(yàn)力的設(shè)置，設(shè)置試驗(yàn)力用手動(dòng)進(jìn)行人工設(shè)置，通過(guò)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(gè)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(guò)串口和測(cè)量軟件連接，負(fù)荷傳感器主要起到監(jiān)視試驗(yàn)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(dòng)的平臺(tái)和控制壓痕的專用夾具組成。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都有自己獨(dú)立的控制單元，可以通過(guò)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(cè)量系統(tǒng)

激光干涉測(cè)量系統(tǒng)由激光頭、起偏振隔離器、固定三棱鏡、移動(dòng)三棱鏡組成。其中固定三棱鏡安裝在基體橫梁的中間，移動(dòng)三棱鏡安裝在載荷框架上。它用于測(cè)量載荷框架的垂直位移，也就是測(cè)量壓頭的移動(dòng)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(dú)立連接，數(shù)據(jù)采集卡中配置了高精度頻率時(shí)鐘。激光干涉測(cè)量示意圖如圖4 所示。

圖4 激光干涉測(cè)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(shí)至少需要4 ～6 bar 的壓力，供氣流量為30 ～50 NL/min?？諝鈱?dǎo)軌供氣系統(tǒng)由連續(xù)過(guò)濾器、壓力調(diào)節(jié)閥、電磁閥、3 個(gè)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(duì)清潔、干燥。

1.5 系統(tǒng)軟件

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

圖5 時(shí)間、速度與試驗(yàn)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(huì)檢測(cè)到開始施加初載荷值，這時(shí)接近過(guò)程結(jié)束，硬度試驗(yàn)機(jī)開始進(jìn)入施加初載荷階段，硬度試驗(yàn)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(cè)到初載荷沒(méi)有超出公差限制時(shí)，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(gè)階段會(huì)持續(xù)一定時(shí)間，持續(xù)時(shí)間按計(jì)算機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行。

在此時(shí)加載框架還會(huì)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(shí)間，另一種是以加載框架移動(dòng)速度表示的保持初載荷時(shí)間。在硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法中規(guī)定了初載荷加載時(shí)間和初載荷保持時(shí)間的允許極限(這兩個(gè)設(shè)置通過(guò)第一對(duì)藍(lán)線定義)。

當(dāng)初載荷施加和保持時(shí)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(cè)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(shí)，就開始啟動(dòng)附加載荷加載階段(第一條紫線)，因?yàn)檫@時(shí)加載框架載著載荷框架和砝碼組開始移動(dòng)，這時(shí)計(jì)算機(jī)開始計(jì)算附加載荷架加載時(shí)間。加載框架繼續(xù)以第一個(gè)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(gè)設(shè)置百分?jǐn)?shù)到第二個(gè)設(shè)置百分?jǐn)?shù)利用第二個(gè)附加載荷加載速度，然后用第二個(gè)附加載荷加載速度繼續(xù)下降(這兩個(gè)過(guò)程由兩條深藍(lán)色線定義)。

當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測(cè)到附加載荷已經(jīng)加載并且在設(shè)置允許范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)間將由計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘控制。

在這個(gè)階段加載框架還將繼續(xù)下降，以第二個(gè)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(shí)間結(jié)束時(shí)停止下降(這兩個(gè)過(guò)程由第二對(duì)淺藍(lán)線定義)。在硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中定義了附加載荷施加時(shí)間和保持時(shí)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(jì)算出已經(jīng)下降的距離，當(dāng)附加載荷保持時(shí)間快要結(jié)束時(shí)，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(shí)，使砝碼組被抬升起來(lái)(第三條紫線)，此時(shí)的速度為附加載荷卸載速度。

當(dāng)負(fù)荷傳感器檢測(cè)到附加載荷移動(dòng)到公差范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)間由計(jì)算機(jī)時(shí)鐘提供。

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

在等待結(jié)束后，進(jìn)行壓頭位置的測(cè)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(yùn)動(dòng)，一直要運(yùn)動(dòng)到工作起始位置(第五條黃線)。此時(shí)如果工作限位開關(guān)處于激活狀態(tài)，加載框架將運(yùn)動(dòng)到工作位置上限位置。

2 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

基于激光干涉法測(cè)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(cè)量誤差，有經(jīng)驗(yàn)的檢定員和沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的檢定員在測(cè)量同一個(gè)硬度壓痕時(shí)，兩者之間的測(cè)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(jì)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(guó)國(guó)家計(jì)量研究院，國(guó)際上很多發(fā)達(dá)國(guó)家都將該型硬度機(jī)作為本國(guó)家的硬度基準(zhǔn)機(jī)。

我們?cè)谶M(jìn)行硬度塊的檢定/校準(zhǔn)工作時(shí)，如果對(duì)未經(jīng)打點(diǎn)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(cè)量的點(diǎn)數(shù)和位置，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行測(cè)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(guò)空氣導(dǎo)軌垂直上下的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(yǔ)

2000 年以后，國(guó)際硬度工作組每年都召開一次工作會(huì)議，討論洛氏硬度關(guān)鍵比對(duì)和其他硬度關(guān)鍵比對(duì)問(wèn)題，以洛氏硬度校準(zhǔn)曲線為例，在歷次會(huì)議上，專家們對(duì)洛氏硬度關(guān)鍵比對(duì)進(jìn)行了討論，并一致認(rèn)為洛氏硬度關(guān)鍵比對(duì)中各國(guó)的差值主要是目前對(duì)洛氏硬度定義的不完善引起的。國(guó)際硬度工作組第7 次、第8次會(huì)議對(duì)洛氏硬度試驗(yàn)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(guò)程中運(yùn)動(dòng)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(dòng)小，但加荷速度不可調(diào)，另外，新定義中還要求對(duì)加卸荷從開始到結(jié)束全程需要對(duì)試驗(yàn)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(yàn)，強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件還可以對(duì)檢定/校準(zhǔn)過(guò)程制定曲線圖，完全滿足國(guó)際硬度工作組對(duì)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(guó)代表著我國(guó)硬度參數(shù)領(lǐng)域在國(guó)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(shuō)明書. 都靈:LTF 公司. 2010.

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

［3］國(guó)防科工委科技與質(zhì)量司組織編寫. 力學(xué)計(jì)量(上冊(cè))［M］. 北京:原子能出版社. 2002.