智能加載激光洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)裝置

石偉，陶繼增，王麗，李金穎，徐明

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

0 引言

國(guó)際洛氏硬度新定義標(biāo)準(zhǔn)草案對(duì)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(guó)間洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(guó)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(duì)，但比對(duì)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(duì)復(fù)雜，且對(duì)測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(cè)量結(jié)果的較大差異。因此，必須從計(jì)量學(xué)的角度，對(duì)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(guó)間洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的差別，從而提高量值傳遞的整體水平，并最終形成了國(guó)際洛氏硬度新定義的標(biāo)準(zhǔn)草案，其對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(cè)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(guó)際洛氏硬度新定義的要求及對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)

激光壓痕深度測(cè)量系統(tǒng)采用雙頻外差激光干涉儀測(cè)量原理，系統(tǒng)方案原理如圖6所示。雙頻測(cè)長(zhǎng)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(cè)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(duì)位移進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，直接顯示位移測(cè)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(guó)際洛氏硬度新定義的要求，首先對(duì)最為關(guān)鍵的力值加載和壓痕測(cè)量?jī)纱笙到y(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(duì)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(guó)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(cè)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(duì)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(guó)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(cè)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(duì)

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(cè)量裝置檢定、重復(fù)性和示值比對(duì)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(cè)力儀對(duì)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(guó)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(cè)量裝置的檢定

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

表3 壓痕深度測(cè)量裝置檢定結(jié)果 μm

由壓痕深度測(cè)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(guó)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(duì)洛氏硬度塊(溯源到國(guó)家基準(zhǔn))在小區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)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(duì)

裝置示值比對(duì)采用比對(duì)洛氏硬度塊(溯源到國(guó)家基準(zhǔn))對(duì)裝置的示值進(jìn)行比對(duì)，表5 給出了部分示值比對(duì)結(jié)果。由裝置示值比對(duì)結(jié)果可看出:其比對(duì)數(shù)據(jù)與國(guó)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(guó)際通用比對(duì)規(guī)則，計(jì)算En 數(shù)的絕對(duì)值全部小于1，結(jié)果滿意。

表5 裝置示值比對(duì)結(jié)果

5.5 旁證試驗(yàn)

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

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

表6 與美國(guó)硬度塊比對(duì)結(jié)果

5.6 穩(wěn)定性試驗(yàn)

本裝置與國(guó)內(nèi)國(guó)際的最高權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)后，我們又利用國(guó)防洛氏硬度最高標(biāo)準(zhǔn)保存的長(zhǎng)穩(wěn)比對(duì)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(guó)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(cè)量，實(shí)現(xiàn)洛氏硬度壓痕深度的高精度測(cè)量。本裝置采用最新的力值加載技術(shù)和激光壓痕測(cè)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(guó)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(duì)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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