現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度檢測(cè)技術(shù)

張紅軍

摘 要：硬度是材料最重要的參數(shù)之一，一定程度上反映了材料強(qiáng)度及剛度等性質(zhì)，因此，材料的硬度測(cè)試在生產(chǎn)過程中具有非常重要的意義。布氏硬度作為最早提出的硬度測(cè)試方法之一，以其測(cè)量精確度高、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。因此，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)亟需一種便攜的硬度測(cè)試壓痕測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化測(cè)量。文章對(duì)現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：布氏硬度;檢測(cè)技術(shù)

1 前言

隨著制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)原材料及零部件的力學(xué)性能要求越來(lái)越高。在冶金、電力、石油機(jī)械、軌道車輛、汽車、軍工裝備等領(lǐng)域，都需要在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)金屬材料及大型零件的本體硬度，特別是要求檢測(cè)布氏硬度，許多產(chǎn)品還要求進(jìn)行逐件檢測(cè)。布氏硬度檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是代表性好，由于通常采用的是29 420N（3 000kgf）試驗(yàn)力、直徑10mm球壓頭進(jìn)行試驗(yàn)，因此其壓痕面積較大，能夠真實(shí)反映較大范圍內(nèi)金屬各組成相綜合影響的平均硬度值，而不受個(gè)別組成相及微小不均勻的影響。布氏硬度檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、重現(xiàn)性好、精度高，特別是金屬材料的布氏硬度值與抗拉強(qiáng)度值之間存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此布氏硬度檢測(cè)得到了廣泛的應(yīng)用。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕較大，對(duì)成品檢測(cè)較困難。另外，測(cè)試操作較麻煩，不能直接得到測(cè)試結(jié)果，需要先用光學(xué)顯微鏡測(cè)出壓痕直徑，再查表才能得到布氏硬度值，因而檢測(cè)效率低，測(cè)試過程中還可能會(huì)帶入一定的人為誤差。

2 檢測(cè)原理

用一定直徑的球體，以規(guī)定的試驗(yàn)力（F）壓入式樣表面，保持一定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，測(cè)量試樣表面的壓痕直徑（d）。用試驗(yàn)力除以壓痕球形表面積來(lái)計(jì)算布氏硬度值。以HBS（鋼球）表示，單位為N/mm2（MPa）。一、計(jì)算公式：HB=F/S/=F/π（d/2）2式中：F-壓入金屬試樣表面的試驗(yàn)力，N;S-壓痕表面積，mm2 D-試驗(yàn)用鋼球直徑，mm;d-壓痕平均直徑，mm。

3 布氏硬度計(jì)

布氏硬度計(jì)分為手動(dòng)布氏硬度計(jì)和自動(dòng)硬度計(jì)。隨著科技的發(fā)展市面上還出現(xiàn)了智能化布氏硬度測(cè)量分析系統(tǒng)。操作更簡(jiǎn)便，數(shù)值更精準(zhǔn)。國(guó)標(biāo)GB/T231-2002《金屬硬度試驗(yàn)第二部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)規(guī)定》對(duì)布氏硬度計(jì)進(jìn)行了要求。以保證布氏硬度計(jì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差更小。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)布氏硬度計(jì)的檢驗(yàn)分為布氏硬度計(jì)基本功能的直接檢驗(yàn)和檢查硬度計(jì)綜合性能的間接檢驗(yàn)。a布氏硬度計(jì)的直接檢驗(yàn)包括a試驗(yàn)力的檢查b壓頭的檢查。c布氏硬度計(jì)壓痕測(cè)量裝置的檢驗(yàn)b布氏硬度計(jì)的間接檢驗(yàn)：使用標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度塊進(jìn)行。

4 現(xiàn)場(chǎng)大型布氏硬度機(jī)

應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的大型布氏硬度機(jī)有搖臂式和門式兩種。

4.1 搖臂式布氏硬度機(jī)

由底臺(tái)、立柱、搖臂、垂直移動(dòng)單元、測(cè)量頭、電控箱、壓痕讀數(shù)裝置及測(cè)量臺(tái)組成。立柱可以安裝在底臺(tái)上，也可安裝在地面上，搖臂安裝在立柱上，垂直移動(dòng)單元安裝在搖臂上，其下端是測(cè)量頭，電控箱和壓痕測(cè)量裝置安裝在立柱上。搖臂可以沿立柱做180°旋轉(zhuǎn)，垂直移動(dòng)單元可以沿橫梁進(jìn)行橫向移動(dòng)，機(jī)器最大喉深600mm。測(cè)量時(shí)，垂直移動(dòng)單元可以帶著測(cè)量頭沿垂直方向移動(dòng)，移動(dòng)范圍可以從距地面300mm到900mm。如果在立柱的3個(gè)不同方向上放置3個(gè)不同高度的測(cè)量臺(tái)，就可以分別測(cè)試3種不同高度范圍的工件。施加試驗(yàn)力由電腦控制伺服電機(jī)完成，由力傳感器測(cè)出試驗(yàn)力的大小，再控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)力的閉環(huán)控制。開始測(cè)量后機(jī)器會(huì)自動(dòng)完成測(cè)量頭向下移動(dòng)、加力、保持試驗(yàn)力、卸力、測(cè)量頭回到初始位置等動(dòng)作。在電控箱的觸摸屏上可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，還可以進(jìn)行測(cè)量值校正。壓痕測(cè)量裝置由顯示屏和測(cè)量頭組成，該套裝置可以針對(duì)各種測(cè)量面上的布氏硬度壓痕進(jìn)行100%的自動(dòng)檢測(cè)。測(cè)量面的處理方式可以是角磨機(jī)、砂輪機(jī)打磨的，也可以是車床、銑床、磨床加工的，只要人眼能識(shí)別，機(jī)器就能識(shí)別，且無(wú)需使用鼠標(biāo)。測(cè)量壓痕時(shí)，只要將測(cè)量頭放到壓痕上，按鍵后顯示器就會(huì)立刻顯示出壓痕圖像、壓痕直徑和對(duì)應(yīng)的布氏硬度值。該種搖臂式布氏硬度機(jī)加力精度可達(dá)到±0.5%，其布氏硬度的測(cè)試精度等于或高于臺(tái)式硬度計(jì)的。

4.2 門式布氏硬度機(jī)

由底臺(tái)、鋼軌、載物車、門架、垂直移動(dòng)單元、測(cè)量頭、電控柜及壓痕測(cè)量裝置組成。門架和鋼軌可以安裝在底臺(tái)上，也可以安裝在車間地面上，垂直移動(dòng)單元安裝在門架上，硬度測(cè)量頭位于垂直移動(dòng)單元的下端，壓痕測(cè)量裝置的顯示器位于門架立柱上，壓痕測(cè)量頭安裝在硬度測(cè)量頭旁側(cè)。載物車的移動(dòng)、垂直移動(dòng)單元沿門架橫梁的移動(dòng)及測(cè)量頭的垂直移動(dòng)都可以在計(jì)算機(jī)的控制下按照預(yù)先設(shè)置的坐標(biāo)自動(dòng)完成。力傳感器測(cè)出試驗(yàn)力，由電腦控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)力的閉環(huán)控制。測(cè)量時(shí)測(cè)量頭可以自動(dòng)完成下移、加力、保持試驗(yàn)力、卸力、回到初始位置等動(dòng)作。壓出壓痕后，壓痕測(cè)量頭自動(dòng)移動(dòng)到壓痕上方，顯示器上立刻顯示出壓痕圖像、壓痕直徑和對(duì)應(yīng)的布氏硬度值。在電控柜的觸摸屏上可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可以進(jìn)行測(cè)量值校正。門式布氏硬度機(jī)的突出特點(diǎn)是應(yīng)用起來(lái)比較靈活。在不采用底臺(tái)的情況下，原則上軌道長(zhǎng)度可以任意設(shè)計(jì)，可以一直通到熱處理爐旁邊。載物車可以用一臺(tái)，也可以用兩臺(tái)。用一臺(tái)時(shí)可以測(cè)試一件大型零件，用兩臺(tái)時(shí)可以測(cè)試一件大軸、大軋輥或大型鋼管，載物車上還可以設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，這樣就可以測(cè)試一件大軸曲面上的任意部位。門架的高度和寬度以及測(cè)量頭垂直移動(dòng)距離，在一定范圍內(nèi)都可以按需設(shè)計(jì)。當(dāng)被測(cè)件是同一規(guī)格的多件工件時(shí)，在滿足工件擺放到同一位置、同一角度、打磨同一區(qū)域的條件下，可以在測(cè)試完成第一件工件之后將測(cè)試點(diǎn)的坐標(biāo)輸入機(jī)器，在此后的測(cè)試中，機(jī)器可以自動(dòng)按照坐標(biāo)尋找測(cè)試點(diǎn)，自動(dòng)完成后續(xù)測(cè)試。門式布氏硬度機(jī)在配備自動(dòng)銑削單元后可以被設(shè)置在一條自動(dòng)化生產(chǎn)線上，與探傷設(shè)備串聯(lián)起來(lái)，作為自動(dòng)檢測(cè)線的一部分，載物車可以被一套自動(dòng)輸送設(shè)備和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)代替。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于硬度檢測(cè)技術(shù)的快速進(jìn)步，以往被認(rèn)為比較難于解決的現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度檢測(cè)問題已經(jīng)得到了較好的解決。目前，對(duì)于某一個(gè)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)問題常?？梢杂胁煌慕鉀Q方案可供選擇，在許多情況下，可以不再采用里氏硬度計(jì)那種不規(guī)范的、精度低、可靠性差、容易引起供需雙方爭(zhēng)議的硬度計(jì)來(lái)代替布氏硬度計(jì)。新型現(xiàn)場(chǎng)布氏硬度在線自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的使用可大大提高企業(yè)的質(zhì)量管理水平，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]李久林《金屬硬度試驗(yàn)方法實(shí)施指南》