球壓痕硬度基準(zhǔn)裝置研制

劉吉萍, 王敬濤, 崔園園, 曾利民

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

1 引 言

球壓痕硬度曾稱(chēng)之為塑料球壓痕硬度,是從布氏硬度試驗(yàn)方法演變而來(lái),可以取代布氏硬度測(cè)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(hào),現(xiàn)國(guó)標(biāo)用HB表示球壓痕硬度符號(hào)[2]。

在塑料球壓痕硬度基準(zhǔn)中,只有H5/36.5這一個(gè)標(biāo)尺,開(kāi)展量值傳遞范圍為70～170 H?；鶞?zhǔn)中的H5/36.5標(biāo)尺的擴(kuò)展不定度U=2.5 H(k=3)[3], 用相對(duì)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(kāi)展量值傳遞。所有標(biāo)尺的擴(kuò)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(yàn)力值F、球壓頭直徑D和測(cè)量壓痕深度h這3個(gè)量值的導(dǎo)出量,研制基準(zhǔn)裝置首先必須確定各個(gè)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(píng)估[4]。

依據(jù)球壓痕硬度試驗(yàn)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(yàn)力壓入試樣表面,保持初試驗(yàn)力到達(dá)一定時(shí)間(5 s)后,標(biāo)記壓痕測(cè)量系統(tǒng)此時(shí)位置h1,再施加主試驗(yàn)力,在總試驗(yàn)力保持一定時(shí)間(30 s)后,測(cè)量鋼球壓入試樣深度h2。球壓痕硬度值HB是以總試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商表示:

(1)

式中:HB為球壓痕硬度符號(hào),N/mm2;F為總試驗(yàn)力,N; D為壓頭球直徑,mm; h為修正機(jī)架變形后的壓痕深度,h=h2-h1-h0,h0為常數(shù),表示機(jī)架變形量,mm; h1為初試驗(yàn)力作用下的壓入深度,mm; h2為總試驗(yàn)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(yàn)力F、球直徑D和深度測(cè)量L彼此無(wú)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(duì)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(mǎn)足:

urel(HB)<0.5%,

(9)

(1) 試驗(yàn)力F精度要求

球壓痕基準(zhǔn)的試驗(yàn)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(jí)試驗(yàn)力F誤差絕對(duì)值要求在0.1%以?xún)?nèi)[7]。

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

由試驗(yàn)力F的誤差帶來(lái)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(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(D)(按均勻分布)為

(3) 壓痕深度測(cè)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(zhǎng)的誤差,mm;Δh1為初試驗(yàn)力作用下的壓入深度測(cè)量誤差,mm;Δh2為總試驗(yàn)力作用下的壓入深度測(cè)量誤差,mm;γ為相關(guān)系數(shù)。

Δh1和Δh2是同一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)的測(cè)量誤差,均為Δh?？紤]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(duì)不確定度,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3398.1-2008規(guī)定,有效的球壓痕硬度試驗(yàn)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(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

(10)

在總試驗(yàn)力誤差的絕對(duì)值小于0.1%、球壓頭直徑誤差絕對(duì)值小于0.08%的條件下,只要能實(shí)現(xiàn)測(cè)量壓痕深度誤差絕對(duì)值小于0.000 4 mm就可以滿(mǎn)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(yàn)力F的誤差絕對(duì)值ΔF、壓頭球直徑D的誤差絕對(duì)值ΔD和測(cè)量壓痕深度h的誤差絕對(duì)值Δh應(yīng)滿(mǎn)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(cè)量傳感器和壓頭部分和工作臺(tái);中部為砝碼部分;下部為電機(jī)傳動(dòng)和整機(jī)底座部分。

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

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在49～961 N試驗(yàn)力范圍,杠桿式、疊加式和靜重式等多種結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)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(yàn)力的靜重式結(jié)構(gòu)[10],球壓痕基準(zhǔn)試驗(yàn)力部分采用了這一結(jié)構(gòu)。

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

球壓痕基準(zhǔn)裝置采用了活動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2。由于不可避免存在機(jī)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(gè)或幾個(gè)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(dòng)關(guān)節(jié)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)一個(gè)方位角度,使得各向方位力矩自動(dòng)調(diào)節(jié)相等,達(dá)到新的平衡,從而確保由吊掛和砝碼質(zhì)量在重力場(chǎng)中產(chǎn)生的試驗(yàn)力大小和方向不變。由于主軸需要導(dǎo)向,會(huì)有微小的摩擦力,此處與靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)有所不同[11]。

圖2(a)顯示沒(méi)有機(jī)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(jī)械加工誤差或質(zhì)量不均勻,但能自動(dòng)調(diào)節(jié)至平衡狀態(tài)。

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

在設(shè)計(jì)加工中,對(duì)零件加工精度有嚴(yán)格的要求,實(shí)際的力矩不平衡需要自動(dòng)調(diào)節(jié)的范圍很小,目視基本看不出來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)程。

在主軸中還設(shè)計(jì)了試驗(yàn)力施加的緩沖裝置,主試驗(yàn)力不是一次性施加到硬度塊上,而是控制在一定時(shí)間內(nèi),主試驗(yàn)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(shí)的沖擊效能帶來(lái)的試驗(yàn)力附加誤差[12,13]。

底座支撐采用3點(diǎn)改5點(diǎn)支撐方式。長(zhǎng)方形底座4個(gè)角部位置各分別放置一個(gè)支撐座,在其中一個(gè)長(zhǎng)邊中間位置再放置一個(gè)支撐座,共計(jì)5個(gè)支撐座。調(diào)整底座水平時(shí),先將3個(gè)支撐座一側(cè)的2個(gè)端部支撐座暫時(shí)調(diào)整為懸空狀態(tài)。調(diào)節(jié)底座水平時(shí)只調(diào)節(jié)中間一個(gè)支撐座的和另一邊的2個(gè)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(gè)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(diǎn)。保持水平狀態(tài),至少使4個(gè)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(cè)量

測(cè)量深度的硬度中,都會(huì)存在機(jī)架變形量和機(jī)架變形量的不確定度,計(jì)算硬度值時(shí)雖然可以扣除機(jī)架變形量,但變形量的不確定度無(wú)法扣除,相當(dāng)于增加了壓痕深深度的測(cè)量誤差。

德國(guó)HEIDENHAIN公司長(zhǎng)度計(jì)MT 2571,其位置誤差測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

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

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

采用布氏硬度壓痕測(cè)量[14]類(lèi)似結(jié)構(gòu),由長(zhǎng)度計(jì)直接測(cè)量主軸的位移量,測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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

從長(zhǎng)度計(jì)位置誤差圖(圖3)中可以看出,長(zhǎng)度計(jì)在20mm左右,位置誤差曲線(xiàn)最平坦,在此位置附近測(cè)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(guò)研磨的。硬質(zhì)合金具有不生銹和不變形的特點(diǎn),研磨的平面與長(zhǎng)度計(jì)前端球面確保實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接觸。

長(zhǎng)度計(jì)測(cè)量主軸位移會(huì)存在一個(gè)余弦誤差,用量塊可以方便測(cè)量出修正值[15]。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器(PLC)和觸摸屏(HMI)為中心,控制伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)力自動(dòng)的加載、保持和卸載。4個(gè)繼電器控制2個(gè)小電機(jī)傳動(dòng)和停止,實(shí)現(xiàn)變換不同的主試驗(yàn)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(yàn)力部分程序

在HMI中,設(shè)置試驗(yàn)力選擇按鈕,輸出屬性設(shè)置按1松0(即按住時(shí)為1,松開(kāi)后自動(dòng)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(yàn)力數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元D460、相應(yīng)的機(jī)架變形量數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元D560,且能自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)功能塊中參與數(shù)據(jù)處理等。

PLC主試驗(yàn)力選擇部分軟件梯形圖如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)力選擇軟件Fig.7 Force choice software

3.4.2 試驗(yàn)力施加和卸除程序

在HMI上按測(cè)試按鈕,自動(dòng)完成初試驗(yàn)力施加、保持、主試驗(yàn)力施加、保持和卸除,在HMI中顯示測(cè)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(jìn)控制軟件Fig.8 Step by step control software

采用經(jīng)典的歩進(jìn)控制方法。在HMI上按下開(kāi)始按鈕,發(fā)出測(cè)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(gè)脈沖,待脈沖發(fā)完后,PLC中A280.03為1,初試驗(yàn)力加載到位后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.01為1,初試驗(yàn)力保持(電機(jī)停)并計(jì)時(shí)開(kāi)始,保持時(shí)間到后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.02為1,施加主試驗(yàn)力(電機(jī)正轉(zhuǎn)),到位后,轉(zhuǎn)入下一步;W0.03為1全試驗(yàn)力開(kāi)始保持(電機(jī)停)并計(jì)時(shí)開(kāi)始;全試驗(yàn)力保持時(shí)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(jī)反轉(zhuǎn)),復(fù)位至零位后,轉(zhuǎn)入下一步;等待下次的測(cè)試指令。

W0.00為間斷模式發(fā)脈沖控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)定的圈數(shù),使得托盤(pán)移動(dòng)規(guī)定位移,實(shí)現(xiàn)初試驗(yàn)力加載;

W0.01和W0.04控制時(shí)間繼電器,實(shí)現(xiàn)初試驗(yàn)力保持時(shí)間和全試驗(yàn)力保持時(shí)間;

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

3.4.3 量值溯源的程序設(shè)計(jì)

球壓痕基準(zhǔn)量值溯源就是應(yīng)能方便準(zhǔn)確測(cè)量基準(zhǔn)中的初試驗(yàn)力、全試驗(yàn)力和校準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì)。

(1) 測(cè)量初試驗(yàn)力。由于初試驗(yàn)力與全試驗(yàn)力相差較大,需要用不同量程的測(cè)力傳感器分別測(cè)量。這樣就要求測(cè)量完初試驗(yàn)力后,不得再施加主試驗(yàn)力,而是要返回原點(diǎn),否則有可能使測(cè)量初試驗(yàn)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(diǎn)A,當(dāng)斷點(diǎn)A處于0態(tài),控制程序?qū)崿F(xiàn)了施加初試驗(yàn)力后停止,停止時(shí)間任意可控,且不再施加主試驗(yàn)力,而是待發(fā)出返回指令后直接返回原點(diǎn)。正常工作時(shí)使斷點(diǎn)A處于1態(tài),則自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)化。

(2) 測(cè)量全試驗(yàn)力和校準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì)。在施加全試驗(yàn)力位置,即在壓頭壓入標(biāo)準(zhǔn)塊位置測(cè)量全試驗(yàn)力和校準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì),才是最接近實(shí)際工作位置。為此在PLC和HMI中設(shè)置了軟斷點(diǎn)B,測(cè)量全試驗(yàn)力和校準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì)時(shí),使斷點(diǎn)B處于0態(tài),全試驗(yàn)力在此位置處于保持狀態(tài),不會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一動(dòng)作,可以多次、長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量全試驗(yàn)力和校準(zhǔn)長(zhǎng)度計(jì)。正常工作時(shí),使斷點(diǎn)B處1態(tài)即可,斷點(diǎn)不再起作用。

3.4.4 運(yùn)行可靠性的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)置了開(kāi)機(jī)自動(dòng)檢測(cè)功能,開(kāi)機(jī)時(shí)若檢測(cè)到基準(zhǔn)不在初始狀態(tài),則自動(dòng)執(zhí)行僅一個(gè)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(jì)了限位和極限限位的雙重保護(hù)。在異常情況限位保護(hù)起作用時(shí),可報(bào)警且能接受人為指令僅執(zhí)行反向運(yùn)動(dòng)。在極特殊情況,限位保護(hù)也失靈時(shí),極限保護(hù)才會(huì)起作用。極限保護(hù)將采用斷電方式且不接受任何指令,確保不會(huì)再有任何動(dòng)作。只有排除故障后,手動(dòng)調(diào)整機(jī)械部分(大多情況需要拆卸傳動(dòng)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(jì)了2個(gè)砝碼支撐轉(zhuǎn)腳位置互聯(lián)互鎖和與主電機(jī)的聯(lián)鎖互動(dòng)功能,確保加、卸試驗(yàn)力時(shí),砝碼與托盤(pán)處于相互正常位置關(guān)系。

在HMI中設(shè)計(jì)了顯示各個(gè)限位狀態(tài)、斷點(diǎn)A和斷點(diǎn)B的狀態(tài),監(jiān)控動(dòng)作過(guò)程,便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除可能出現(xiàn)的故障。

4 不確定度評(píng)定及測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證

4.1 不確定度評(píng)定

試驗(yàn)力和球壓頭誤差絕對(duì)值均小于0.1%和0.08%。壓痕深度最小為0.15 mm。壓痕深度測(cè)量(含機(jī)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(kuò)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(dá)到了JJG2091-1995《塑料球壓痕計(jì)量器具》的規(guī)定要求。

4.2 硬度值旁證測(cè)試

在一個(gè)硬度塊上,研制基準(zhǔn)和旁證硬度計(jì)分別測(cè)試3個(gè)點(diǎn)硬度,分別計(jì)算測(cè)量結(jié)果和不確定度,采用歸一化偏差En作為評(píng)定旁證結(jié)果[20],測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

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

由表1可見(jiàn),En<1,取得了滿(mǎn)意的測(cè)量結(jié)果。

4.3 穩(wěn)定性考核

4.3.1 重復(fù)性考核測(cè)量結(jié)果

在一個(gè)硬度塊中,3.5 h內(nèi)以所研制基準(zhǔn)測(cè)試完成所有測(cè)試點(diǎn),用歸一化偏差En評(píng)價(jià)重復(fù)性,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

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

由表2可見(jiàn)En<1,取得了滿(mǎn)意的測(cè)量結(jié)果。

4.3.2 穩(wěn)定性考核測(cè)量結(jié)果

在一個(gè)硬度塊上基準(zhǔn)間隔一個(gè)月測(cè)量一次,用歸一化偏差En評(píng)價(jià)穩(wěn)定性,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn),En<1,取得了滿(mǎn)意的測(cè)量結(jié)果。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

研制的球壓痕硬度基準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度Urel=1.0%(k=2),優(yōu)于JJG2019-1995《塑料球壓痕計(jì)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(mǎn)意測(cè)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(yǔ),盡快開(kāi)展量值溯源傳遞工作。

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