數顯布氏硬度計保荷試驗力波動度對硬度示值的影響

厲 旻/上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

隨著控制技術的發展，布氏硬度計的外觀結構和控制加載也有了很大的改進和革新，其中最明顯的改變就是：由傳統的杠桿加荷式原理加杠桿控制系統提供試驗力的壓入式加荷方法，發展為由精密的機械結構和微機控制閉環系統的光、機、電一體化產品，其控制過程是采用步進電機或伺服電機加卸試驗力，通過高精度的測力傳感器進行反饋，在CPU的控制下可對保荷試驗中衰減的試驗力進行自動補償。其優點是顯而易見的，去除了繁瑣的砝碼結構，取而代之的是精巧的力控制系統，在保證整機剛性的前提下，使得整臺設備減輕了重量，便于搬運，同時也簡化了操作。然而，問題也隨之出現了，傳統的杠桿加砝碼的加力方式，只要周圍沒有震源，在保荷過程中，力值一般是不會產生波動的，而采用了新的加載方式后，力控制系統帶出了新的問題，尤其是在力值保荷的過程中，由于伺服電機的特性，其產生的力值在保荷過程中會衰減，在微機的控制下，當力值衰減到一定的程度時，系統便通過增加力值來補償衰減，使保荷力重新回到理想的狀態，這樣一來，保荷時的力值便會產生波動，而且該波動度的大小和頻率會隨著反饋信號采樣頻率的變化而變化。根據GB/T 231-2002《金屬布氏硬度試驗方法》規定，不同材質的金屬要求保荷的時間不同：黑色金屬的試驗力保持時間為（10～15）s，有色金屬為（30±2）s，布氏硬度＜ 35時為（60±2）s。那么在這些時間段里，采用新的加載方式保荷，試驗力的波動度對材料的硬度值會產生多大的影響，就值得探討了。需要說明的是，為了降低制造成本，目前大多數數顯布氏硬度計只采用一套力傳感器系統，也就是說布氏硬度計加載的力值范圍62.5 kgf （ 612.9 N）～3000 kgf（29400 N）都是由一套力傳感器系統來控制完成的，而一般測力傳感器的有效量程是10%～100%，因此對于一個滿量程為3000 kgf（29400 N）的傳感器來說，要保證其10%以下，即＜300 kgf（2940 N）的力值精度，將是一個考驗。因此，本次實驗采用測量上限為3000 kgf （29400 N）的力值傳感器來控制62.5 kgf（612.9 N）的力。

2 試驗內容

2.1 取樣

選取均勻度≤1%的標準布氏硬度塊3塊，目的是為了減小硬度塊均勻度對試驗結果的影響。分別標記為A，B，C。

2.2 校驗設備及校驗條件

試驗設備為XHB-3000型數顯布氏硬度計，采用NI數據采集卡(PXI4220)及HBM力傳感器；

試驗條件為HBW2.5/62.5(F/D2一10)；

整個試驗過程試驗溫度為（18～28）℃；

采樣速率（1000 Hz）。

其中：F 表示試驗力，kgf（N）

D表示壓頭球體直徑，mm

2.3 試驗方法

參照GB/T 231.1-2002 金屬布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法以及GB/T 231.2-2002 金屬布氏硬度試驗 第2部分：硬度計的檢驗與校準。

進行布氏硬度試驗時，為了具有可比性，從加力開始到施加全部試驗力的時間控制在（6±0.5）s之間，對試樣施加的試驗力保持時間為（12±0.5）s，在試樣上壓出均勻分布的5個壓痕。通過改變閉環控制系統中的補償系數來改變保荷力值的波動度，按照此方法，依次采用波動度≤0.5%，0.5%＜波動度≤1.0%，1.0%＜波動度≤1.5%的保荷試驗力，分別在A，B，C三塊試樣上產生壓痕，記錄數據。

Fmax，Fmin分別為保荷時力值采樣的最大值和最小值。

整個試驗過程中的力值變化通過多功能機械量動態采集系統采集完成，如圖1所示。

圖1

提取其中的保荷階段曲線，不同波動度的試驗力力值變化經放大后依次如圖2，3，4所示。

圖2

圖3

圖4

3 結果與討論

將保荷階段不同波動度的試驗力作用下所測得的試樣的布氏硬度值依次列于表1。

表1

根據公式，硬度計示值誤差：

式中：

δ —硬度計示值誤差；

硬度計示值重復性：

式中：

Hmax—5點中硬度值最大值；

Hmin—5點中硬度值最小值；—5點硬度值的算術平均值。

將示值誤差和示值重復性列于表2。

表2

根據JJG 150-2005《金屬布氏硬度計檢定規程》，硬度范圍在（≤125HBW）的硬度計示值，其最大允許誤差和示值重復性分別為（±3%）和（≤3.5%）。通過計算公式，可分別得出保荷試驗力波動度對布氏硬度示值誤差和示值重復性的影響。

式中：

δA,δB,δC—分別為A，B，C三種布氏硬度的示值誤差；

δmax—表示硬度計示值最大允許誤差（此處取3%）。

式中：

Ycf—波動度對布氏硬度示值重復性的影響系數；

HcfA,HcfB,HcfC—分別為A，B，C三種布氏硬度的示值重復性；

Hcf max—表示硬度計示值最大示值重復性（此處取3.5%）。

計算結果見表3。

表3

通過數據分析比較可知，保荷試驗力波動度對布氏硬度的測量是有影響的，而且影響系數隨著波動度的增大而增大。雖然波動度對布氏硬度示值誤差和示值重復性的影響，在金屬布氏硬度計檢定規程允許的誤差范圍內。但隨著波動度的增加，布氏硬度的示值誤差和示值重復性也隨之增大。特別是當波動度＞1.0%后，硬度計的示值誤差和示值重復性明顯增加，甚至于接近最大允許誤差。因此，將保荷試驗力的波動度控制在合理的范圍內（理想狀況是將保荷試驗力的波動度控制在≤0.5%的范圍內），可以有效地減小硬度計的系統誤差。

作為一種新型的硬度計機型，或許在今后的國標或檢定規程中可以考慮對硬度計保荷力值的波動度要求規范化。

[1] 全國鋼標準化技術委員會. GB/T 231.1-2002［S］. 北京：中國標準出版社, 2002.

[2] 全國力值、硬度計量技術委員會.JJG 150-2005［S］. 北京：中國計量出版社, 2005.

[3] 郁有文，常健.傳感器原理及工程應用［M］. 西安：西安電子科技大學出版社, 2003.7.

[4] 余成波，胡新宇，趙勇.傳感器與自動檢測技術［M］. 北京：高等教育出版社, 2004.2.