曲軸硬度測量方法及誤差分析與解決

　呂艷莉，韓華磊

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

曲軸硬度測量方法及誤差分析與解決

呂艷莉1，韓華磊2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

討論了曲軸硬度的監控方法。通過硬度的測量方法，壓頭、測量力、測量位置的選擇及測量過程中可能引起測量誤差的原因及相應的解決方法的分析，確定最佳監控方法，保證硬度測量的準確性和監控的有效性。

硬度；曲軸；布氏硬度；誤差分析

曲軸的硬度與機加工的切削性能及刀具的壽命有著密切的關系，監控曲軸硬度，有效隔離不合格產品，保證上線生產的曲軸為合格產品，對于改善切削性能，提高刀具壽命，提升生產效率至關重要。如何測量曲軸硬度及保證硬度的準確性減少測量誤差是監控硬度的關鍵。本文通過曲軸的測量方法的選擇及曲軸測量誤差分析兩方面進行分析，給出測量的最佳方案及避免誤差的方法，保證曲軸硬度測量的準確性。

1　曲軸硬度的測量方法的選擇

曲軸硬度圖紙要求為217-276HBW.曲軸測量的硬度為布氏硬度。布氏硬度的測定原理是用一定大小的試驗力，把一定直徑的硬質合金球壓入被測金屬的表面，保持規定時間后卸除試驗力測量留在試件表面的壓痕直徑，以壓痕表面積所承受的平均壓力表示布氏硬度值［1］。布氏硬度測量的優點是壓痕面積大，測量結果反映較大范圍金屬的平均硬度值，很少受到個別組織的影響。曲軸硬度的測量，首先要選擇合適的標尺及測量位置。

1.1曲軸硬度測量標尺的選擇

曲軸的材料成分為球墨鑄鐵。根據GB-T 231.1-2009《金屬布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》表3內容［2］，曲軸的硬度≥140HBW，選擇試驗力-球直徑平方的比率（0.102×F/D2）為30，查GB-T 231.1-2009表2試驗力-球直徑平方的比率為30時，標尺有HBW 10/3000、HBW 5/750、HBW 2.5/187.5，為了保證在盡可能大的代表性的試樣區域試驗，應選擇大直徑10 mm的壓頭，故曲軸選擇標尺為HBW10/3000.

1.2曲軸硬度測量位置的選擇

根據曲軸的鑄造工藝，圖紙已給出硬度的測量位置，如圖1所示。

圖1　硬度的測量位置示意圖

2　曲軸硬度測量誤差分析與解決

2.1曲軸試驗樣塊對硬度測量準確性的影響

2.1.1制備曲軸試樣時，加工因素對硬度測量的影響

對曲軸進行切割制備試樣時，過冷、過熱加工都會影響到曲軸樣塊硬度；過冷過熱就相當對曲軸樣塊的切割面進行二次熱處理，從而改變曲軸樣塊原始的硬度。為避免此種現象，在制備樣塊時，要合理調整切削液的用量及切削速度等可能造成過冷過熱現象產生的因素。

2.1.2曲軸樣塊粗糙度對硬度測量的影響

曲軸樣塊粗糙度越小，表面光潔度越好，測量壓痕時，壓痕邊界清晰，反之邊界模糊，不易判斷，易造成測量誤差。一般曲軸樣塊的粗糙度要求為Ra≤1.6［3］.當樣塊粗糙度不滿足要求時，可通過磨拋機磨制。磨拋時采用180目的水磨砂紙，磨拋機的速度不宜過快，一般選擇700 rmp～900 rmp.磨制完成后可通過比對樣塊進行比對，或直接采用粗糙度輪廓儀進行粗糙度測量，滿足粗糙度要求即可。

2.1.3曲軸樣塊表面油污/者氧化皮等對硬度測量的影響

曲軸材料為球墨鑄鐵，為了防止樣塊生銹會涂抹防銹油，有防銹油存在時，測量硬度、摩擦力較小，從而使硬度值測量偏低；若樣塊潤滑不良，樣塊表面會產生氧化層，氧化層越疏松越薄，則硬度測量值偏小，反之硬度測量值偏大。測量過程中一定要去除氧化層及油脂等，保證測量面清潔。

2.1.4曲軸樣塊厚度及傾斜度對硬度測量的影響

（1）試驗的厚度太薄，會造成試樣背面變形，硬度測量的值會偏大。試驗的厚度應大于壓痕深度的8倍，曲軸樣塊的硬度范圍為217-276HBW.壓痕深度的計算公式為壓痕深度，D為直徑，d為壓痕直徑），由公試可以看出曲軸硬度越小，壓痕深度越大。而實際測量過程中硬度會出現不合格情況，用硬度150HBW計算深度更加合理。當硬度為150HBW時，壓痕深度為1.283 mm，則樣塊的厚度至少10.3 mm.考慮到樣塊表面粗糙度不合格時需進行磨拋，故樣塊的厚度至少為12 mm.

（2）樣塊切割面不平（傾斜），壓頭壓入樣塊時，壓入四周的抗力比平面小，使硬度降低，樣塊切割時要保證樣塊兩面基本平行［4］。為了保證測量準確性，曲軸樣塊的厚度［5］及傾斜度應達到上述要求。

2.1.5曲軸樣塊溫度對硬度測量的影響

樣塊溫度高，則使硬度的測量值偏低，反之硬度偏高。試驗溫度應在10 C°～35 C°，實驗室溫度為18 C°～28 C°之間，滿足要求。為避免曲軸樣塊溫度與環境溫度的差異，需將樣塊在實驗室環境中放置3 h以上方可測量。

2.2測量設備對硬度測量準確性的影響

2.2.1試驗力對硬度測量的影響

試驗力的要求為試驗力標稱值的±1%，曲軸測量使用的壓力為3 000 kg，壓頭試驗力的標稱值為29.42 kN［6］，即試驗力的范圍因應在29.13～29.71 kN.當力值出現偏差時，力值＜29.13 kN時，測量曲軸樣塊的值會比實際值偏大，反之，力值＞29.71 kN時，測量的硬度值會偏小。當懷疑試驗力偏差時，可請計量院檢定力值，確認力值問題時，使用設備的調力系數進行調整后再進行力值測量，直至力值測量值在要求范圍內。

2.2.2壓頭球直徑對硬度測量的影響

壓頭直徑偏大時，測量的曲軸樣塊硬度偏小，反之，偏大。對于壓頭直徑的監控，可使用千分尺定期進行期間核查。核查方法測量至少五個位置的球直徑，當測量值均在（10±0.000 5）mm時，球直徑合格，若超出此范圍，更換新的球，并用同樣方法進行直徑確認。

2.2.3加載載荷速度及保荷時間對硬度測量的影響

（1）加載載荷速度越快，力的慣性也越大，試驗變形時間短，從而硬度值增大，反之，硬度值減小。加載載荷速度異常主要原因是減速器問題，需專業人員維修。

（2）保荷時間長，則材料的變形時間長，壓痕增大，從而使硬度值減小，反之，硬度值增大。對于曲軸樣塊選擇保荷時間為10 s～15 s.

2.2.4測量壓痕直徑裝置的誤差對硬度測量的影響

測量壓痕直徑裝置最大的誤差應在±0.5%內。目前測量曲軸所用的設備為萬工顯。為了保證測量準確性要定期對萬工顯進行期間核查，測量X、Y方向的長度誤差，在要求范圍內即可正常使用。當超出設備要求時，誤差較小時用軟件進行補償，誤差較大可通過調節硬件感應器的距離及平行度，或控制器進行補償。

2.3人為因素及環境因素對硬度測量準確性的影響

2.3.1員工熟練程度對硬度測量的影響

員工未按儀器操作要求進行測量或設備操作不熟練，為避免此種情況發生，首先要對員工進行培訓及考核，通過考核的人員方能進行設備操作，其次是定期對實驗員的操作過程進行跟蹤，避免出現思想意識淡薄而造成測量誤差。

2.3.2曲軸樣塊硬度測量點未按要求選取對硬度測量的影響

硬度測量點的距離應符合距離邊緣至少為壓痕平均直徑的2.5倍，兩相鄰壓痕的距離至少為壓痕平均直徑的3倍。當測量點不滿足要求時，由于壓痕受到邊緣或者相鄰壓痕硬化區的影響，會使變形受阻，使硬度測量不準確。為避免此種情況，需培訓員工，并定期對已測量的曲軸樣塊進行檢查。

3　結束語

本文從曲軸硬度測量方法的正確選擇及測量過程中誤差分析與解決兩個方面展開論述，確立了曲軸布氏硬度的最佳測量方案并為實際測量過程中遇到的問題提供切實有效分析方法及解決方案，從而確保曲軸硬度測量的準確性，減少誤判和錯判情況的發生。

［1］潘偉.布氏硬度計中的誤差分析及解決［J］.中國建筑金屬結構，2003，（1）：149.

［2］GB/T231.1.1-2009，金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法［S］.

［3］GB/T231.1.2-2012，金屬材料布氏硬度試驗第2部分：硬度計的檢驗與校準［S］.

［4］魯統湘.布氏硬度計試驗的主要影響因素分析決［J］.冶金標準化與質量，2008，（6）:31-32.

［5］熊建文.求布氏硬度試驗試樣最小厚度的方法［J］.理化檢驗.物理分冊，1994，（6）:38.

［6］王濱.ASTM布氏硬度試驗標準簡介［J］.理化檢驗.物理分冊，2004，40（6）：321-323.

Hardness Measurementand Error Analysis and Solve of Crankshaft

LV Yan-li1，HAN Hua-lei2
（1.Saic GMWuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi545007，China；2.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Discuss the monitoring method of crankshaft hardness.Through the choice of hardness measurement，pressure，force，measurement location and the causes ofmeasurement errors and the analysis of the corresponding solutions，to determine the best approach tomonitoring.In order to ensure the accuracy of the hardness testing and the effectiveness ofmonitoring.

hardness；crankshaft；brinell hardness；error analysis

TH871.5

A

1672-545X（2016）06-0152-03

2016-03-26

呂艷莉（1986-），女，河南新鄉人，本科，助理工程師，主要研究方向精密檢測及來料的質量控制等方面。