数显布氏硬度计保荷试验力波动度对硬度示值的影响

厉 旻/上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

随着控制技术的发展，布氏硬度计的外观结构和控制加载也有了很大的改进和革新，其中最明显的改变就是：由传统的杠杆加荷式原理加杠杆控制系统提供试验力的压入式加荷方法，发展为由精密的机械结构和微机控制闭环系统的光、机、电一体化产品，其控制过程是采用步进电机或伺服电机加卸试验力，通过高精度的测力传感器进行反馈，在CPU的控制下可对保荷试验中衰减的试验力进行自动补偿。其优点是显而易见的，去除了繁琐的砝码结构，取而代之的是精巧的力控制系统，在保证整机刚性的前提下，使得整台设备减轻了重量，便于搬运，同时也简化了操作。然而，问题也随之出现了，传统的杠杆加砝码的加力方式，只要周围没有震源，在保荷过程中，力值一般是不会产生波动的，而采用了新的加载方式后，力控制系统带出了新的问题，尤其是在力值保荷的过程中，由于伺服电机的特性，其产生的力值在保荷过程中会衰减，在微机的控制下，当力值衰减到一定的程度时，系统便通过增加力值来补偿衰减，使保荷力重新回到理想的状态，这样一来，保荷时的力值便会产生波动，而且该波动度的大小和频率会随着反馈信号采样频率的变化而变化。根据GB/T 231-2002《金属布氏硬度试验方法》规定，不同材质的金属要求保荷的时间不同：黑色金属的试验力保持时间为（10～15）s，有色金属为（30±2）s，布氏硬度＜ 35时为（60±2）s。那么在这些时间段里，采用新的加载方式保荷，试验力的波动度对材料的硬度值会产生多大的影响，就值得探讨了。需要说明的是，为了降低制造成本，目前大多数数显布氏硬度计只采用一套力传感器系统，也就是说布氏硬度计加载的力值范围62.5 kgf （ 612.9 N）～3000 kgf（29400 N）都是由一套力传感器系统来控制完成的，而一般测力传感器的有效量程是10%～100%，因此对于一个满量程为3000 kgf（29400 N）的传感器来说，要保证其10%以下，即＜300 kgf（2940 N）的力值精度，将是一个考验。因此，本次实验采用测量上限为3000 kgf （29400 N）的力值传感器来控制62.5 kgf（612.9 N）的力。

2 试验内容

2.1 取样

选取均匀度≤1%的标准布氏硬度块3块，目的是为了减小硬度块均匀度对试验结果的影响。分别标记为A，B，C。

2.2 校验设备及校验条件

试验设备为XHB-3000型数显布氏硬度计，采用NI数据采集卡(PXI4220)及HBM力传感器；

试验条件为HBW2.5/62.5(F/D2一10)；

整个试验过程试验温度为（18～28）℃；

采样速率（1000 Hz）。

其中：F 表示试验力，kgf（N）

D表示压头球体直径，mm

2.3 试验方法

参照GB/T 231.1-2002 金属布氏硬度试验 第1部分：试验方法以及GB/T 231.2-2002 金属布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验与校准。

进行布氏硬度试验时，为了具有可比性，从加力开始到施加全部试验力的时间控制在（6±0.5）s之间，对试样施加的试验力保持时间为（12±0.5）s，在试样上压出均匀分布的5个压痕。通过改变闭环控制系统中的补偿系数来改变保荷力值的波动度，按照此方法，依次采用波动度≤0.5%，0.5%＜波动度≤1.0%，1.0%＜波动度≤1.5%的保荷试验力，分别在A，B，C三块试样上产生压痕，记录数据。

Fmax，Fmin分别为保荷时力值采样的最大值和最小值。

整个试验过程中的力值变化通过多功能机械量动态采集系统采集完成，如图1所示。

图1

提取其中的保荷阶段曲线，不同波动度的试验力力值变化经放大后依次如图2，3，4所示。

图2

图3

图4

3 结果与讨论

将保荷阶段不同波动度的试验力作用下所测得的试样的布氏硬度值依次列于表1。

表1

根据公式，硬度计示值误差：

式中：

δ —硬度计示值误差；

硬度计示值重复性：

式中：

Hmax—5点中硬度值最大值；

Hmin—5点中硬度值最小值；—5点硬度值的算术平均值。

将示值误差和示值重复性列于表2。

表2

根据JJG 150-2005《金属布氏硬度计检定规程》，硬度范围在（≤125HBW）的硬度计示值，其最大允许误差和示值重复性分别为（±3%）和（≤3.5%）。通过计算公式，可分别得出保荷试验力波动度对布氏硬度示值误差和示值重复性的影响。

式中：

δA,δB,δC—分别为A，B，C三种布氏硬度的示值误差；

δmax—表示硬度计示值最大允许误差（此处取3%）。

式中：

Ycf—波动度对布氏硬度示值重复性的影响系数；

HcfA,HcfB,HcfC—分别为A，B，C三种布氏硬度的示值重复性；

Hcf max—表示硬度计示值最大示值重复性（此处取3.5%）。

计算结果见表3。

表3

通过数据分析比较可知，保荷试验力波动度对布氏硬度的测量是有影响的，而且影响系数随着波动度的增大而增大。虽然波动度对布氏硬度示值误差和示值重复性的影响，在金属布氏硬度计检定规程允许的误差范围内。但随着波动度的增加，布氏硬度的示值误差和示值重复性也随之增大。特别是当波动度＞1.0%后，硬度计的示值误差和示值重复性明显增加，甚至于接近最大允许误差。因此，将保荷试验力的波动度控制在合理的范围内（理想状况是将保荷试验力的波动度控制在≤0.5%的范围内），可以有效地减小硬度计的系统误差。

作为一种新型的硬度计机型，或许在今后的国标或检定规程中可以考虑对硬度计保荷力值的波动度要求规范化。

[1] 全国钢标准化技术委员会. GB/T 231.1-2002［S］. 北京：中国标准出版社, 2002.

[2] 全国力值、硬度计量技术委员会.JJG 150-2005［S］. 北京：中国计量出版社, 2005.

[3] 郁有文，常健.传感器原理及工程应用［M］. 西安：西安电子科技大学出版社, 2003.7.

[4] 余成波，胡新宇，赵勇.传感器与自动检测技术［M］. 北京：高等教育出版社, 2004.2.