洛氏硬度计在校准时易被忽略的现象分析

沈运杰，李自武，牟娟

(1.中航工业西安航空发动机(集团)有限公司计量中心，陕西西安710021;2.大连市计量检定测试所，辽宁大连116031)

0 引言

影响洛氏硬度计测量结果准确性的因素很多，如金刚石压头角度的大小、负荷(力值)误差、加荷速度的快慢、负荷持续时间的长短、主轴位移测深装置误差以及机架变形等，它们对洛氏硬度计测试结果准确性的影响偶尔是独立的，更多的是相互交叉重叠而产生的综合现象。因此在处理硬度计各种影响因素时既要独立判断某一因素的影响量，又要综合分析各种因素之间的相互关系，作出正确判断，以免洛氏硬度计的测量结果存在较大的不确定度。

1 洛氏硬度计直接校准与间接校准结果不一致的原因分析

依据JJG112-2003《洛氏硬度计检定规程》或ASTM E18 洛氏硬度试验方法，对一台洛氏硬度计的负荷(力值)、循环时间、加荷速度、主轴位移(深测装置)、金刚石压头等部件或系统指标逐一进行校准，其结果均符合规程(方法)的要求。用标准洛氏硬度块HRC 标尺的60±2 高硬度值、45±2 中硬度值、30±2 低硬度值对洛氏硬度计进行间接校准时会出现以下三种情况:①标尺的高中低硬度值偏差方向基本一致，误差值在规定要求范围内;②低硬度值负超差，高硬度值正偏差;③低硬度值正偏差，高硬度值负偏差，当第②，③种偏差情况出现时，对机械式洛氏硬度计通过测量杠杆有时不能得到较理想的示值偏差修正，而对数显洛氏硬度计HRC 标尺的某一硬度值范围过度修正其示值的偏差，将影响洛氏硬度试验数据的可靠性。通过表1［1］可以看出各参数指标影响洛氏硬度计示值准确度的大小与方向。如果在校准一台洛氏硬度计时，使硬度值增大或减小的影响因素同时出现，有可能发生直接校准与间接校准结果不完全一致的现象，这时就需要对在直接校准时的各项参数指标进行适当的调整以使其处在一个合适的范围，例如:更换偏差值相反的压头，调整负荷杠杆以改变力值偏差方向等，这样才能避免出现硬度计示值偏差过大或高中低硬度值偏差不协调的现象。

表1 影响硬度计示值准确性的因素

直接校准与间接校准是从两个不同的方面反映硬度计的状态和技术指标。直接校准保证了各部件或系统的正确性，而间接校准反应的是各部件或系统之间的协调性，配合程度，综合反应了硬度计测试能力。

影响硬度计示值准确性的因素很多，远不止表1所列的这些，因此任何一台硬度计在校准时不可避免地会出现示值偏差，为了校准硬度计就需要对硬度计的示值偏差进行合理修正。现用的JJG122-2003《洛氏硬度计检定规程》和ASTM E18 洛氏硬度试验方法，没有对硬度计校准时示值偏差的修正范围给出参数要求，而对硬度计示值允差(误差)有参数要求，此参数要求是基于洛氏硬度试验原理和洛氏硬度量值传递图而确定的，所以建议硬度计的示值偏差修正应当不大于其规程(方法)所规定的相应硬度示值允差(误差)的数值，这样能保证硬度计具有良好的系统性，试验数据才具有可比性。

2 自动洛氏硬度计加荷与保荷时力值波动对硬度示值的影响

自动洛氏硬度计力值加荷与位移测量系统是力传感器和位移传感器与主轴于一体，如图1所示，通过伺服电机或液压系统闭环控制主轴工作，以达到力值与位移的测量和控制。

图1 自动洛氏硬度计原理图

在对自动洛氏硬度计力值校准时会出现以下情况:硬度计在加荷时，标准测力仪显示，初始阶段是匀速增加力值，而当接近标准力值时硬度计的力值加荷过程就变成停顿、调整循环进行，直到逐渐接近标准力值时停止，如图2 中的a曲线;另一种现象则是在标准力值上下一定范围内停顿、调整循环进行，直到逐渐接近标准力值时停止，如图2 中的b曲线。以上情况无论哪一种，其停顿、调整的区间不应大于相应力值的允差(误差)范围，加载时间不能超出规程(方法)允许的时长，否则将直接影响硬度计示值的准确性。

图2 自动洛氏硬度计加荷时的力值波动曲线

机械式洛氏硬度计的力值是通过悬挂的标准砝码所产生的重力并由负荷杠杆传递到硬度计主轴上，工作时标准砝码所产生的重力是不可逆转的，始终作用在硬度计主轴上，与主轴位移成正比，其主轴位移曲线与被测试件压痕深度曲线完全一致，两条位移参数曲线完全拟合;而自动洛氏硬度计是通过条件参数设置并对力值参数和位移参数的闭环控制来实现洛氏硬度试验，所以，自动洛氏硬度计在工作时力值通过压头作用在被测试件上，当试样在压头的作用下产生变形的同时主轴也产生相应的位移，这时主轴驱动机构为满足标准力值的存在必须重新进行位置调整，反复进行直到试验结束，当硬度计的调整能力不能满足硬度试验条件要求时，就会使硬度计在加荷与保荷时出现力值不稳定，造成硬度计示值重复性不好。如果力值波动过大甚至造成硬度计示值超差的结果，对低硬度值影响较大。

机械式洛氏硬度计通过百分表式指示度盘或光学标尺投影窗将整个测试过程表示出来，一般情况下可透过度盘或投影窗指示的状态和变化情况来判断硬度计相应环节的工作状态和存在的问题;而自动洛氏硬度计是通过状态标识符在显示屏上表示出此时的工作内容，不能模拟显示出工作状态，因此，有必要在周期校准自动洛氏硬度计时对硬度计的力值进行校准(参考文献［2］和［3］中对硬度计力值的周期校准未做要求)。通过硬度计力值的校准可发现硬度计力值在加荷与保荷时的变化状态，当发现硬度计在加荷与保荷时力值的波动大于相应标准力值的±1.0%(参考文献［2］和［3］中规定硬度计力值误差为±1.0%)，或力值的调整过于缓慢影响到硬度计的循环时间要求时，应对硬度计相关的控制程序和系统参数进行重新调整设置或与制造商联系获得技术支持，如果硬度计的力值超差，可通过硬度计试验力校准界面菜单修正力传感器参数，以确保硬度计的各项指标符合规程(方法)要求。

3 机架变形造成硬度计系统误差的分析

洛氏硬度计试验时，在施加主负荷后机架出现弹性变形或试样支撑装置出现位移(工作台升降丝杠下沉)均可造成硬度计示值的负误差，该误差就某一标尺而言对硬度值范围的影响量是一样的，属于系统性误差。

硬度计试样支撑装置是由工作台、升降丝杠、升降丝杠手轮、止推轴承、丝杠导座等部件组成。由于其特殊的结构形式(工作台与升降丝杠、升降丝杠手轮和止推轴承与丝杠导座由形状几何尺寸定位自然落放)，在使用时为了操作灵活，需要在丝杠和止推轴承等处加适量的机油或润滑剂以起到润滑作用。当机油加的过多或长时间不维护导致机油氧化时，在连接处形成粘稠的油膜，导致硬度计施加主负荷时部件之间在力的作用下对油膜产生挤压并使其改变原有的状态，造成支撑装置异常位移。依据洛氏硬度计试验原理可知，主轴每移动0.002 mm 就可产生1HRC 硬度值的误差，当支撑装置上的作用力消失并转动升降丝杠手轮后，油膜又恢复到初始状态，油膜或污物越多变形越大，为了使该影响量减少到最小，应定期对硬度计检查维护。工作台与丝杠接触面应洁净、光滑，径向无间隙，升降丝杠和止推轴承加油后应用洁布将浮油抹去，触摸后手不应有油印为好，转动手轮时丝杠上下移动自如顺畅。必要时可用数显千分表对其工作状态进行测量，方法如下:以硬度计对试样施加初负荷后将磁力表架吸在机体侧面，调整磁力表架支杆将数显千分表触头与工作台下端面接触并使数显千分表有一定量的压缩，对数显千分表清零后施加硬度计主负荷，观察数显千分表显示值的变化量，该变化量即是试样支撑装置的异常位移量。

一般情况下，机架变形量都是由机架自身的弹性变形和试样支撑装置的位移共同产生。机架在某一作用力下的变形是恒定的，其在出厂首次校准后是不会改变的。在周期校准时应对试样支撑装置进行检查和必要的维护，以避免将此误差引入到机架的变形误差中，从而导致错误的判断。

4 机械式洛氏硬度计测量装置异常的分析

机械式洛式硬度计的测量装置是由测量杠杆和专用百分表及附件组成，测量杠杆将主轴位移量经1 ∶5放大后由专用百分表转换成洛氏硬度值指示于度盘，如图3所示。

图3 机械式洛氏硬度计主轴和测量装置示意图

工作时试样随着工作台升起，测量杠杆在主轴位移的作用下使专用百分表长指针旋转3 圈后停止，此时专用百分表测杆在外力作用下向上位移使测杆拉簧处在张开的状态。在施加主负荷时，测量杠杆在主轴的带动下向下位移，此时的专用百分表测杆在测杆拉簧的作用下跟随测量杠杆与主轴同步位移(此时的测量杠杆位移误差不影响测量结果)。当硬度计的主负荷卸除后，在试样弹性变形恢复的作用下，主轴向上位移并带动测量杠杆与专用百分表测杆移动，正常情况下试样的弹性恢复能力足以克服初负荷(负荷杠杆及吊挂、主轴、测量杠杆以及专用百分表测杆)的作用力，而将主轴位移量传递到专用百分表显示于度盘。如果专用百分表测杆移动时有摩擦阻力或其他原因造成的测杆移动困难，以及测量杠杆支点轴承的油污、异物、磨损造成测量装置不灵活而产生阻力，就会影响到试样的弹性恢复，使硬度计出现负偏差，造成硬度计的系统误差。

如果校准硬度计在卸除主负荷时度盘指针停顿后又有少量的走动(与卸除主负荷时指针走动方向一致)，应考虑检查测量装置是否存在摩擦，也可打开硬度计上盖，将测量杠杆轻轻抬起，观察是否有卡阻现象，松手的同时观察度盘指针走动是否平稳和匀速，检查测量杠杆定位螺栓是否上紧，确认专用百分表外壳与机体配合正确并无松动。通过以上方法，发现并排除问题。

显然，当洛氏硬度计出现各种异常现象时，不能简单地处理和下结论，应通过问题现象结合硬度计的结构特点，由表及里逐步分析判断，找出问题存在的主因，使硬度计存在的问题得以正确解决。

［1］三机部304 所，国防工业计量站.硬度计量与硬度计［M］.上海:国防工业计量站，1979.

［2］国家质量技术监督局，全国力值、硬度计量技术委员会.JJG112-2003 金属洛氏硬度计检定规程［S］.北京:中国计量出版社，2003.

［3］美国国防部.ASTM E18- 11 金属材料洛氏硬度和洛氏表面硬度的标准测试方法［S］.中文版.2011.