曲轴硬度测量方法及误差分析与解决

　吕艳莉，韩华磊

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2.柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州545007）

曲轴硬度测量方法及误差分析与解决

吕艳莉1，韩华磊2

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007；2.柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州545007）

讨论了曲轴硬度的监控方法。通过硬度的测量方法，压头、测量力、测量位置的选择及测量过程中可能引起测量误差的原因及相应的解决方法的分析，确定最佳监控方法，保证硬度测量的准确性和监控的有效性。

硬度；曲轴；布氏硬度；误差分析

曲轴的硬度与机加工的切削性能及刀具的寿命有着密切的关系，监控曲轴硬度，有效隔离不合格产品，保证上线生产的曲轴为合格产品，对于改善切削性能，提高刀具寿命，提升生产效率至关重要。如何测量曲轴硬度及保证硬度的准确性减少测量误差是监控硬度的关键。本文通过曲轴的测量方法的选择及曲轴测量误差分析两方面进行分析，给出测量的最佳方案及避免误差的方法，保证曲轴硬度测量的准确性。

1　曲轴硬度的测量方法的选择

曲轴硬度图纸要求为217-276HBW.曲轴测量的硬度为布氏硬度。布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力，把一定直径的硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力测量留在试件表面的压痕直径，以压痕表面积所承受的平均压力表示布氏硬度值［1］。布氏硬度测量的优点是压痕面积大，测量结果反映较大范围金属的平均硬度值，很少受到个别组织的影响。曲轴硬度的测量，首先要选择合适的标尺及测量位置。

1.1曲轴硬度测量标尺的选择

曲轴的材料成分为球墨铸铁。根据GB-T 231.1-2009《金属布氏硬度试验第1部分：试验方法》表3内容［2］，曲轴的硬度≥140HBW，选择试验力-球直径平方的比率（0.102×F/D2）为30，查GB-T 231.1-2009表2试验力-球直径平方的比率为30时，标尺有HBW 10/3000、HBW 5/750、HBW 2.5/187.5，为了保证在尽可能大的代表性的试样区域试验，应选择大直径10 mm的压头，故曲轴选择标尺为HBW10/3000.

1.2曲轴硬度测量位置的选择

根据曲轴的铸造工艺，图纸已给出硬度的测量位置，如图1所示。

图1　硬度的测量位置示意图

2　曲轴硬度测量误差分析与解决

2.1曲轴试验样块对硬度测量准确性的影响

2.1.1制备曲轴试样时，加工因素对硬度测量的影响

对曲轴进行切割制备试样时，过冷、过热加工都会影响到曲轴样块硬度；过冷过热就相当对曲轴样块的切割面进行二次热处理，从而改变曲轴样块原始的硬度。为避免此种现象，在制备样块时，要合理调整切削液的用量及切削速度等可能造成过冷过热现象产生的因素。

2.1.2曲轴样块粗糙度对硬度测量的影响

曲轴样块粗糙度越小，表面光洁度越好，测量压痕时，压痕边界清晰，反之边界模糊，不易判断，易造成测量误差。一般曲轴样块的粗糙度要求为Ra≤1.6［3］.当样块粗糙度不满足要求时，可通过磨抛机磨制。磨抛时采用180目的水磨砂纸，磨抛机的速度不宜过快，一般选择700 rmp～900 rmp.磨制完成后可通过比对样块进行比对，或直接采用粗糙度轮廓仪进行粗糙度测量，满足粗糙度要求即可。

2.1.3曲轴样块表面油污/者氧化皮等对硬度测量的影响

曲轴材料为球墨铸铁，为了防止样块生锈会涂抹防锈油，有防锈油存在时，测量硬度、摩擦力较小，从而使硬度值测量偏低；若样块润滑不良，样块表面会产生氧化层，氧化层越疏松越薄，则硬度测量值偏小，反之硬度测量值偏大。测量过程中一定要去除氧化层及油脂等，保证测量面清洁。

2.1.4曲轴样块厚度及倾斜度对硬度测量的影响

（1）试验的厚度太薄，会造成试样背面变形，硬度测量的值会偏大。试验的厚度应大于压痕深度的8倍，曲轴样块的硬度范围为217-276HBW.压痕深度的计算公式为压痕深度，D为直径，d为压痕直径），由公试可以看出曲轴硬度越小，压痕深度越大。而实际测量过程中硬度会出现不合格情况，用硬度150HBW计算深度更加合理。当硬度为150HBW时，压痕深度为1.283 mm，则样块的厚度至少10.3 mm.考虑到样块表面粗糙度不合格时需进行磨抛，故样块的厚度至少为12 mm.

（2）样块切割面不平（倾斜），压头压入样块时，压入四周的抗力比平面小，使硬度降低，样块切割时要保证样块两面基本平行［4］。为了保证测量准确性，曲轴样块的厚度［5］及倾斜度应达到上述要求。

2.1.5曲轴样块温度对硬度测量的影响

样块温度高，则使硬度的测量值偏低，反之硬度偏高。试验温度应在10 C°～35 C°，实验室温度为18 C°～28 C°之间，满足要求。为避免曲轴样块温度与环境温度的差异，需将样块在实验室环境中放置3 h以上方可测量。

2.2测量设备对硬度测量准确性的影响

2.2.1试验力对硬度测量的影响

试验力的要求为试验力标称值的±1%，曲轴测量使用的压力为3 000 kg，压头试验力的标称值为29.42 kN［6］，即试验力的范围因应在29.13～29.71 kN.当力值出现偏差时，力值＜29.13 kN时，测量曲轴样块的值会比实际值偏大，反之，力值＞29.71 kN时，测量的硬度值会偏小。当怀疑试验力偏差时，可请计量院检定力值，确认力值问题时，使用设备的调力系数进行调整后再进行力值测量，直至力值测量值在要求范围内。

2.2.2压头球直径对硬度测量的影响

压头直径偏大时，测量的曲轴样块硬度偏小，反之，偏大。对于压头直径的监控，可使用千分尺定期进行期间核查。核查方法测量至少五个位置的球直径，当测量值均在（10±0.000 5）mm时，球直径合格，若超出此范围，更换新的球，并用同样方法进行直径确认。

2.2.3加载载荷速度及保荷时间对硬度测量的影响

（1）加载载荷速度越快，力的惯性也越大，试验变形时间短，从而硬度值增大，反之，硬度值减小。加载载荷速度异常主要原因是减速器问题，需专业人员维修。

（2）保荷时间长，则材料的变形时间长，压痕增大，从而使硬度值减小，反之，硬度值增大。对于曲轴样块选择保荷时间为10 s～15 s.

2.2.4测量压痕直径装置的误差对硬度测量的影响

测量压痕直径装置最大的误差应在±0.5%内。目前测量曲轴所用的设备为万工显。为了保证测量准确性要定期对万工显进行期间核查，测量X、Y方向的长度误差，在要求范围内即可正常使用。当超出设备要求时，误差较小时用软件进行补偿，误差较大可通过调节硬件感应器的距离及平行度，或控制器进行补偿。

2.3人为因素及环境因素对硬度测量准确性的影响

2.3.1员工熟练程度对硬度测量的影响

员工未按仪器操作要求进行测量或设备操作不熟练，为避免此种情况发生，首先要对员工进行培训及考核，通过考核的人员方能进行设备操作，其次是定期对实验员的操作过程进行跟踪，避免出现思想意识淡薄而造成测量误差。

2.3.2曲轴样块硬度测量点未按要求选取对硬度测量的影响

硬度测量点的距离应符合距离边缘至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕的距离至少为压痕平均直径的3倍。当测量点不满足要求时，由于压痕受到边缘或者相邻压痕硬化区的影响，会使变形受阻，使硬度测量不准确。为避免此种情况，需培训员工，并定期对已测量的曲轴样块进行检查。

3　结束语

本文从曲轴硬度测量方法的正确选择及测量过程中误差分析与解决两个方面展开论述，确立了曲轴布氏硬度的最佳测量方案并为实际测量过程中遇到的问题提供切实有效分析方法及解决方案，从而确保曲轴硬度测量的准确性，减少误判和错判情况的发生。

［1］潘伟.布氏硬度计中的误差分析及解决［J］.中国建筑金属结构，2003，（1）：149.

［2］GB/T231.1.1-2009，金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法［S］.

［3］GB/T231.1.2-2012，金属材料布氏硬度试验第2部分：硬度计的检验与校准［S］.

［4］鲁统湘.布氏硬度计试验的主要影响因素分析决［J］.冶金标准化与质量，2008，（6）:31-32.

［5］熊建文.求布氏硬度试验试样最小厚度的方法［J］.理化检验.物理分册，1994，（6）:38.

［6］王滨.ASTM布氏硬度试验标准简介［J］.理化检验.物理分册，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

吕艳莉（1986-），女，河南新乡人，本科，助理工程师，主要研究方向精密检测及来料的质量控制等方面。