方形量块的检测方法

/上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

量块是具有一对相互平行测量面的实物量具，其长度计量标准广泛应用于长度量值的传递或溯源。大多数量块选用较为稳定耐用的轴承钢作为材料，也有选用陶瓷这类热膨胀系数极小的材料来制作的。方形量块是近年出现在市场上的一种有别于传统截面尺寸 9 mm×30 mm 或 9 mm×35 mm 规格的量块，其测量面规格为正方形，正中央存在锁紧孔，必要时可在量块研合后使用锁紧螺钉使研合更稳固，组合量块比较测量更方便。

量块分为1、2、3、4、5等和K、0、1、2、3级[1]，对于量块等级必须达到的平面度、粗糙度、长度极限偏差等都进行了定义，但由于方形量块部分计量性能要求发生了改变，因此对方形量块校检项目与方法的探讨具有一定的意义。

1 方形量块的检定项目、主要设备

标准规格量块在检定过程中，对平面度、粗糙度、研合性等项目都有一定的要求，而方形量块由于存在锁紧孔，因此需要额外对孔的直径、圆度、位置及粗糙度等设置计量性能要求。孔的直径、圆度及位置可使用万能工具显微镜或影像仪进行检定，孔对测量面和侧面之间垂直度、平行度和倒棱尺寸等可按侧边的检定方法进行检定。而孔的同轴度根据三坐标测量仪可测孔最大深度，对于标称值小于50 mm的方形量块可使用三坐标测量仪进行检定[2]，标称值大于50 mm的方形量块则适合使用工业CT进行扫描检定，可对其测量不确定度进行有效的控制[3]。

综上，方形量块具体需要检定的项目见表1。

标准规格量块后续须对外观、测量面的研合性、量块长度、量块长度变动量以及长度稳定度等项目进行检定，而方形量块由于存在锁紧孔，测量区域与普通量块相比自由度更大，因此，需要额外对测量面的平面度进行控制。

2 适用于方形量块中心长度检定项目

量块中心长度的定义为对应于量块未研合测量面中心点的量块长度。而方形量块横截面无法形成完整矩形，量块中心点的中心长度由于横截面中间存在的锁紧孔而无法测量，因此，需要重新定位方形量块测量面的中心点位置及对应的量块中心长度校检方法。

2.1 方形量块的标准姿态

当方形量块放置于检定装置工作台上时，为了更清楚地观察量块的标称尺寸标注，可以将数码字正对观察者方向放置的状态作为方形量块校检时的标准姿态。

2.2 方形量块的中心长度检定方法

由于方形量块测量面中心存在锁紧孔，使得测量区域间的自由度较大，因此，可以选择对方形量块分区域分别测量中心长度。如图1所示，按轴线分区域作为四个测量面区域并以数码字位置进行定位，定义A、B、C、D，测量量块中心长度后按相对应位置分别记录试验数据。

在量块做比较测量过程前，先将标准量块与被测方形量块放置在比较仪的工作台上等温足够长的时间。测量时，测头对准标准量块中心，拨叉数次，示值稳定后调零，再把被测方形量块移至测头下方，测头对准四个测量区域的中心点后，拨叉数次，待示值稳定后分别读取并记录长度偏差与对应的测量位置。

表1 方形量块检定项目及主要设备

图1 方形量块按轴线划分测量面区域定义测量中心长度

对方形量块分区域分别测量中心长度的优点在于：1）在使用时可以获得准确度更高的中心长度[4]；2）可对量块端面的平面度等作大致判断，并避免使用与相邻测量区域长度差较大的区域。

2.3 方形量块的测量中心点位置

方形量块长度进行校检前须对量块测量中心位置进行定位。取方形量块按轴线划分测量面四分之一区域进行分析，分别做出内心、重心，并取量块比较仪测头与量块的接触面积直径为 2 mm。由图2可见重心及内心距离较近。

由此可见，内心与重心重合部分可以作为方形量块中心点位置，如图3所示。而在日常量块检定中，比较难以定位中心点位置，因此需要探讨是否存在易定位的相似位置作为替代。优先考虑在方形量块的对角线上取点，以下对两种可行的取点方案进行分析。

图2 方形量块四分之一部分的内心、重心及其重合部分

图3 方形量块测量中心点位置

第一种是以对角线到孔最近交点连线的中点作为量块测量中心点位置（如图4）。

图4 按对角线到孔最近交点连线的中点替代测量中心点位置与测量中心点的重合度

第二种是以对角线到量块中心点连线的中点位置作为量块测量中心点位置（如图5），通过对测量中心重合度进行比较，认为第二种方案更接近实际的量块中心点。

图5 以对角线到量块中心点连线的中点替代测量中心点位置与测量中心点的重合度

因此，方形量块的测量中心点位置可选用该测量点进行替代，即可将对角线到量块中心点连线的中点位置作为量块测量中心点位置。

3 适用于方形量块长度变动量检定项目

量块的长度变动量指量块测量面上任意两测量点间的最大长度lmax与最小长度lmin之差。而标准规格量块测量长度变动量的方法是测量量块测量面中心和四角（距量块两相邻侧面各为1.5 mm）位置的长度，再取其最大值与最小值的差值作为长度变动量。该长度变动量定义也适用于方形量块，但测量长度变动量的位置会有所不同。按四个测量区域设定长度变动量测量位置，如图6所示，其中存在两个问题：1）无法对靠近锁紧孔的位置进行长度测量；2）测量长度变动量的位置较多，工作量大大增加。因此，通过对四个测量区域内的平面情况以及相互之间平面关系进行分析，进而对测量长度变动量的位置进行优化。

由图6左侧可见蓝色测量点位置沿对角线较为密集，且靠近锁紧孔位置的点无法测量，因此，可分析可能的平面形变情况后进行合并简化。方形量块由于可形变自由度较大，可能存在如拱形、漏斗形等形变情况，而在这些情况下测量面轴线靠近测量面中心的变化量较为明显，因此，可选择测量面轴线与中心长度测量点连线的交点替换交点周围密集的红色测量点。简化后如图6右侧所示测量点位置，内侧4个测量点在测量面轴线与中心长度测量点连线交点的位置上。

图6 四个测量区域的长度变动量测量位置与优化方案

进一步使用有限元分析法对变形情况下的形变量进行模拟验证，如图7所示，简化后的测量点也能够较好地反映端面长度变化情况。在测量时，任取其中一点作为零位点并校检其余7个点的偏差，并将测得的最大值与最小值之差的数值作为方形量块的长度变动量，也可根据需要分别给出部分区域的长度变动量。

图7 拱形及漏斗形形变情况下的形变量有限元分析模拟图

4 方形量块其他检定项目

4.1 方形量块的外观检定方法

方形量块外观检定项目的观察内容不仅限于普通规格量块，除了观察代表标称长度的数码字、测量面及侧面划痕、碰伤、锈蚀等情况外，还需要检查锁紧孔边是否因螺钉的长期压力而产生影响该量块计量性能的形变。

4.2 方形量块的端面平面度检定方法

方形量块平面度可使用直径不小于45 mm、厚度不小于11 mm的平晶以光波干涉法进行测量。但在研合长时间被锁紧的情况下，如图8所示，锁紧孔边缘形变量增加，孔周围可能由于螺母的压力而产生呈漏斗形的微小形变，进而使靠近锁紧孔的端面出现平面度较大的情况。

图8 量块锁紧孔受10 N螺母压力下形变量的有限元分析图

为了减小此影响，可如图9所示在两侧条纹连贯，远离锁紧孔与外边缘约0.8 mm的区域保留二至三根光波干涉条纹。在干涉条纹方向一致情况下，取上述区域的干涉条纹中弯曲度绝对值最大者，再乘以所采用光源波长的一半，所得值即为该测量面的平面度F。

图9 方形量块平面度检定方法

若两侧干涉条纹方向不一致，则需要对平面度进行合成，公式为其中m1、m2分别为量块两侧的条纹弯曲度[5]。

此方法的优点在于：1）了解测量区域内平面情况；2）了解相邻测量区域间的平面度关系。

4.3 方形量块的研合性检定方法

量块通常以与平晶研合后的平面情况来判定是否符合对应的等级要求[6]，而方形量块需要额外观察所有测量面区域的研合情况。例如对于标准K、0级量块，当研合面在照明均匀的白光下被观察时，在测量面中心沿长边方向约1/3的区域内无光斑；而对于方形量块，除每个测量区域中心点周围1/3区域应无光斑外，也需要对测量面轴线周围研合性情况有一定的要求，同理于1、2级量块的检定。

4.4 方形量块的长度稳定度检定方法

方形量块的长度稳定度可以按照对应位置分别对四个测量中心点进行测量，同时对其测量不确定度进行有效的控制[7]。若任一测量中心长度超过最大允许年变化量，则需要进行降等或报废处理。当年变化量较小时，可通过延长量块有效期的方法对变化量较大的区域进行控制[8]。

5 结语

本文对适用于方形量块后续检定中必须检定的项目以及方法进行了探讨，确定了方形量块测量点的位置并提出了分区域独立测量中心长度的方案，为方形量块检定规程的颁布提供了参考性的建议，并为更准确地检定校准方形量块奠定了基础。后续可以进一步对方形量块锁紧孔位置变形偏移的影响、不确定度评定方法及其他检定项目的测量方法等进行研究，这对方形量块的检定校准都具有一定的意义。