便携式洛氏硬度计检定装置研究

张盛海,桑 干

(无锡市检验检测认证研究院,江苏 无锡 214101)

洛氏硬度计是一种常用的金属材料硬度测试仪器,广泛应用于各种金属制品的硬度测试。为了保证测试结果的准确性和可靠性,需要对洛氏硬度计进行定期检定或校准。洛氏硬度计的检验需进行直接检验和间接检验。直接检验包括:试验力的校准、压头的检测、压痕深度测量装置的校准和试验循环时间的检测;间接检验即使用标准硬度块对洛氏硬度计的硬度示值进行校准。

洛氏硬度计检定装置是用于检定洛氏硬度计的专用仪器,其计量特性直接关系到洛氏硬度计测试结果的准确性和可靠性。目前已有的洛氏硬度计校准装置大多比较笨重,所需标准器较多,不便于携带,不能实现现场检测,且过程复杂,效率低下,不同人员的操作会导致一定的数据偏差,数据获取源头过多,数据处理不方便。

本文研发了一套洛氏硬度计专用的检定装置,集成检定洛氏硬度计主要参数的各项功能,一体化设计,体积小,重量轻,便于携带和操作,能够实现对洛氏硬度计的加载载荷及其保持时间、测深装置及硬度示值进行同步校准。

对研发的洛氏硬度计检定装置的计量特性进行了系统性研究,通过试验测试和数据分析,得出该装置的准确性、稳定性等计量特性指标。依据国家计量检定规程JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》,采用该装置对市场上常用的洛氏硬度计进行校准,并按JJF 1033—2022《计量标准考核规范》进行验证。结果表明,该检定装置稳定可靠,达到规程对检定装置的要求,满足市场需求。

2.1 工作原理和结构

洛氏硬度计的测试原理是在规定的条件下,将压头(金刚石圆锥、钢球或硬质合金球)压入试样表面,待卸除主试验力后,在初试验力下测量压痕残余深度,以压痕残余深度来表征被测物洛氏硬度的高低。

本文研究的便携式洛氏硬度计检定装置的原理是通过模拟洛氏硬度计实际测试过程,对洛氏硬度计的压力、时间、深度等参数进行测试和校准,从而保证洛氏硬度计测试结果的准确性和可靠性。装置的主件结构如图1所示,其可直接安装在被检洛氏硬度计上,转换压块上端直接和硬度计的施压机构连接,下端与测头相连,底座带有支腿,可以稳定地放在标准洛氏硬度块上面。

图1 便携式洛氏硬度计检定装置结构图

试验时,将该装置及配套的测力平台放在被检硬度计的测试平台上(标准洛氏硬度块放置在测力平台上),试验过程中,在硬度计载荷的作用下,楔形块依附转换压块一起下移,将竖直方向的测深参量转化为水平方向的位移,通过位移传感器将采集的数据传输到微机系统,测力平台也将载荷大小通过力传感器实时反馈给微机系统并记录。通过载荷和位移的变化,微机系统可以识别被检硬度计的加载时间,这样,可以同步校准力值、测深和时间等几个主要参数。

2.2 硬件与软件设计

整个装置采用微机系统进行数据处理,其特点是功耗低、体积小、性能稳定。系统采用18位多功能数据采集卡作为硬件部分的核心设备,该数据采集卡具有多个输入通道,可以同时测量多个参数,满足洛氏硬度计检定和校准时多参数的测试要求。此外,本装置还配置有显示器、键盘、鼠标等硬件设备,用户可以方便地进行数据输入和结果输出。

本装置采用Windows(Win7以上)操作系统,并开发了专用的硬度计检定软件。该软件结合了洛氏硬度计的测试原理和数学模型,可以实现完整的检定和校准过程,具体包括:(1)硬度计测试界面:用于设置测试条件、选择测试模式、启动测试等操作。(2)测试数据采集与处理模块:采集测试数据并进行实时处理、生成测试结果。(3)测试结果输出模块:用于输出测试结果,并提供保存、导出等功能。

计量标准装置必须满足相应计量规程的要求。为了研究本装置的计量特性,分别采用高等级的计量标准对装置的各关键参数进行计量校准,并根据JJF 1033—2022《计量标准考核规范》的要求,对装置进行稳定性考核。对于每个参数,每个月进行1组10次重复测量,每组取算术平均值作为该组测得值。测试持续半年,测得6组数据,各组测得值的最大值与最小值之差即为该时间段内的稳定性指标。

(1)测力平台。对装置的测力平台采用L6-II型0.01级力标准机,在温度(20±2.5)℃(校准期间温度变动范围小于1℃)、相对湿度56.8%的环境条件下,依据国家计量检定规程JJG 144—2007《标准测力仪》,将装置的测力平台预先放置在校准实验室等温8h以上,对其力值校准,结果如表1所示。由表1可知,该测力平台的各计量指标符合JJG 144—2007《标准测力仪》对0.3级标准测力仪的计量要求,满足JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》对测力标准器的要求。

表1 测力平台的力值计量特性

(2)测深装置检定系统。采用规格为(0.5～100)mm的二等量块,在温度(20±0.2)℃(温度波动优于0.1℃/h)、相对湿度56.6%的环境条件下,依据JJF 1682—2017《光栅式测微仪校准规范》,将本装置的硬度计测深装置检定系统放置在校准实验室等温8h以上,然后对长度参数进行校准,其结果如表2所示。由表2可知,该硬度计测深装置检定系统的各计量指标符合JJF 1682—2017《光栅式测微仪校准规范》对0.2μm光栅式测微仪的计量要求,满足JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》对硬度计测深装置检定仪的要求。

表2 测深装置检定系统的计量特性

(3)计时系统。对装置的计时系统采用最大允许误差为±(T×107+2ms)的时间检定仪、最大允许误差为±0.01s/d的日差仪,在温度(20±2.5)℃(校准期间温度变动范围小于2℃)、相对湿度56.8%的环境条件下,依据国家计量检定规程JJG 237—2010《秒表》进行校准,其结果如表3所示。由表3可知,该计时系统各计量指标优于JJG 237—2010《秒表》对电子秒表的计量要求,满足JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》对计时标准器的要求。

表3 计时系统的计量特性

综上所述,结合表1-表3可知,本装置各项参数的计量指标均满足相应技术规程/规范的要求,其稳定性也满足JJF 1033—2022《计量标准考核规范》对计量标准的要求。

根据JJF 1033—2022《计量标准考核规范》中检定或校准结果的验证方案,结合洛氏硬度计的项目特点,采用比对法对本装置进行系统性验证。

选择项目能力相当、测量不确定度相近的两家已建标市级机构,与本实验室进行实验室间比对。依据JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》,在温度(23±5)℃、相对湿度50.4%～58.6%的环境条件下,分别对莱州华银试验仪器有限公司生产的编号为1685的HRS-150型数显洛氏硬度计进行校准,本装置(记为1#)和另外两家洛氏硬度计检定装置(分别记为2#、3#)的校准结果如表4-表7所示。总试验力保持时间设置5s,主试验力施加时间为(5～8)s,主试验力在(2～3)s内平稳卸除,选用常用的C标尺,硬度计的硬度示值校准结果见表6。

表4 试验力校准结果

表5 测深装置校准结果

表6 硬度示值校准结果

表7 总试验力保持时间的校准结果

根据JJF 1033—2022《计量标准考核规范》,比对结果采用式(1)进行评价:

(1)

将表4-表7中数据代入式(1),经计算可知,试验力、测深装置的深度值、硬度示值和试验力保持时间均满足式(1)的要求,即本装置对被检洛氏硬度计的校准结果准确可靠,满足JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》对计量标准装置的要求。此外,因为测深和时间参数是系统智能识别和记录,其校准结果明显优于另外两家。

便携式洛氏硬度计检定装置体积小、重量轻、便于携带和操作,其力值的最大量程可达2500N,精度优于0.3级(标准测力仪),长度参数的最大测量值超过0.3mm,其测量精度相当于0.2μm等级的光栅测微仪,时间的测量精度可达到分辨率为0.01s的电子秒表水平,满足JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》对标准器的要求,也符合JJF 1033—2022《计量标准考核规范》对洛氏硬度计检定装置的计量考核要求。

该装置能同步完成硬度计加载载荷、硬度示值、测深装置和加载保持时间的校准,校准结果符合JJG 112—2013《金属洛氏硬度计》的要求,极大提高了工作效率,可对市场上各类洛氏硬度计开展检定和校准工作。

本文研究课题得到了江苏省市场监督管理局科技计划项目(项目编号:KJ21125010)的资助,本文试验得到南京市计量监督检测院、常州检验检测标准认证研究院的重要支持。

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