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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-11-21 17:23
磁力式硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理
磁力吸盤(pán)
磁力式硬度計(jì)一般采用磁力吸盤(pán)，將硬度計(jì)固定于鋼鐵工件表面，從而確保其在硬度測(cè)量加載和卸載等過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)。
磁力吸盤(pán)系統(tǒng)主要由永磁體、導(dǎo)磁體和電磁體組成，其工作原理如圖1所示。
圖1 磁力吸盤(pán)工作原理示意圖
圖中虛線表示磁力開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)磁力開(kāi)關(guān)控制電磁體的磁極方向。當(dāng)磁力吸盤(pán)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，永磁體和電磁體的磁場(chǎng)極性相反，磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)磁材料內(nèi)部形成磁力線，對(duì)外表現(xiàn)為磁場(chǎng)削弱，磁力吸盤(pán)不會(huì)對(duì)鋼鐵零件產(chǎn)生磁力，僅供方便調(diào)整硬度測(cè)試位置。當(dāng)磁力吸盤(pán)系統(tǒng)處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，永磁體和電磁體的磁場(chǎng)極性相同，磁場(chǎng)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，疊加后的磁力線通過(guò)導(dǎo)磁體進(jìn)入鋼鐵零件，對(duì)外表現(xiàn)為磁場(chǎng)加強(qiáng)，磁力吸盤(pán)會(huì)牢牢吸附在鋼鐵零件上，將硬度計(jì)固定于測(cè)試樣品表面。
硬度計(jì)壓頭
硬度計(jì)壓頭是磁力式硬度計(jì)的主要部件，裝在測(cè)量裝置的主軸上。布氏硬度計(jì)的壓頭為直徑2.5mm或5mm的硬質(zhì)合金球，洛氏硬度計(jì)的壓頭為120°金剛石圓錐體或直徑1.588mm的硬質(zhì)合金球。
硬度測(cè)量方法
磁力式硬度計(jì)試驗(yàn)方法與臺(tái)式硬度計(jì)試驗(yàn)方法相同。如圖2所示，洛氏硬度是在初試驗(yàn)力F0和總試驗(yàn)力F(F＝F0＋F1，F(xiàn)1為主試驗(yàn)力)先后作用下，將金剛石圓錐體或球壓頭壓入試樣表面，在保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力F1，測(cè)量初試驗(yàn)力F0下的壓痕殘余深度；布氏硬度是將一定直徑(D)的硬質(zhì)合金球壓頭在相應(yīng)試驗(yàn)力作用下壓入試樣表面，在規(guī)定的保持時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量留在試樣表面的壓痕直徑d(或深度h)，計(jì)算試驗(yàn)力除以壓痕表面積的數(shù)值。
圖2 洛氏硬度和布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖
由上述分析可知，磁力式硬度計(jì)滿足GB/T 231.1-2018«金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法»以及GB/T 230.1-2018«金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法»規(guī)定的試驗(yàn)條件。測(cè)量布氏硬度的硬度計(jì)一般包括試驗(yàn)力加載機(jī)構(gòu)和力值指示裝置；測(cè)量洛氏硬度時(shí)，還需要壓痕深度測(cè)量裝置或洛氏硬度值指示裝置。
磁力式硬度計(jì)的校準(zhǔn)
主要校準(zhǔn)器的選擇
標(biāo)準(zhǔn)硬度塊為實(shí)物量具，其穩(wěn)定性和均勻度好，對(duì)硬度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果不確定度小。由于磁力式硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)與臺(tái)式硬度計(jì)的不同，磁力吸盤(pán)的結(jié)構(gòu)會(huì)限制加載區(qū)的范圍。根據(jù)需要選擇40mm×60mm規(guī)格或長(zhǎng)寬比更大的條形硬度塊，且滿足工作面表面積不小于2400mm2，以便校準(zhǔn)區(qū)域的位置調(diào)整和固定，保障檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。
支撐底座設(shè)計(jì)
根據(jù)磁力式硬度計(jì)的結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)加工鋼材支撐底座，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 支撐底座結(jié)構(gòu)示意圖
支撐底座分為固定區(qū)和加載區(qū)，固定區(qū)為硬度計(jì)磁力吸盤(pán)吸附的位置，參考市場(chǎng)上大部分磁力式硬度計(jì)的尺寸規(guī)格，建議c不小于60mm，f不小于60mm。加載區(qū)為硬度計(jì)主軸位置，校準(zhǔn)硬度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器一般為標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，根據(jù)檢定規(guī)程要求，建議b不小于50mm，e不小于6mm，在同時(shí)滿足加載區(qū)有效放置標(biāo)準(zhǔn)硬度塊并且固定區(qū)可以穩(wěn)定吸附的條件下，為了方便攜帶和安裝，可以盡量降低a和d，建議a不大于300mm，d不大于100mm。
校準(zhǔn)方法
首先通過(guò)觀察和實(shí)際操作確定加力機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)可以正常工作，指示裝置刻度標(biāo)記清晰正確且易于讀取。然后對(duì)于洛氏硬度，根據(jù)不同標(biāo)尺選擇合適的壓頭和試驗(yàn)力，硬度塊和壓頭相接觸時(shí)應(yīng)緩慢平穩(wěn)，以免損壞壓頭。主試驗(yàn)力施加時(shí)間為1~8s，總試驗(yàn)力保持時(shí)間為(4±2)s，主試驗(yàn)力在2~8s內(nèi)平穩(wěn)卸除。在標(biāo)準(zhǔn)塊的工作面上測(cè)定6點(diǎn)，第1點(diǎn)不計(jì)，其余5點(diǎn)均勻分布，并取平均值。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其平均值與標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值之差，即為硬度計(jì)的示值誤差，5點(diǎn)硬度值中最大值與最小值之差為示值重復(fù)性。對(duì)于布氏硬度，可根據(jù)不同的要求選擇合適的試驗(yàn)力和壓頭，加載時(shí)間和數(shù)據(jù)處理方法按照GB/T 231.1-2018規(guī)定進(jìn)行，5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的硬度平均值與標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值之差除以標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值即為示值誤差，5點(diǎn)硬度值中最大值和最小值之差與標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值的比值為示值重復(fù)性
磁力式硬度計(jì)的不確定度評(píng)定實(shí)例
根據(jù)磁力式硬度計(jì)的計(jì)量特性，給出利用磁力式硬度計(jì)測(cè)量洛氏硬度HRC標(biāo)尺(高值)結(jié)果的不確定度評(píng)定實(shí)例。
數(shù)學(xué)模型
數(shù)學(xué)模型公式如下
ΔH＝Hm-Hb(1)
式中：ΔH為硬度計(jì)的示值誤差；Hm為硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)值；Hb為硬度計(jì)示值的算術(shù)平均值。
不確定度傳播律
輸入量Hm和Hb彼此獨(dú)立不相關(guān)，則有
Hm的靈敏度系數(shù)c1=1；Hb的靈敏度系數(shù)c2=-1。
輸入量Hm的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hm)的評(píng)定
輸入量Hm的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hm)來(lái)源主要由兩部分組成，即硬度計(jì)的示值重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hm1)、硬度計(jì)的分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hm2)。
u(Hm1)的評(píng)定
硬度計(jì)的示值重復(fù)性主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的均勻度。硬度計(jì)示值是在標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上不同區(qū)域測(cè)得的結(jié)果，其測(cè)量的特殊性是同一點(diǎn)不可能重復(fù)測(cè)試，所以硬度計(jì)示值的重復(fù)性已經(jīng)包含了標(biāo)準(zhǔn)硬度塊均勻度對(duì)其示值的影響。通過(guò)連續(xù)測(cè)量得到一組測(cè)量列，采用A類評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。在一塊硬度值為64.3HRC的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊上選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)量，其結(jié)果的平均值和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表1。
表1 測(cè)量結(jié)果的平均值和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差HRC
已知測(cè)量點(diǎn)數(shù)n為5，每個(gè)硬度塊在重復(fù)條件下連續(xù)測(cè)量5次，5點(diǎn)硬度平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可按照下式計(jì)算
u(Hm2)的評(píng)定
硬度計(jì)示值讀數(shù)鼓輪的分度值為1HRC，分辨力導(dǎo)致的示值誤差限為±0.5HRC，由于被測(cè)量可能值出現(xiàn)在這一個(gè)分散區(qū)間內(nèi)任一點(diǎn)的概率相等，其變化服從矩形分布，采用B類不確定度評(píng)定，其不確定度按照下式計(jì)算
輸入量Hb的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Hb)的評(píng)定
不確定度u(Hb)由定值證書(shū)和經(jīng)驗(yàn)給出，采用B類評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定。硬度值為64.3HRC的標(biāo)準(zhǔn)洛氏硬度塊，校準(zhǔn)證書(shū)給出其擴(kuò)展不確定度為0.3HRC，包含因子k＝2，則有
u(Hb)＝0.3/2＝0.15HRC (5)
硬度計(jì)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度
已知各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，根據(jù)不確定度傳播律，得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，見(jiàn)表2。
表2 不確定度分量及合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度HRC
擴(kuò)展不確定度的評(píng)定
取包含因子k＝2，洛氏硬度(HRC高值)測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U為
U＝k·uc(ΔH)＝2×0.37≈0.8HRC (6)
由于標(biāo)準(zhǔn)硬度塊均勻穩(wěn)定，所以實(shí)驗(yàn)室最佳測(cè)量能力和實(shí)驗(yàn)室一般測(cè)量能力的不確定度基本一致，其他洛氏硬度標(biāo)尺不確定度評(píng)定方法與此相同。布氏硬度示值誤差的不確定度評(píng)定可以參考以上方法，計(jì)算其相對(duì)擴(kuò)展不確定度。
結(jié)論
通過(guò)對(duì)磁力吸盤(pán)工作原理的分析，給出了磁力式硬度計(jì)支撐底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；選擇40mm×60mm規(guī)格或長(zhǎng)寬比更大的條形標(biāo)準(zhǔn)硬度塊作為校準(zhǔn)器進(jìn)行檢測(cè)，按照洛氏硬度和布氏硬度相對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)方法，便于實(shí)現(xiàn)磁力式硬度計(jì)的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)；通過(guò)磁力式硬度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)其洛氏硬度高值測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度的評(píng)定，可確保磁力式硬度計(jì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。
來(lái)源：蔣帆理化檢驗(yàn)
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