熱處理產(chǎn)品洛氏硬度測(cè)量不確定度的研究

盧 威，張啟元

(張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南張家界 427000)

熱處理產(chǎn)品洛氏硬度測(cè)量不確定度的研究

盧 威，張啟元

(張家界航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南張家界 427000)

在檢查零件洛氏硬度的過程中，當(dāng)零件硬度測(cè)量值接近規(guī)程所要求的極限邊界時(shí)，容易出現(xiàn)誤判。本文通過對(duì)零件洛氏硬度的測(cè)量誤差分析，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)過程，應(yīng)用Minitab軟件進(jìn)行單樣本均值計(jì)算，操作人員同時(shí)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行粗大誤差的剔除;然后依據(jù)國(guó)標(biāo)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)洛氏硬度測(cè)量值的不確定度進(jìn)行計(jì)算和比較，從而得出硬度測(cè)量值接近極限邊界時(shí)如何做出準(zhǔn)確而實(shí)用的產(chǎn)品合格判定方法。

洛氏硬度;不確定度計(jì)算;合格判定方法

在熱處理產(chǎn)品洛氏硬度檢查過程中，通常會(huì)遇到零件硬度值接近極限邊界的情況。檢驗(yàn)員在此時(shí)按規(guī)程要求對(duì)極限邊界之外的產(chǎn)品判定為不合格。但重新檢查時(shí)或者用另一臺(tái)同樣標(biāo)尺的合格硬度儀進(jìn)行硬度檢查時(shí)又會(huì)在極限值之內(nèi)，造成檢驗(yàn)員無法確定是否合格。此種情況下檢驗(yàn)員按從嚴(yán)原則判定為不合格，但這會(huì)大大增加合格產(chǎn)品大量返修、報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

為此研究人員通過生產(chǎn)中常用的HRC標(biāo)尺測(cè)量過程進(jìn)行分析研究，找到產(chǎn)生上述問題的原因，提出判定理論依據(jù)，通過實(shí)際產(chǎn)品的檢查驗(yàn)證，得到了準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、實(shí)用的產(chǎn)品硬度判定方法。

1 問題分析及解決思路

上面提到的問題主要是由于硬度測(cè)量精度不夠造成的，如何在現(xiàn)有條件下縮小測(cè)量誤差、提高測(cè)量精度是解決問題的關(guān)鍵。在現(xiàn)場(chǎng)熱處理產(chǎn)品硬度檢查過程中，由于零件結(jié)構(gòu)的限制及產(chǎn)品批量大，一般情況下每件產(chǎn)品只檢查一點(diǎn)的硬度值。測(cè)量誤差按性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。由于隨機(jī)誤差不可預(yù)見不易消除，在現(xiàn)有條件下要減小測(cè)量誤差，可通過在硬度檢查過程中剔除粗大誤差和減小系統(tǒng)誤差來進(jìn)行控制。

粗大誤差是指超出在規(guī)定條件下的測(cè)量誤差，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生明顯歪曲的數(shù)值。在現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品硬度檢查過程中，目前檢驗(yàn)員對(duì)超出極限邊界硬度值的零件，會(huì)檢查下列影響因素:1)硬度儀測(cè)頭未安裝好或者損壞;2)制件表面未清理干凈，有毛刺、油污、銹跡、氧化皮、局部退火或冷作硬化;3)制件試驗(yàn)表面粗糙度不符合要求;4)制件放置不正確;5)操作不準(zhǔn)確;6)檢測(cè)硬度的部位選擇不當(dāng)?shù)确矫鎭磉M(jìn)行粗大誤差的剔除，并對(duì)硬度值異常的產(chǎn)品進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，然后取其平均值作為最終測(cè)量值。當(dāng)遇到零件硬度值接近極限邊界的情況時(shí)上述方法能有效排除粗大誤差產(chǎn)生的影響。

系統(tǒng)誤差是指在一定測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)幾何量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量，誤差的大小和符號(hào)均不發(fā)生變化，或按一定規(guī)律變化的測(cè)量誤差。根據(jù)系統(tǒng)誤差的性質(zhì)和變化規(guī)律，可以用計(jì)算或?qū)嶒?yàn)對(duì)比的方法確定修正值以消除系統(tǒng)誤差帶來的影響［1］。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1—2004《金屬洛氏硬度試驗(yàn)第l部分:試驗(yàn)方法》中第8條:在置信水平為95%時(shí)得到的不確定度值相當(dāng)于在GB/T 230.2中表5的最大允許誤差。與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS0/DLS 6508.1—2004《對(duì)金屬洛氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定方法》采用的無偏差法相一致。所謂無偏差法是指在不考慮硬度計(jì)系統(tǒng)偏差，只要硬度計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值之差在允許誤差范圍內(nèi)，直接對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)得到的數(shù)值即為產(chǎn)品硬度數(shù)據(jù)。依此目前現(xiàn)場(chǎng)使用的硬度檢查方法不確定度為±1.5 HRC。測(cè)量不確定度是表示由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)幾何量量值不能肯定的程度，當(dāng)出現(xiàn)零件硬度值接近極限邊界的情況時(shí)，由于不確定度值較大容易產(chǎn)生誤判。

按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IS0/DLS 6508.1—2004《對(duì)金屬洛氏硬度試驗(yàn)測(cè)量不確定度的評(píng)定方法》中采用的偏差修正法，是指在無偏差法的基礎(chǔ)上，考慮硬度計(jì)系統(tǒng)偏差，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)得到的數(shù)值進(jìn)行修正，此時(shí)無偏差法硬度值不確定度比偏差修正法大［5］。

這里研究人員提出在發(fā)生硬度測(cè)量值偏極限值并超過產(chǎn)品硬度要求公差的情況時(shí)，用偏差法進(jìn)行修正判定，一方面大大減少合格品被判為不合格品的風(fēng)險(xiǎn);另一方面減少不合格品被判定為合格品的機(jī)率，幫助提高判定的準(zhǔn)確性。

2 不確定度計(jì)算及合格判定

現(xiàn)有待測(cè)量產(chǎn)品共7件，此產(chǎn)品材料為40CrA，經(jīng)淬火、回火后要求100%進(jìn)行硬度檢查，硬度值為30.5～37 HRC。采用數(shù)字洛氏硬度儀(型號(hào):600MRD)進(jìn)行測(cè)量。

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及粗大誤差剔除

標(biāo)準(zhǔn)板值:28.4 HRC

第一次連續(xù)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板3個(gè)點(diǎn)的值為(第1、2點(diǎn)不計(jì)):27.7、27.4、27.2 HRC;

第二次連續(xù)實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板3個(gè)點(diǎn)的值為:27.2、27.3、27.2 HRC;

產(chǎn)品實(shí)測(cè)值為:34.9、36.2、34.5、33.3、33.7、33.2、35.7 HRC。

運(yùn)用Minitab軟件進(jìn)行單樣本計(jì)算得到的結(jié)果見表1。

表1 用Minitab軟件單樣本計(jì)算結(jié)果Table 1 The results of single sample calculated by Minitab software

與產(chǎn)品實(shí)測(cè)值 36.2、33.3、33.2、35.7 HRC 在統(tǒng)計(jì)上有明顯差異，但均在合格范圍內(nèi)，且沒發(fā)現(xiàn)過程異常，可認(rèn)為產(chǎn)品實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)沒有粗大誤差。

2.2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

帶不確定度的硬度值為(33.2 ～36.2)±1.5 HRC。

2.3 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)偏差修正法計(jì)算

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)偏差修正法計(jì)算如下:

式中:Ucorr為零件硬度值擴(kuò)展不確定度;k為包含因子;UCRM為標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值不確定度;UH為測(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度計(jì)不確定度;Ux為零件硬度值不確定度;Ums為與壓痕深度測(cè)量系統(tǒng)分辨力相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;Ub為平均修正值不確定度;X為帶不確定度的硬度值測(cè)量結(jié)果;χ為每件產(chǎn)品的硬度實(shí)測(cè)值;b為修正值bi的平均值。

其中，包含因子k=2;標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值不確定度UCRM按ISO/DIS 6508-3表 B.4查得 UCRM=UCRM/2=0.3/2=0.15。

測(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度計(jì)不確定度UH計(jì)算如下:

1)用第一次實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板3個(gè)點(diǎn)的值計(jì)算

a.標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)偏差

b.測(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度計(jì)不確定度

2)用第二次實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)板3個(gè)點(diǎn)的值計(jì)算

a.標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的標(biāo)準(zhǔn)偏差

b.測(cè)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度計(jì)不確定度

測(cè)定該批產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)不確定度Ux計(jì)算如下:

a.產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)偏差

b.產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

與壓痕深度測(cè)量系統(tǒng)分辨力相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度Ums計(jì)算如下:

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)偏差修正法測(cè)量結(jié)果的不確定度

帶不確定度的硬度值

2.4 合格判定

按GJB 3756—99《測(cè)量不確定度的表示及評(píng)定》附錄B規(guī)定:用測(cè)量設(shè)備對(duì)被檢件進(jìn)行測(cè)量，若示值與測(cè)量結(jié)果之差在規(guī)定的允許誤差極限之內(nèi)時(shí)為合格，反之為不合格。測(cè)量結(jié)果的不確定度將影響合格判定的風(fēng)險(xiǎn)程度。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到該批產(chǎn)品的帶不確定度的硬度值為(33.2 ～36.2)±1.5 HRC。依據(jù)上面的判定原則，可判定此批產(chǎn)品為合格。但是按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)偏差修正法計(jì)算，得到該批產(chǎn)品帶不確定度的硬度值為(34.3 ～37.3)±1.1 HRC，第二件產(chǎn)品的硬度修正值為 36.2+1.1=37.3 HRC，可判定此點(diǎn)硬度為不合格，其余產(chǎn)品硬度合格。由此可見，運(yùn)用偏差修正法得到的測(cè)量結(jié)果的不確定度更小，測(cè)量結(jié)果更加可靠。

3 結(jié)論

在熱處理產(chǎn)品的洛氏硬度HRC標(biāo)尺檢查過程中，當(dāng)遇到零件硬度值接近臨界點(diǎn)或硬度值測(cè)量精度要求高的情況時(shí)，在剔除掉粗大誤差后，可使用硬度儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊硬度值進(jìn)行不少于連續(xù)3點(diǎn)的2次硬度實(shí)測(cè)，用實(shí)測(cè)硬度平均值與標(biāo)準(zhǔn)板值之差得到平均修正值，用修正測(cè)量值對(duì)產(chǎn)品的硬度值進(jìn)行合格判定。在產(chǎn)品硬度值的檢查過程中產(chǎn)生爭(zhēng)議時(shí)，用此方法判定合格更為可靠，此方法也可推廣到對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查的HR15N等其他標(biāo)尺的洛氏硬度中。

［1］GB/T 15481—2000檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求［S］.

［2］李久林，單凱軍，何明文，等.GB/T 230.1—2004《金屬洛氏硬度試驗(yàn)》［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003，4.

［3］ISO 6508-2-1999 Metallic Materials Rockwell Hardness Test，Part2:Verification and Calibration of Testing Machines［S］.

［4］ISO 6508-2-1999 Metallic Materials Rockwell Hardness Test，Part3:Calibration of Reference Blocks［S］.

［5］李久林，肖紅.國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中洛氏硬度值測(cè)量不確定度的評(píng)定方法對(duì)比與分析［J］.物理測(cè)試，2006，24(1):48 -54.

［6］賀水燕，文盛樂，蔡靜，等對(duì)用貝塞公式評(píng)定不確定度的思考［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，2006，19(1):24-26.

Research on Measurement Uncertainty of Rockwell Hardness for Heat Treatment Product

LU Wei，ZHANG Qi-yuan
(Department of Aviation Maintenance Engineering，Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Zhangjiajie Hunan 427000，China)

In the process checking rockwell hardness of part，when hardness measurement value is close to the limit boundary of rules required，it prones to miscarriage.In this article，through analyzing measurement error of rockwell hardness，the average of single sample is calculated combining with the actual testing process and appling Minitab software.At the same time，operator eliminates the large error from measurement data based on their own experience，then the uncertainty of rockwell hardness measurement value is calculated and compared according to national standard and international standard.How to make an accurate and practical products qualified determination methods as gaining the hardness measurement value close to the limit.

rockwell hardness;calculating uncertainty;qualified determination method

TG115.5+1

A

1673-4971(2014)05-0061-03

2014-06-11

盧 威(1980-)，男，本科，助教，主要從機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、焊接及其自動(dòng)化教學(xué)、研究。

聯(lián)系電話:15074485331;E-mail:514103087@qq.com