曲軸硬度測(cè)量方法及誤差分析與解決

　呂艷莉，韓華磊

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

曲軸硬度測(cè)量方法及誤差分析與解決

呂艷莉1，韓華磊2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；2.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

討論了曲軸硬度的監(jiān)控方法。通過硬度的測(cè)量方法，壓頭、測(cè)量力、測(cè)量位置的選擇及測(cè)量過程中可能引起測(cè)量誤差的原因及相應(yīng)的解決方法的分析，確定最佳監(jiān)控方法，保證硬度測(cè)量的準(zhǔn)確性和監(jiān)控的有效性。

硬度；曲軸；布氏硬度；誤差分析

曲軸的硬度與機(jī)加工的切削性能及刀具的壽命有著密切的關(guān)系，監(jiān)控曲軸硬度，有效隔離不合格產(chǎn)品，保證上線生產(chǎn)的曲軸為合格產(chǎn)品，對(duì)于改善切削性能，提高刀具壽命，提升生產(chǎn)效率至關(guān)重要。如何測(cè)量曲軸硬度及保證硬度的準(zhǔn)確性減少測(cè)量誤差是監(jiān)控硬度的關(guān)鍵。本文通過曲軸的測(cè)量方法的選擇及曲軸測(cè)量誤差分析兩方面進(jìn)行分析，給出測(cè)量的最佳方案及避免誤差的方法，保證曲軸硬度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1　曲軸硬度的測(cè)量方法的選擇

曲軸硬度圖紙要求為217-276HBW.曲軸測(cè)量的硬度為布氏硬度。布氏硬度的測(cè)定原理是用一定大小的試驗(yàn)力，把一定直徑的硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力測(cè)量留在試件表面的壓痕直徑，以壓痕表面積所承受的平均壓力表示布氏硬度值［1］。布氏硬度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是壓痕面積大，測(cè)量結(jié)果反映較大范圍金屬的平均硬度值，很少受到個(gè)別組織的影響。曲軸硬度的測(cè)量，首先要選擇合適的標(biāo)尺及測(cè)量位置。

1.1曲軸硬度測(cè)量標(biāo)尺的選擇

曲軸的材料成分為球墨鑄鐵。根據(jù)GB-T 231.1-2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》表3內(nèi)容［2］，曲軸的硬度≥140HBW，選擇試驗(yàn)力-球直徑平方的比率（0.102×F/D2）為30，查GB-T 231.1-2009表2試驗(yàn)力-球直徑平方的比率為30時(shí)，標(biāo)尺有HBW 10/3000、HBW 5/750、HBW 2.5/187.5，為了保證在盡可能大的代表性的試樣區(qū)域試驗(yàn)，應(yīng)選擇大直徑10 mm的壓頭，故曲軸選擇標(biāo)尺為HBW10/3000.

1.2曲軸硬度測(cè)量位置的選擇

根據(jù)曲軸的鑄造工藝，圖紙已給出硬度的測(cè)量位置，如圖1所示。

圖1　硬度的測(cè)量位置示意圖

2　曲軸硬度測(cè)量誤差分析與解決

2.1曲軸試驗(yàn)樣塊對(duì)硬度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響

2.1.1制備曲軸試樣時(shí)，加工因素對(duì)硬度測(cè)量的影響

對(duì)曲軸進(jìn)行切割制備試樣時(shí)，過冷、過熱加工都會(huì)影響到曲軸樣塊硬度；過冷過熱就相當(dāng)對(duì)曲軸樣塊的切割面進(jìn)行二次熱處理，從而改變曲軸樣塊原始的硬度。為避免此種現(xiàn)象，在制備樣塊時(shí)，要合理調(diào)整切削液的用量及切削速度等可能造成過冷過熱現(xiàn)象產(chǎn)生的因素。

2.1.2曲軸樣塊粗糙度對(duì)硬度測(cè)量的影響

曲軸樣塊粗糙度越小，表面光潔度越好，測(cè)量壓痕時(shí)，壓痕邊界清晰，反之邊界模糊，不易判斷，易造成測(cè)量誤差。一般曲軸樣塊的粗糙度要求為Ra≤1.6［3］.當(dāng)樣塊粗糙度不滿足要求時(shí)，可通過磨拋機(jī)磨制。磨拋時(shí)采用180目的水磨砂紙，磨拋機(jī)的速度不宜過快，一般選擇700 rmp～900 rmp.磨制完成后可通過比對(duì)樣塊進(jìn)行比對(duì)，或直接采用粗糙度輪廓儀進(jìn)行粗糙度測(cè)量，滿足粗糙度要求即可。

2.1.3曲軸樣塊表面油污/者氧化皮等對(duì)硬度測(cè)量的影響

曲軸材料為球墨鑄鐵，為了防止樣塊生銹會(huì)涂抹防銹油，有防銹油存在時(shí)，測(cè)量硬度、摩擦力較小，從而使硬度值測(cè)量偏低；若樣塊潤滑不良，樣塊表面會(huì)產(chǎn)生氧化層，氧化層越疏松越薄，則硬度測(cè)量值偏小，反之硬度測(cè)量值偏大。測(cè)量過程中一定要去除氧化層及油脂等，保證測(cè)量面清潔。

2.1.4曲軸樣塊厚度及傾斜度對(duì)硬度測(cè)量的影響

（1）試驗(yàn)的厚度太薄，會(huì)造成試樣背面變形，硬度測(cè)量的值會(huì)偏大。試驗(yàn)的厚度應(yīng)大于壓痕深度的8倍，曲軸樣塊的硬度范圍為217-276HBW.壓痕深度的計(jì)算公式為壓痕深度，D為直徑，d為壓痕直徑），由公試可以看出曲軸硬度越小，壓痕深度越大。而實(shí)際測(cè)量過程中硬度會(huì)出現(xiàn)不合格情況，用硬度150HBW計(jì)算深度更加合理。當(dāng)硬度為150HBW時(shí)，壓痕深度為1.283 mm，則樣塊的厚度至少10.3 mm.考慮到樣塊表面粗糙度不合格時(shí)需進(jìn)行磨拋，故樣塊的厚度至少為12 mm.

（2）樣塊切割面不平（傾斜），壓頭壓入樣塊時(shí)，壓入四周的抗力比平面小，使硬度降低，樣塊切割時(shí)要保證樣塊兩面基本平行［4］。為了保證測(cè)量準(zhǔn)確性，曲軸樣塊的厚度［5］及傾斜度應(yīng)達(dá)到上述要求。

2.1.5曲軸樣塊溫度對(duì)硬度測(cè)量的影響

樣塊溫度高，則使硬度的測(cè)量值偏低，反之硬度偏高。試驗(yàn)溫度應(yīng)在10 C°～35 C°，實(shí)驗(yàn)室溫度為18 C°～28 C°之間，滿足要求。為避免曲軸樣塊溫度與環(huán)境溫度的差異，需將樣塊在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中放置3 h以上方可測(cè)量。

2.2測(cè)量設(shè)備對(duì)硬度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響

2.2.1試驗(yàn)力對(duì)硬度測(cè)量的影響

試驗(yàn)力的要求為試驗(yàn)力標(biāo)稱值的±1%，曲軸測(cè)量使用的壓力為3 000 kg，壓頭試驗(yàn)力的標(biāo)稱值為29.42 kN［6］，即試驗(yàn)力的范圍因應(yīng)在29.13～29.71 kN.當(dāng)力值出現(xiàn)偏差時(shí)，力值＜29.13 kN時(shí)，測(cè)量曲軸樣塊的值會(huì)比實(shí)際值偏大，反之，力值＞29.71 kN時(shí)，測(cè)量的硬度值會(huì)偏小。當(dāng)懷疑試驗(yàn)力偏差時(shí)，可請(qǐng)計(jì)量院檢定力值，確認(rèn)力值問題時(shí)，使用設(shè)備的調(diào)力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整后再進(jìn)行力值測(cè)量，直至力值測(cè)量值在要求范圍內(nèi)。

2.2.2壓頭球直徑對(duì)硬度測(cè)量的影響

壓頭直徑偏大時(shí)，測(cè)量的曲軸樣塊硬度偏小，反之，偏大。對(duì)于壓頭直徑的監(jiān)控，可使用千分尺定期進(jìn)行期間核查。核查方法測(cè)量至少五個(gè)位置的球直徑，當(dāng)測(cè)量值均在（10±0.000 5）mm時(shí)，球直徑合格，若超出此范圍，更換新的球，并用同樣方法進(jìn)行直徑確認(rèn)。

2.2.3加載載荷速度及保荷時(shí)間對(duì)硬度測(cè)量的影響

（1）加載載荷速度越快，力的慣性也越大，試驗(yàn)變形時(shí)間短，從而硬度值增大，反之，硬度值減小。加載載荷速度異常主要原因是減速器問題，需專業(yè)人員維修。

（2）保荷時(shí)間長，則材料的變形時(shí)間長，壓痕增大，從而使硬度值減小，反之，硬度值增大。對(duì)于曲軸樣塊選擇保荷時(shí)間為10 s～15 s.

2.2.4測(cè)量壓痕直徑裝置的誤差對(duì)硬度測(cè)量的影響

測(cè)量壓痕直徑裝置最大的誤差應(yīng)在±0.5%內(nèi)。目前測(cè)量曲軸所用的設(shè)備為萬工顯。為了保證測(cè)量準(zhǔn)確性要定期對(duì)萬工顯進(jìn)行期間核查，測(cè)量X、Y方向的長度誤差，在要求范圍內(nèi)即可正常使用。當(dāng)超出設(shè)備要求時(shí)，誤差較小時(shí)用軟件進(jìn)行補(bǔ)償，誤差較大可通過調(diào)節(jié)硬件感應(yīng)器的距離及平行度，或控制器進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3人為因素及環(huán)境因素對(duì)硬度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響

2.3.1員工熟練程度對(duì)硬度測(cè)量的影響

員工未按儀器操作要求進(jìn)行測(cè)量或設(shè)備操作不熟練，為避免此種情況發(fā)生，首先要對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)及考核，通過考核的人員方能進(jìn)行設(shè)備操作，其次是定期對(duì)實(shí)驗(yàn)員的操作過程進(jìn)行跟蹤，避免出現(xiàn)思想意識(shí)淡薄而造成測(cè)量誤差。

2.3.2曲軸樣塊硬度測(cè)量點(diǎn)未按要求選取對(duì)硬度測(cè)量的影響

硬度測(cè)量點(diǎn)的距離應(yīng)符合距離邊緣至少為壓痕平均直徑的2.5倍，兩相鄰壓痕的距離至少為壓痕平均直徑的3倍。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)不滿足要求時(shí)，由于壓痕受到邊緣或者相鄰壓痕硬化區(qū)的影響，會(huì)使變形受阻，使硬度測(cè)量不準(zhǔn)確。為避免此種情況，需培訓(xùn)員工，并定期對(duì)已測(cè)量的曲軸樣塊進(jìn)行檢查。

3　結(jié)束語

本文從曲軸硬度測(cè)量方法的正確選擇及測(cè)量過程中誤差分析與解決兩個(gè)方面展開論述，確立了曲軸布氏硬度的最佳測(cè)量方案并為實(shí)際測(cè)量過程中遇到的問題提供切實(shí)有效分析方法及解決方案，從而確保曲軸硬度測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少誤判和錯(cuò)判情況的發(fā)生。

［1］潘偉.布氏硬度計(jì)中的誤差分析及解決［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2003，（1）：149.

［2］GB/T231.1.1-2009，金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法［S］.

［3］GB/T231.1.2-2012，金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第2部分：硬度計(jì)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)［S］.

［4］魯統(tǒng)湘.布氏硬度計(jì)試驗(yàn)的主要影響因素分析決［J］.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008，（6）:31-32.

［5］熊建文.求布氏硬度試驗(yàn)試樣最小厚度的方法［J］.理化檢驗(yàn).物理分冊(cè)，1994，（6）:38.

［6］王濱.ASTM布氏硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介［J］.理化檢驗(yàn).物理分冊(cè)，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

呂艷莉（1986-），女，河南新鄉(xiāng)人，本科，助理工程師，主要研究方向精密檢測(cè)及來料的質(zhì)量控制等方面。