方形量塊的檢測方法

/上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

量塊是具有一對相互平行測量面的實物量具，其長度計量標準廣泛應用于長度量值的傳遞或溯源。大多數量塊選用較為穩定耐用的軸承鋼作為材料，也有選用陶瓷這類熱膨脹系數極小的材料來制作的。方形量塊是近年出現在市場上的一種有別于傳統截面尺寸 9 mm×30 mm 或 9 mm×35 mm 規格的量塊，其測量面規格為正方形，正中央存在鎖緊孔，必要時可在量塊研合后使用鎖緊螺釘使研合更穩固，組合量塊比較測量更方便。

量塊分為1、2、3、4、5等和K、0、1、2、3級[1]，對于量塊等級必須達到的平面度、粗糙度、長度極限偏差等都進行了定義，但由于方形量塊部分計量性能要求發生了改變，因此對方形量塊校檢項目與方法的探討具有一定的意義。

1 方形量塊的檢定項目、主要設備

標準規格量塊在檢定過程中，對平面度、粗糙度、研合性等項目都有一定的要求，而方形量塊由于存在鎖緊孔，因此需要額外對孔的直徑、圓度、位置及粗糙度等設置計量性能要求。孔的直徑、圓度及位置可使用萬能工具顯微鏡或影像儀進行檢定，孔對測量面和側面之間垂直度、平行度和倒棱尺寸等可按側邊的檢定方法進行檢定。而孔的同軸度根據三坐標測量儀可測孔最大深度，對于標稱值小于50 mm的方形量塊可使用三坐標測量儀進行檢定[2]，標稱值大于50 mm的方形量塊則適合使用工業CT進行掃描檢定，可對其測量不確定度進行有效的控制[3]。

綜上，方形量塊具體需要檢定的項目見表1。

標準規格量塊后續須對外觀、測量面的研合性、量塊長度、量塊長度變動量以及長度穩定度等項目進行檢定，而方形量塊由于存在鎖緊孔，測量區域與普通量塊相比自由度更大，因此，需要額外對測量面的平面度進行控制。

2 適用于方形量塊中心長度檢定項目

量塊中心長度的定義為對應于量塊未研合測量面中心點的量塊長度。而方形量塊橫截面無法形成完整矩形，量塊中心點的中心長度由于橫截面中間存在的鎖緊孔而無法測量，因此，需要重新定位方形量塊測量面的中心點位置及對應的量塊中心長度校檢方法。

2.1 方形量塊的標準姿態

當方形量塊放置于檢定裝置工作臺上時，為了更清楚地觀察量塊的標稱尺寸標注，可以將數碼字正對觀察者方向放置的狀態作為方形量塊校檢時的標準姿態。

2.2 方形量塊的中心長度檢定方法

由于方形量塊測量面中心存在鎖緊孔，使得測量區域間的自由度較大，因此，可以選擇對方形量塊分區域分別測量中心長度。如圖1所示，按軸線分區域作為四個測量面區域并以數碼字位置進行定位，定義A、B、C、D，測量量塊中心長度后按相對應位置分別記錄試驗數據。

在量塊做比較測量過程前，先將標準量塊與被測方形量塊放置在比較儀的工作臺上等溫足夠長的時間。測量時，測頭對準標準量塊中心，撥叉數次，示值穩定后調零，再把被測方形量塊移至測頭下方，測頭對準四個測量區域的中心點后，撥叉數次，待示值穩定后分別讀取并記錄長度偏差與對應的測量位置。

表1 方形量塊檢定項目及主要設備

圖1 方形量塊按軸線劃分測量面區域定義測量中心長度

對方形量塊分區域分別測量中心長度的優點在于：1）在使用時可以獲得準確度更高的中心長度[4]；2）可對量塊端面的平面度等作大致判斷，并避免使用與相鄰測量區域長度差較大的區域。

2.3 方形量塊的測量中心點位置

方形量塊長度進行校檢前須對量塊測量中心位置進行定位。取方形量塊按軸線劃分測量面四分之一區域進行分析，分別做出內心、重心，并取量塊比較儀測頭與量塊的接觸面積直徑為 2 mm。由圖2可見重心及內心距離較近。

由此可見，內心與重心重合部分可以作為方形量塊中心點位置，如圖3所示。而在日常量塊檢定中，比較難以定位中心點位置，因此需要探討是否存在易定位的相似位置作為替代。優先考慮在方形量塊的對角線上取點，以下對兩種可行的取點方案進行分析。

圖2 方形量塊四分之一部分的內心、重心及其重合部分

圖3 方形量塊測量中心點位置

第一種是以對角線到孔最近交點連線的中點作為量塊測量中心點位置（如圖4）。

圖4 按對角線到孔最近交點連線的中點替代測量中心點位置與測量中心點的重合度

第二種是以對角線到量塊中心點連線的中點位置作為量塊測量中心點位置（如圖5），通過對測量中心重合度進行比較，認為第二種方案更接近實際的量塊中心點。

圖5 以對角線到量塊中心點連線的中點替代測量中心點位置與測量中心點的重合度

因此，方形量塊的測量中心點位置可選用該測量點進行替代，即可將對角線到量塊中心點連線的中點位置作為量塊測量中心點位置。

3 適用于方形量塊長度變動量檢定項目

量塊的長度變動量指量塊測量面上任意兩測量點間的最大長度lmax與最小長度lmin之差。而標準規格量塊測量長度變動量的方法是測量量塊測量面中心和四角（距量塊兩相鄰側面各為1.5 mm）位置的長度，再取其最大值與最小值的差值作為長度變動量。該長度變動量定義也適用于方形量塊，但測量長度變動量的位置會有所不同。按四個測量區域設定長度變動量測量位置，如圖6所示，其中存在兩個問題：1）無法對靠近鎖緊孔的位置進行長度測量；2）測量長度變動量的位置較多，工作量大大增加。因此，通過對四個測量區域內的平面情況以及相互之間平面關系進行分析，進而對測量長度變動量的位置進行優化。

由圖6左側可見藍色測量點位置沿對角線較為密集，且靠近鎖緊孔位置的點無法測量，因此，可分析可能的平面形變情況后進行合并簡化。方形量塊由于可形變自由度較大，可能存在如拱形、漏斗形等形變情況，而在這些情況下測量面軸線靠近測量面中心的變化量較為明顯，因此，可選擇測量面軸線與中心長度測量點連線的交點替換交點周圍密集的紅色測量點。簡化后如圖6右側所示測量點位置，內側4個測量點在測量面軸線與中心長度測量點連線交點的位置上。

圖6 四個測量區域的長度變動量測量位置與優化方案

進一步使用有限元分析法對變形情況下的形變量進行模擬驗證，如圖7所示，簡化后的測量點也能夠較好地反映端面長度變化情況。在測量時，任取其中一點作為零位點并校檢其余7個點的偏差，并將測得的最大值與最小值之差的數值作為方形量塊的長度變動量，也可根據需要分別給出部分區域的長度變動量。

圖7 拱形及漏斗形形變情況下的形變量有限元分析模擬圖

4 方形量塊其他檢定項目

4.1 方形量塊的外觀檢定方法

方形量塊外觀檢定項目的觀察內容不僅限于普通規格量塊，除了觀察代表標稱長度的數碼字、測量面及側面劃痕、碰傷、銹蝕等情況外，還需要檢查鎖緊孔邊是否因螺釘的長期壓力而產生影響該量塊計量性能的形變。

4.2 方形量塊的端面平面度檢定方法

方形量塊平面度可使用直徑不小于45 mm、厚度不小于11 mm的平晶以光波干涉法進行測量。但在研合長時間被鎖緊的情況下，如圖8所示，鎖緊孔邊緣形變量增加，孔周圍可能由于螺母的壓力而產生呈漏斗形的微小形變，進而使靠近鎖緊孔的端面出現平面度較大的情況。

圖8 量塊鎖緊孔受10 N螺母壓力下形變量的有限元分析圖

為了減小此影響，可如圖9所示在兩側條紋連貫，遠離鎖緊孔與外邊緣約0.8 mm的區域保留二至三根光波干涉條紋。在干涉條紋方向一致情況下，取上述區域的干涉條紋中彎曲度絕對值最大者，再乘以所采用光源波長的一半，所得值即為該測量面的平面度F。

圖9 方形量塊平面度檢定方法

若兩側干涉條紋方向不一致，則需要對平面度進行合成，公式為其中m1、m2分別為量塊兩側的條紋彎曲度[5]。

此方法的優點在于：1）了解測量區域內平面情況；2）了解相鄰測量區域間的平面度關系。

4.3 方形量塊的研合性檢定方法

量塊通常以與平晶研合后的平面情況來判定是否符合對應的等級要求[6]，而方形量塊需要額外觀察所有測量面區域的研合情況。例如對于標準K、0級量塊，當研合面在照明均勻的白光下被觀察時，在測量面中心沿長邊方向約1/3的區域內無光斑；而對于方形量塊，除每個測量區域中心點周圍1/3區域應無光斑外，也需要對測量面軸線周圍研合性情況有一定的要求，同理于1、2級量塊的檢定。

4.4 方形量塊的長度穩定度檢定方法

方形量塊的長度穩定度可以按照對應位置分別對四個測量中心點進行測量，同時對其測量不確定度進行有效的控制[7]。若任一測量中心長度超過最大允許年變化量，則需要進行降等或報廢處理。當年變化量較小時，可通過延長量塊有效期的方法對變化量較大的區域進行控制[8]。

5 結語

本文對適用于方形量塊后續檢定中必須檢定的項目以及方法進行了探討，確定了方形量塊測量點的位置并提出了分區域獨立測量中心長度的方案，為方形量塊檢定規程的頒布提供了參考性的建議，并為更準確地檢定校準方形量塊奠定了基礎。后續可以進一步對方形量塊鎖緊孔位置變形偏移的影響、不確定度評定方法及其他檢定項目的測量方法等進行研究，這對方形量塊的檢定校準都具有一定的意義。