•  
    详细内容
     
    洛氏硬度计的重复性与再现性 (GR&R)
    什么是重复性与再现性 (GR&R)?
    重复性与再现性也称 GR&R,它是在过程控制 (SPC) 中使用的一种统计方法,用于测定测量仪器的精度和差异,以及仪器作为测量工具使用时的有效性。顾名思义,GR&R 由重复性和再现性组成,重复性是指以相同方式重复试验时,量具能提供一致的测量结果(精度),再现性是指能提供重复的测量结果,无论哪位操作员负责试验(操作员之间的水平差异)。

    在洛氏硬度测试中,GR&R 评估是一种非常重要的手段,它不仅能测定硬度计的精度,还能确定硬度计的差异对整个测试过程有何影响。在洛氏硬度测试中进行的 GR&R 评估会比较复杂,但只要正确理解并明确阐释评估结果,GR&R 评估就能提供极有价值的过程数据。虽然针对许多量具(如千分尺或卡尺)进行的 GR&R 性能评估相对比较简单,而且不会出现样本差异(使用数值已知的量块对相同的试块进行重复测量并计算重复性),但对洛氏硬度计进行 GR&R 评估存在固有的困难。由于洛氏硬度测试不会在相同位置进行,所以最大的障碍是试样差异。由于不存在硬度完全均匀的材料,所以引入了差异的概念。在进行 GR&R 评估时,通过采用过程公差进行数学分析,能合理解释这种现象。

          


    进行 GR&R 评估的目的是确定硬度测试仪器的差异(也称设备差异或重复性)和操作员之间的水平差异(也称操作员差异或再现性)导致的过程公差量。当这些要素组合(重复性和再现性或 R&R)成为过程公差的重要组成部分时,操作员无法确定他们是在测试零件的硬度还是使用洛氏硬度计产生随机的数字。为确保进行有效的统计过程控制 (SPC),应使组合差异小于 10% (< 10% GR&R)。GR&R 在 10% 和 30% 之间的洛氏硬度计暂时可以接受,GR&R 大于 30% 的洛氏硬度计不得用于 SPC。

    为何进行 GR&R 评估?


    多年前,ASTM 针对 30 种日常使用的测量仪器进行的调查表明,90% 的受检仪器未能通过直接检定,虽然它们通过了采用标准试块进行的常规间接检定。毫无疑问,这些测量仪器的测量公差都超出了容许范围。当用于测定设备的不确定性时,这能大大增加计算误差。进行 GR&R 评估能确定洛氏硬度计的精度,以及是否需要额外进行直接检定。几乎所有目前使用的测量仪器在出厂后,从未进行基本功能(试验力、深度测量、时间周期)的检定。运输过程经常会导致这些精密仪器出现问题。ASTM 未要求在仪器交付用户后,对试验力和位移测量系统进行直接检定。因此有些硬度计使用了 40 多年并不奇怪。这就是说,在测试时施加的试验力和用于测量深度的装置已 40 年未进行精度检定。通常使用弹簧施加试验力。40 年后弹簧已经失去弹力,没人知道实际的试验力是多少,因为只是使用标准试块定期进行间接检定,以监测仪器性能。聪明绝伦的技术人员耗费毕生的精力,才使硬度计能在 ASTM 允许的公差范围内进行精确测试。常规的洛氏硬度测试点的测量单位仅为 2µm(约 0.002mm 或 0.000080inch 深),因此这种精确的测量值需要采用一种高精度的测量系统和重要的控制过程。未正确准备和进行洛氏硬度测试,不经常校准和维护硬度计,可能产生无效的测试数据或错误读数,进而导致生产和交付的标准产品严重影响和破坏采用它们的设备或组件的性能和完整性。当硬度计的误差导致产品的质量降低时,通过 GR&R 评估能准确测定和体现硬度计的真实性能。

    理解硬度计的重复性和再现性


    大部分用户对自己硬度计的性能都不甚了解。硬度计的重复性和再现性通常需要通过 GR&R 评估来测定。定期进行 GR&R 评估能轻松确定和监测测量仪器的性能。GR&R 评估能快速测定硬度计的短期和长期性能,包括操作员的影响。

    完整或标准的 GR&R 评估要求使用 10 种不同的试块,并由三位操作员分别对每个试块进行 3 次测试。利用全部 90 次测试的结果能计算所用硬度计的不准确度导致的测量公差。简单或快速 GR&R 评估要求使用 10 种不同的试块,并由一位操作员进行分别对每个试块进行 3 次测试,一共进行 30 次测试。在采用两种评估方法对洛氏硬度计进行测试时,它们产生的最终结果之间的误差可忽略不计。

    鉴于前面提及的材料差异,特别是生产零件的材料差异,应对标准试块进行 GR&R 测试以尽可能减少材料差异。试块有意制作地非常均匀,因此它们是最适合进行


    鉴于前面提及的材料差异,特别是生产零件的材料差异,应对标准试块进行 GR&R 测试以尽可能减少材料差异。试块有意制作地非常均匀,因此它们是最适合进行 GR&R 测试的材料。在进行完整或标准 GR&R 评估时,需要将 10 个试块按顺序编号,然后从 1 号试块开始,由三位操作员每人对一个试块进行一次测试,以完成第一轮测试。为补偿试块固有的随机不均匀性,操作员必须确保每个试块上的每组压痕彼此高度重复(分组或辐射状)。整个过程需要重复进行 3 轮测试,一共 90 次测试,每个试块进行 9 次测试。

    计算


    洛氏硬度计的 GR&R 计算实际上是将硬度计和操作员的差异组合与过程公差进行对比。如果对比后显示差异小或过程公差范围大,说明 GR&R 合格率低。相反,如果对比后显示差异大或公差范围小,说明 GR&R 合格率高。在分析过程中,需要计算每位操作员提供的读数范围,然后得出每位操作员读数的平均范围。此外,还能确定每位操作员的测试平均值。利用该数值可生成完整的 GR&R 结果。

    公差


    过程公差的计算相对比较简单:它是通过设计规范直接为零件硬度规定的(例如,硬度要求为 42 – 48 HRC 的零件具有 6 个点的总公差)。注意,计算 GR&R 只在测定过程公差时有效,将硬度计和操作员的组合差异与试块公差进行对比毫无意义,因为它无法体现硬度计是否适合测量真实的试样。试块公差用于确保硬度计的精度,而非它的重复性。

    Variation


    差异的计算并不准确,其主要目的是将平均范围值和操作员差异转换成用于六西格玛的近似值(所有数据标准偏差的六倍)。六西格玛是硬度计总差异的统计说明。假设硬度计以正常方式变化,六西格玛表明对既定试块(在评估 GR&R 时采用 10 个试块)进行的 99%

    The Result


    训练有素的操作员和/或自动硬度计产生的操作员差异可忽略不计,所以在只考虑硬度计差异时,很容易理解 GR&R 合格率的最终计算结果。该计算只需用六西格玛近似值(所有测试的平均范围乘以统计常数)除以过程公差再乘以 100。如果 GR&R 合格率是 10% 或更低,六西格玛(硬度计总差异)应为 10% 或小于过程公差。图 2 中的图表显示了各类洛氏硬度计(包括指针与数显静载荷式和闭环式)的标准 GR&R 结果。正如预期的那样,指针式硬度计的 GR&R 性能最差,试验力能灵活调节的闭环式硬度计能提供最佳 GR&R 性能

    有些洛氏硬度计的功能可显著提高重复性和再现性,有些制造商要求每台硬度计都必须经过 GR&R 评估,只有通过该测试并且 GR&R 合格率达到或超过规定标准的硬度计才能出厂。每台硬度计随带的 GR&R 证书可证明该硬度计已经过 GR&R 评估。有利于提高 GR&R 性能的影响因素包括:

  • 闭环试验力控制:通过称重传感器和压头提供反馈(在闭环内补偿机械部件的磨损和摩擦)。闭环控制能以最精确的方式施加试验力
  • 将压头与称重传感器连接以消除摩擦产生的错误
  • 其设计能确保试验力测量装置和深度测量标尺与压头对齐以实现单轴排列
  • 取消升降螺丝(可导致不可恢复的偏差)
  • 使用数显读数代替指针读数并将分辨率提高至 .01


  • GR&R 是测定洛氏硬度计性能的有效途径,但它不能取代建议的常规试块/间接检定过程。对硬度计进行日常的间接性能检定非常重要;应使用标准试块或试件检定所用的标尺。可能的话,应在每次更换标尺和每次当班开始时,对硬度计进行检定。应选择与测试材料相似的试块,而且只应使用校准的一侧。在检定过程中应获取总共五个读数;测量值必须在试块和试块证书规定的公差范围内。如果检定证明硬度计失效,应停止使用,除非已正确调节或维修。正确维护和权威检定能确保硬度计继续正常运行,并确保其符合洛氏硬度测试的精度要求。ASTM 建议每年对洛氏硬度计进行维护和检定,如果经常使用或操作条件恶劣,还应更频繁地进行维护和检定。应由经认证的检定机构负责检定工作,并遵照和参考《ASTM E18 洛氏硬度测试法》出具检定报告。

    在评估洛氏硬度计的性能水平时,GR&R 无疑是一种非常重要的工具。硬度测试在进行材料检测、质量控制、组件验收,以及材料性能分析时发挥了重要作用,我们依靠这些数据来验证热处理影响、结构完整性和组件质量,以确定材料是否具备指定用途要求的特性,以确保我们的日常用品中采用的材料不仅设计精妙、实用高效,而且安全可靠。除确保硬度计发挥最佳性能外,采用正确的技术、流程并严格遵守标准的要求也将显著提高洛氏硬度测试的精度和有效性。
     
     
    Copyright ? 2015 万博man手机客户端-万博man手机登录 版权所有 苏ICP备15021814号-1 技术支持:南京雨泽网络