汽车零部件硬度检测新技术与设备的应用及推广价值

摘要：介绍了汽车零部件硬度检测的新技术、新设备，包括生产现场使用的快速硬度计、大型硬度计、专用硬度测试系统和在线自动硬度测试系统等，并分析了现场硬度测试与实验室常规硬度测试的区别，指出测试效率是现场硬度测试的关键。实践表明，汽车零部件在线自动硬度测试系统具有很高的推广价值，可以解决很多汽车零部件在线硬度测试的问题。这些系统的推广应用可以提高企业的质量保证水平和产品的市场竞争力，促进企业的技术进步。

关键词：汽车零部件；硬度试验；现场检测；在线检测；曲轴；刹车盘；气缸盖

中图分类号：TH871;TG155.8 文献编号：A 文章编号：1001-4012(2018)10-0705-07

一辆汽车是由许多零件组装而成的，其中很大一部分金属零件都是由铸件、锻件、钢板、钢筋等作为毛坯材料，经过初步热处理、机械加工、最终热处理、精加工，最后加工成完整的零件。这些零件的使用环境大多复杂而恶劣，包括大范围的温度变化、强烈的振动、冲击、摩擦等，零件必须在很大的拉力、压力、剪切力、扭矩等应力条件下工作。因此，零件的力学性能非常重要，力学性能很大程度上决定了零件的适用性和预期寿命。

为了解零件的力学性能，通常需要测试其拉伸强度或硬度。测试拉伸强度需要从零件上取样，制成拉伸试样，然后送至实验室，在拉伸试验机上将试样拉断，即可得到零件的拉伸强度。拉伸试验只能在实验室完成，不能在现场进行，试验费时、效率低，不能立即得到试验结果，加之必须破坏零件，因此通常作为辅助手段定期进行。硬度试验是测试零件力学性能的重要手段，硬度试验可在生产现场直接对工件本体进行测试，操作简单、效率高，基本不破坏工件，能快速测得硬度值[1]。由于以上优点，硬度试验在汽车零部件行业被广泛用作测试零件力学性能的主要手段。

笔者主要对汽车零部件硬度的现场、在线检测技术与设备进行综述，以促进我国硬度测试技术的发展和工业自动化水平的提高。

1.汽车行业常用的硬度测试方法

汽车零部件行业使用的硬度试验方法主要有布氏、洛氏和里氏硬度试验，对应的试验仪器有布氏、洛氏和里氏硬度计。其中布氏和洛氏硬度试验是基本的、标准化的试验方法，而里氏硬度试验是一种非标准的、替代性的试验方法，只有当工件较大、取样不方便或要求不高时才被一些公司选用。

1.1 布氏硬度试验

布氏硬度试验方法是将规定尺寸的碳化钨合金球压头以规定的试验力压入工件表面，维持规定的时间后，除去试验力，用光学仪器测量压痕直径，通过计算或查表得到布氏硬度值。

布氏硬度试验由于试验力大，球压头直径大，所以能测出一定范围内各金属相的平均硬度，因而代表性好，准确度高。此方法特别适用于试验铸造、锻造、轧制等工艺生产的钢铁和有色金属材料。布氏硬度试验还有一个突出的优点，就是布氏硬度值与抗拉强度值有相当好的对应关系，通过测定布氏硬度就可估算出材料的抗拉强度。布氏硬度试验的缺点是需要用光学仪器测量压痕直径，费时费力，效率低；布氏硬度试验的另一个缺点是压痕较深，对零件表面造成一定的损伤，不适合测试成品零件。

在汽车零部件行业中，布氏硬度计的应用十分广泛，包括铝合金轮毂、制动鼓、刹车盘、发动机气缸、气缸盖、连杆、曲轴、活塞等铸锻件的热处理毛坯及调质钢等，测试其布氏硬度。

布氏硬度试验的国家标准为：GB/T231.1-2018《金属材料布氏硬度试验 第1部分：试验方法》和GB/T231.2-2012《金属材料布氏硬度试验 第2部分：硬度计的检验和校准》，其中后者标准目前正在修订中。

1.2 洛氏硬度试验

洛氏硬度试验方法是将金刚石锥形压头或碳化钨合金球压头以规定的初试验力和总试验力压入工件表面，经短暂时间后撤去部分试验力，保持初始试验力，测量初始试验力前后压痕的深度差，以此深度差确定该零件的洛氏硬度。

洛氏硬度试验的优点是不需要借助光学仪器，试验后直接就能得到洛氏硬度值，操作简单，省时高效。洛氏硬度试验的另一优点是试验力小，压痕较浅，对零件表面几乎没有损伤，不影响零件的使用。可以直接试验成品或半成品零件，也可以通过最后一道精加工工序去除压痕。由于采用金刚石锥形压头，洛氏硬度试验比布氏硬度试验可以试验更硬的材料。由于压痕较浅，可以试验渗碳、高频淬火等表面热处理零件。

在汽车零部件行业中，洛氏硬度测试也被广泛应用，主要用于测试成品或接近成品的零件，包括高强度螺栓、轴类、轴承零件、模具等接近成品的零件。

洛氏硬度试验的国家标准为：GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》、GB/T230.2-2012《金属材料洛氏硬度试验第2部分：硬度计的检定和校准》，其中后者标准目前正在修订中。

1.3 里氏硬度试验

里氏硬度试验的原理是利用硬质合金球压头以一定的速度冲击工件表面，测量球压头回弹速度与冲击速度的比值，乘以一个系数，就得到里氏硬度值。这是一种动态的、弹跳性的试验方法。影响试验结果的因素很多，它的试验精度和重复性不够好，这种试验还要求工件足够大，表面抛光得足够光滑。里氏硬度计的优点是仪器小，操作简便，效率高，便于现场检测和大型零件检测。

所有汽车金属零部件在其产品标准、设计图样或订货合同中都要求进行布氏或洛氏硬度检测。因此，在检测完里氏硬度后，必须将里氏硬度值换算成布氏或洛氏硬度值。由于里氏硬度的测试原理与布氏、洛氏硬度完全不同，硬度值之间没有确切的一一对应关系，换算时会造成很大的误差。因此，在检测完里氏硬度后，换算成布氏或洛氏硬度的测试结果通常不被大品牌原始设备制造商（OEM）合同和国际贸易所认可。里氏硬度试验一般用于不便用常规布氏、洛氏硬度计测试的大型、异形零件，也用于对硬度指标要求不高的场合，一些供应配件市场的中小企业多采用这种硬度测试方法。

里氏硬度试验的国家标准有：GB/T17934.1-2014《金属材料里氏硬度试验第1部分：试验方法》、GB/T17934.2-2012《金属材料里氏硬度试验第2部分：硬度计的检验和校准》。

1.4 布氏硬度试验深度测量

深度测量布氏硬度试验方法的原理是：在规定条件下，用已校准的仪器对碳化钨合金球压头施加试验力，使其压入材料表面，测量压痕深度，利用已校准的压痕深度-硬度曲线得出布氏硬度值。

深度测量型布氏硬度计可以通过测量压痕深度来快速测量金属材料的布氏硬度，而不需要像常规布氏硬度计那样用光学仪器测量压痕直径。该仪器主要用于生产现场对批量生产的工件进行快速合格检验。仪器内储存有标准的压痕深度-硬度曲线，该曲线是根据标准硬度块制作的。当被测材料发生变化时，测量值可能会超过公差，因此使用前应针对被测材料对仪器进行校准。校准方法是：取两个或多个硬度能覆盖被测工件硬度范围的工件体或用实际工件制作的试块，在常规布氏硬度计上测量布氏硬度，然后校准仪器的压痕深度-硬度曲线。

深度测量型布氏硬度计的压痕深度一般采用高精度位移传感器测量，测得的压痕深度可以是从试样表面测得的总深度，也可以是初始试验力时从压头位置测得的深度差。

深度测量型布氏硬度计的测量精度比常规布氏硬度计略低，标准规定的测量精度为≤3%，但其检测效率却远高于常规布氏硬度计。只要对不同厂家生产的不同型号的深度测量型布氏硬度计按上述校准方法进行校准，其测试结果都是有可比性的，且能保证相应的检测精度。

采用深度测量法进行布氏硬度试验的方法国家标准为：GB/T 24523-2009《金属材料快速压痕（布氏）硬度试验方法》。

2 汽车零部件硬度的实验室检测、现场检测和在线检测

早期硬度测试以实验室为主，现场检测为辅，对实验室仪器的要求以准确性为主，测试效率并不重要。

随着汽车行业的技术进步和市场竞争的加剧，人们越来越重视汽车零部件的现场检测，希望能够快速得到硬度试验结果，以便及时调整制造工艺，保证批量生产的零部件质量。由于现场检测的零部件数量较多，往往需要安排多人、多台仪器才能完成硬度试验；另外，现场硬度试验的目的是为了确定产品的硬度是否在规定的范围内，因此现场硬度试验的精度可以适当放宽。关键是要快，即要迅速地确定零部件的硬度是否合格。

国内汽车整车及零部件行业是所有工业领域中自动化程度最高的行业。鉴于汽车行业市场竞争日趋激烈，主机厂对零部件产品质量的要求越来越高，而单品利润却越来越低，只有实现自动化生产，减员增效，实现产量更高、产品质量更稳定、人员成本更低，才能在竞争中立于不败之地。正因如此，“智能制造”、“减员增效”、“机器换人”等概念在汽车零部件行业已深入人心，大量全自动化生产线应用于新建项目，数字化工厂层出不穷。生产过程、装配过程以及磁粉探伤、超声波探伤等检测工序均可实现自动化，但硬度检测工序的自动化还远远没有实现。为确保硬度这一关键质量指标得到可靠控制，在生产过程中对产品硬度进行在线自动检测十分必要。 但由于国内硬度检测技术相对落后，硬度计生产厂家的制造技术还处于台式阶段，因此汽车零部件产品的在线硬度检测还处于起步阶段。

3.快速硬度计用于现场检测

由于目前国内硬度检测技术的限制，在线自动硬度检测技术还不够成熟。在汽车零部件行业，大部分产品硬度检测都是离线进行的。在一些大公司，生产车间往往会摆放一排硬度计，需要很多人同时进行硬度检测。

以往硬度测试都是采用传统的台式硬度计进行，效率很低，特别是布氏硬度测试，需要人工用读数显微镜测量压痕直径，然后查表才能得到布氏硬度值，效率非常低。

近年来，国内外生产了一些快速硬度计，用于生产现场零件硬度的检测。这些快速硬度计在保证良好的检测精度和可靠性的同时，大大提高了检测效率，受到了用户的广泛欢迎[2-4]。下面介绍几款适合工厂现场使用的快速硬度计。

3.1 快速布氏硬度计

这是瑞士生产的一款快速硬度计，主要用于工厂车间，如图1所示。该硬度计环境适应性强，测试精度不受工厂现场震动、温差、灰尘等恶劣环境的影响。

该仪器采用洛氏或快速布氏硬度试验原理，通过拉力杆施加试验力，可快速测量工件的洛氏硬度或布氏硬度。操作仪器时，将工件放在试验台上，只要拉动力杆，即可立即测出工件的洛氏硬度或布氏硬度，4～8秒内即可完成试验。仪器可输入工件合格硬度范围的上下限，试验结束后仪器自动判断硬度是否合格，超差报警。该仪器操作非常简单，任何人无需培训即可操作。仪器软件还具有数据存储、统计、公差设定、表面修正、尺度选择、尺度换算、数据输出等功能。本仪器特别适合大批量工件的快速逐件试验，一个人即可完成传统硬度计2～3人的试验工作量。

该仪器采用的洛氏硬度试验原理符合ASTM E18-2017e1《金属材料洛氏硬度标准试验方法》和ISO6508.2:2015《金属材料洛氏硬度试验 第2部分：硬度计的检定和校准》的要求。采用的快速布氏硬度试验原理是：在压痕的同时，通过测量压痕深度，立即计算并显示布氏硬度。不需要用光学仪器测量压痕直径，大大提高了检测效率，特别适合批量零件的合格检验。该仪器符合美国标准ASTM E103-2017《金属材料快速压痕硬度试验规范》和中国标准GB/T24523-2009的要求。该仪器有美国某公司、意大利某公司、瑞士某公司等多个品牌可供选择，国内同类产品也即将上市。

3.2悬臂式全自动快速布氏硬度计

国产悬臂式全自动快速布氏硬度计如图2所示。

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该仪器的工作原理与前述拉杆式快速布氏硬度计完全相同，同样适用于工厂现场，测试精度不受恶劣环境影响。

本仪器除具备前述仪器相同的软件功能外，还实现了硬度测试的全自动化，只需按下测试按钮，仪器便会自动完成整个测试程序，包括探头接近工件、夹紧工件、施加力、保持、卸荷力、释放工件，整个测试过程连续完成，完全消除了人为因素对测试过程和结果的影响。无需刻意打磨工件表面，无需读取压痕直径，工件的弹性变形、放置不稳定也不会影响测试精度。

该仪器测头为浮动式，可自动上下移动，无需人工调整测头高度。仪器不再采用测量台丝杠升降结构，不再需要人工调整测量台高度。宽大的测量平台适合包括大型、异形工件在内的各类零件的快速摆放，T型槽结构方便安装异形工件的支撑夹具。

该仪器试验力范围为98~2450 N（10~250 kgf），具有洛氏、常规布氏、快速布氏硬度试验三种功能，非常适合在生产现场对批量工件进行快速合格检验。

3.3悬臂式全自动快速布氏硬度计

国产悬臂式全自动快速布氏硬度计如图3所示。

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该仪器原理、功能与上述仪器相同或相似，不同之处在于该仪器体积较大，测试范围较宽，最大试验力为29400N（3000kgf）​​；无洛氏硬度测试功能。该仪器试验力范围为1837.5~29400 N（187.5~3000kgf）​​，采用2.5、5、10mm球压头。测试工件最大高度为400mm，喉深为240mm。

3.4 大型摇臂布氏、洛氏硬度计

国产大型摇臂式布洛氏硬度计如图4所示。这是一种大型、半自动硬度计，有布氏硬度计和洛氏硬度计两种类型，可安装在热处理车间使用。

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该仪器由底座、立柱、摇臂、垂直升降装置、硬度测头、压痕测头、显示器、测量台、电控箱等组成。

其中：摇臂可摆动180度，方便装卸；垂直升降装置，测头可沿摇臂水平滑动，最大离立柱600mm；测头垂直移动距离可达600mm，离测量台最大高度900~1500mm。测头内有激光十字定位装置，瞄准测点后，按动试验按钮，仪器自动完成测头接近工件、压紧工件、压紧压痕、松开工件、升高测头等全部试验过程。对于洛氏硬度计，试验后直接显示洛氏硬度值；对于布氏硬度计，立柱上悬挂有自动压痕测量装置的测头，可用来测量布氏硬度压痕直径，从而直接读出布氏硬度值。

该仪器可用于检查汽车壳体、大型车轮及制动鼓、大型发动机缸体、缸盖、大型或特大型汽车模具等。

4.汽车零部件硬度计

有些汽车零部件形状特殊，检测要求也特殊，不适合用普通的硬度计进行检测，这就产生了对专用硬度检测装置的需求，下述专用硬度检测装置已形成产品，并取得了良好的效果。

4.1 刹车盘硬度自动检测系统

山东某刹车盘生产企业需要一套刹车盘硬度自动检测系统，设计要求包括：自动识别刹车盘型号；自动识别加强筋，硬度测试点在加强筋正上方；自动识别盘面空间位置；自动铣削盘面多个测试面，铣削深度可设定，最大铣削深度2mm；自动收集铣削屑；自动测试每个测试面多个点；用试验力29400N（3000kgf）​​、10mm球压头进行布氏硬度测试；自动测量压痕直径、自动显示硬度值；刹车盘测试完成后，统计输出检验报告；刹车盘测试时间≤10min（铣削4个面，铣削深度2mm，共测试12个点）。

国内某公司生产的刹车盘硬度自动检测系统如图5所示。

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刹车盘硬度自动检测系统由测试装置、切屑吸头装置和控制柜组成。测试装置包括测量台和龙门架，测量台上有可旋转和水平移动的工件夹具，龙门架上有工件识别装置、铣削装置、切屑吸头、硬度测试装置和压痕测量装置，均能垂直移动。

系统工作流程如下：①检测人员将刹车盘铸件放置在夹具上并夹紧；②按下检测按钮；③夹具水平移动至工件识别装置下方并旋转​​；④工件识别装置上的视觉传感器自动识别工件型号、工件表面位置及筋条分布情况；⑤工件移动、旋转，铣削装置在盘面铣出若干个检测面，铣削过程中，切屑吸屑装置将铁屑吸走；⑥工件移动、旋转，硬度检测装置在铣削表面上压出一系列布氏硬度压痕，每个压痕均位于筋条的正上方；⑦工件移动、旋转，压痕测量装置测量每个压痕直径并显示布氏硬度值；⑨工件返回初始位置；⑨显示屏显示检测报告；⑩检测人员打开夹具，取下工件，检测一次完成。

该检测系统主要工作参数包括检测点数量、检测点分布、铣削深度、合格范围等均可预设，系统铣削4个测试面（铣削深度2mm），检测12个点的硬度，总时间≤10min。该检测系统集工件识别、测试面铣削、铁屑收集、压痕、压痕测量、检测报告输出等多项功能于一体，具有精度高、效率高的特点，除人工上下料外，所有检测工序均自动完成，输出的检测报告可存储、打印、使用U盘输出。该刹车盘硬度自动检测系统于2017年6月在山东某刹车盘厂开始使用，使用至今效果良好。

本自动刹车盘硬度检测系统是一个创新，目前国内外尚无同类产品，若将此系统安装在生产线上，配上机器人上下料装置，可实现刹车盘硬度的在线自动检测，本自动在线硬度检测系统若投入运行，将进一步提高刹车盘生产厂家的质量管理水平。

4.2 汽车曲轴硬度计

曲轴是汽车发动机中的关键零部件，硬度是曲轴的一项关键技术指标。无论是锻造曲轴、铸造曲轴，还是调质钢曲轴，其产品标准都对曲轴的表面硬度有着严格的规定。

曲轴形状特殊，其硬度测试难度较大，使用普通的硬度计无法测试曲轴轴颈硬度。过去，国内还没有生产专用的曲轴硬度计，曲轴生产厂家通常的做法是切取试样放在台式硬度计上测试，或者用不规则的里氏硬度计进行测试。第一种方法检测效率很低；第二种方法检测精度低，可靠性差，其测试结果往往得不到用户的认可。

国外有多种专用的曲轴硬度计，意大利公司生产的曲轴硬度计如图6所示。

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本曲轴硬度计是由普通洛氏硬度计改装而成的。硬度计安装在一个可以沿x轴和y轴滑动的平台上。硬度计测头制成细杆状，支撑座制成V形板。工作台上还有测量台，测量台上安装被测曲轴。试验时，拉动硬度计沿平面移动，将硬度计测头对准轴颈，按动试验按钮，仪器自动完成硬度试验，并在显示屏上显示硬度值。

该类型曲轴硬度计可以方便地测试曲轴硬度，且测试结果准确、测试效率高。目前，国内一些高端曲轴生产厂家都在使用这种硬度计。国产曲轴洛氏硬度计如图7所示。该仪器由测量台、门架、浮动洛氏硬度计、曲轴安装支架等组成。硬度计悬挂在门架上，可沿导轨左右移动，也可上拉，与门架表面形成一定的角度。硬度计上有一小气缸，可平衡硬度计的重量，使仪器操作十分方便。

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测试硬度时，将曲轴安装在支架上，拉起硬度计，将硬度计测头挂在被测轴颈上，按一下测试键，仪器即可自动完成一个轴颈的测试并在显示屏上显示硬度值。移动式硬度计可完成其它轴颈的硬度测试。

该仪器操作简便，测试结果准确，检测效率高，测试精度符合GB/T 231.2-2012的要求，可使用U盘输出检测报告。

4.3 汽车发动机缸盖硬度自动测试系统

检测系统目前处于设计阶段，用户是气缸盖制造商。

用户的设计要求如下：经过测试的材料是一个四缸铝合金缸头，需要两侧检查，并且在每个方面都可以在每个侧面检查3点，并设置每个侧面检查的数量和位置分布；该系统还应具有合格的判断力，统计输出和提供检查报告的结构。

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硬度测试主机由一个尺寸的桌子组成。 Ting驱动器设备。

系统的主要工作过程如下：①检查员将工件放在工件固定装置上； ，通过判断，统计输出测试结果，释放工件等。

该硬度测试系统自动完成了所有测试，并且测试结果是准确的，并且检测效率很高。将来的产品。

5.在线自动硬度检测系统

目前，汽车零件的在线硬度检查技术已经取得了突破[5-6]。

图9显示了针对广东的铸造和锻造公司设计和制造的用于汽车制动鼓硬度的在线自动检测系统。

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测试工件是由HT250灰色铸铁制成的大型卡车制动鼓，直径为300〜500毫米，高度范围为300〜500 mm，高度偏离相同的工件≤2毫米，硬度接受范围为195〜210 HBW。

用户的设计要求如下：使用29400 N（3000公斤）测试力量和10毫米球缩进器，测试的精度满足GB/T231.2-2012的要求〜2毫米，可以自动收集芯片，并在每天检测结束后进行降低的判断功能；

该系统由底座，手推车，龙门机组成，硬度测量头，凹痕测量头，磨削设备，芯片吸力设备，工件识别设备，运动驱动器件，控制柜等。

该系统如下：①桁架机器人将工件放在手推车中心的固定位置；芯片;⑤工件将硬度的底部移到底部的硬度凹痕；在输送带上，测试完成。

系统的主要设备的工作细节如图10所示。

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该测试系统是一种自动化的产品。帖子和“降低效率的提高”和“机器替换”是可以远程通信的，并将数据传输到信息中心，并且可以按日常进行远程控制；

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