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摘 要：量块是由两个相互平行的测量面之间的距离来确定其工作长度的一种高精度量具，是工业生产和科学研究中作为长度标准被广泛使用的实物量具。通过对计量仪器、量具、量规等示值误差的检定，将各种精度的量块尺寸过渡到机械零件和成品的尺寸上，从而使产品零件的尺寸能够溯源到长度基准，从而保证量值统一。在研究量块长度的测量时，除了考虑量块的表面粗糙度、测量面的平面度、研合性、硬度外，还要重点研究量块的材质、弹性模量、线膨胀系数对测量结果的影响以及修正的方法。
关键词：量块；接触测量；量块
1.量块的材质
量块一般都使用刚性良好，表面耐磨，组织均匀，结构紧密，容易加工出高质量的表面粗糙度，能够很容易地相互研合，经过适当的处理能够使长度保持长期稳定的材料来制造。有许多种材料能够符合上述要求，但各种材料都各有优点和缺点。
（1）用粉末冶金烧结成型的碳化钨硬质合金制成的量块，其表面具有很高的抗酸、碱和高温湿热腐蚀的性能；具有良好的长期稳定性能，长度随时间的变化量很小：有很强的研合力；不会被磁化。但它与经常被测的对象（例如钢、铁机械零件或钢质量块等制品）相关参数差别甚大，必须引入相关的修正值，否则将带来大的系统误差。
（2）钢玉（即机械手表内制造轴承的宝石或人造钻石）具有与硬质合金相同的优点，但钢玉量块的材料是由人工生长起来的，按标准量块的规格下料，要获得长度大于40mm的量块是比较困难的；又由于这种材料比较脆，要制造、检定和使用太薄的量块，也有所不便。
（3）熔炼石英制成的量块同样具有上述的优点，但其线膨胀系数很小，与被测对象差别很大，在实际测量中，温度偏离20℃时，对测量造成很大的影响，一般作为基准组量块。
（4）钢质量块除了能够达到上述技术要求以外，还由于它的线膨胀系数和弹性模量与大多数在机械加工中被检测的对象（如钢、铁机械零件）相近。这在使用量块作精密测量时，有利于减小因温度偏离20℃，线膨胀系数不同引起的误差，以及减小在测量力作用下因接触变形差异引起的误差。因此，在世界范围内（包括我国）广泛采用钢材制造的量块。但钢质量块在实际应用中也存在问题：
首先是量块长度的长期稳定性问题。为使钢质量块表面具有耐磨性能，经过高温（一般采用盐炉、高频电火花、表面氮化或激光扫描等方式）加热、淬火、回火、低温冷冻等冷、热工艺处理后使其表面硬化（硬度不低于800HV）。但在冷热处理过程中：
1）由于未消除的残余应力，在量块制成后不断地重新分布，会使量块的尺寸增大或缩小；
2）量块制成后钢材内部的金帽组织，由于残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体的体积膨胀会使量块的尺寸增大；
3）由于马氏体抑制碳在碳化物中晶体的晶格形式，对晶体几何尺寸的影响不同又会使量块的尺寸缩小。这在三种过程，在量块制成后，各自都在独立地、自发地（尤其是在量块制成后的半年时间内）、持续地进行着。这些作用共同合成的结果，使有些量块的长度可能增长了，有些量块的长度可能缩短了。上述原因影响钢质量块长度长期稳定性。这是钢质量块的不足之处。因此，量块每隔一段时间，就应重新检定一次，重新给其长度赋值，以弥补这一不足。钢质量块的另一个问题是它的磁致效应，由于磁化可使量块的长度比未磁化以前缩短，退磁又可使量块的长度比未磁化以前增长。被磁化后的量块还可能把许多金属微粒吸附在测量表面上。当它与别的被测量对象接触时，可使两者测量面的表面质量都受到损害，或在使用中，微粒支承着量块或夹杂在量块和被测件兩测量表面之间，而使测量产生粗大误差。钢质量块还有一个问题是其抗腐蚀能力比较差。如赤手拿钢质量块，手汗中弱盐酸会引起氧化物离子的相互作用，而加速腐蚀。实验证明，被赤手拿过的量块如不及时清除，只需一天就可导致量块生锈报废。钢质量块在检定或使用的时候，必须除净防锈涂料，但除净防锈涂料的量块，如果在相对湿度超过65%的环境内检定、使用和存放时间久了，也很容易自然生锈报废。
2.量块的弹性模量
当采用球面测头接触量块，在测量力作用下，量块测量面局部产生的弹性接触变形，使量块长度的测量结果受到影响。其细节可按下列步骤来描述、分析和试验。在没有测量力作用时长度为L的量块B，放置在带筋工作台上。其上测量面与曲率半径为R1的球面测头A，下测量面与工作台平面C，在测量力P和工作台平面支反力N的作用下相互接触。这时如图2.1所示的D将量块B的上测量面接触变形而缩短λ：
图2.1放置在带筋工作台上处于测量状态的量块
式中：E1、E2为球面测头A和量块B材料的弹性模量。
图2.2放置在球筋工作台上处于测量状态的量块
如图2.2所示，在没有测量力作用时长度为L的量块B，放置在球筋工作台上。其上测量面与曲率半径为R1的球面测头A，下测量面与曲率半径R3的工作台球面测头C，在测量力P、量块B的质量产生的重力W和工作台球面测头支反力N的作用下相互接触。这时如图2.2所示的口因量块B的上、下测量面接触变形而缩短λ：
如图2.3所示，直径为d1和d2两球接触时，在连心线方向两球各受力P和N，（P=N）的作用。其初始状态是作用力集中在两球的接触点M附近很小的面积上，造成应力集中，使两球均在接触点M处产生弹性变形。直到变形部分的体积达到一定程度为止。设当接触圆的半径等于a时，接触应力与外加的测量力达到平衡，两球的中心距离D将因此局部弹性变形而比没有测量力时缩短λ。由材料力学和弹性理论，λ可用下式表示：
3.量块的线膨胀系数
3.1量块的线膨胀系数
温度每升高（或降低）1℃，量块长度的伸长（或缩短）的量，与其原长度的比值即为量块的线膨胀系数。在测量量块长度的时候，标准温度规定为20℃，但在量块长度实际测量的时候，温度不可能恰好等于20℃，在温度偏离20℃的情况下，测量的结果必须引入一个修正量C2，最终给出温度为20℃情况下的量块长度，这个修正量与量块的长度、量块的线
膨胀系数和量块长度实际测量时的温度对于20℃的偏差量成正比，为计算这个修正量，必须知道量块的线膨胀系数；同样，量块在使用的时候，也必须知道其线膨胀系数。
3.2量块的线膨胀系数测量
一般采用多温度点直接测量量块线膨胀系数，并使用最小二乘法处理。设被测量块的标称长度为l，在温度为20℃时对其标称长度l的偏差为△L0，在温度为（20+Δt）℃时，测得对其标称长度l的偏差为△L，量块的线膨胀系数为a。则有：
△L=△L0+a△tl
由上式可见，如能多选几个温度点，测量出相对于20℃的各温度偏差值Δt，和在这些温度点上被测量块相对于其标称长度l的各偏差值△L并经过对测量结果的处理，就可解出量块的线膨胀系数a。
结论
通过量块对长度计量仪器、量具和量规等示值误差的检定、对精密机械零件尺寸的测量和对精密机床、夹具在加工中定位尺寸的调整等方式，把机械制造中各种制成品的尺寸联系起来，以达到长度量值在全国和国际间的统一，使零、配件都具备良好的准确性和互换性。
参考文献
[1]王承钢，王伟波编著.量块测量、检定、使用与修理技术问答.北京：中国计量出版社.2001年9月.
关键词：量块；接触测量；量块
1.量块的材质
量块一般都使用刚性良好，表面耐磨，组织均匀，结构紧密，容易加工出高质量的表面粗糙度，能够很容易地相互研合，经过适当的处理能够使长度保持长期稳定的材料来制造。有许多种材料能够符合上述要求，但各种材料都各有优点和缺点。
（1）用粉末冶金烧结成型的碳化钨硬质合金制成的量块，其表面具有很高的抗酸、碱和高温湿热腐蚀的性能；具有良好的长期稳定性能，长度随时间的变化量很小：有很强的研合力；不会被磁化。但它与经常被测的对象（例如钢、铁机械零件或钢质量块等制品）相关参数差别甚大，必须引入相关的修正值，否则将带来大的系统误差。
（2）钢玉（即机械手表内制造轴承的宝石或人造钻石）具有与硬质合金相同的优点，但钢玉量块的材料是由人工生长起来的，按标准量块的规格下料，要获得长度大于40mm的量块是比较困难的；又由于这种材料比较脆，要制造、检定和使用太薄的量块，也有所不便。
（3）熔炼石英制成的量块同样具有上述的优点，但其线膨胀系数很小，与被测对象差别很大，在实际测量中，温度偏离20℃时，对测量造成很大的影响，一般作为基准组量块。
（4）钢质量块除了能够达到上述技术要求以外，还由于它的线膨胀系数和弹性模量与大多数在机械加工中被检测的对象（如钢、铁机械零件）相近。这在使用量块作精密测量时，有利于减小因温度偏离20℃，线膨胀系数不同引起的误差，以及减小在测量力作用下因接触变形差异引起的误差。因此，在世界范围内（包括我国）广泛采用钢材制造的量块。但钢质量块在实际应用中也存在问题：
首先是量块长度的长期稳定性问题。为使钢质量块表面具有耐磨性能，经过高温（一般采用盐炉、高频电火花、表面氮化或激光扫描等方式）加热、淬火、回火、低温冷冻等冷、热工艺处理后使其表面硬化（硬度不低于800HV）。但在冷热处理过程中：
1）由于未消除的残余应力，在量块制成后不断地重新分布，会使量块的尺寸增大或缩小；
2）量块制成后钢材内部的金帽组织，由于残余奥氏体转变为马氏体，而马氏体的体积膨胀会使量块的尺寸增大；
3）由于马氏体抑制碳在碳化物中晶体的晶格形式，对晶体几何尺寸的影响不同又会使量块的尺寸缩小。这在三种过程，在量块制成后，各自都在独立地、自发地（尤其是在量块制成后的半年时间内）、持续地进行着。这些作用共同合成的结果，使有些量块的长度可能增长了，有些量块的长度可能缩短了。上述原因影响钢质量块长度长期稳定性。这是钢质量块的不足之处。因此，量块每隔一段时间，就应重新检定一次，重新给其长度赋值，以弥补这一不足。钢质量块的另一个问题是它的磁致效应，由于磁化可使量块的长度比未磁化以前缩短，退磁又可使量块的长度比未磁化以前增长。被磁化后的量块还可能把许多金属微粒吸附在测量表面上。当它与别的被测量对象接触时，可使两者测量面的表面质量都受到损害，或在使用中，微粒支承着量块或夹杂在量块和被测件兩测量表面之间，而使测量产生粗大误差。钢质量块还有一个问题是其抗腐蚀能力比较差。如赤手拿钢质量块，手汗中弱盐酸会引起氧化物离子的相互作用，而加速腐蚀。实验证明，被赤手拿过的量块如不及时清除，只需一天就可导致量块生锈报废。钢质量块在检定或使用的时候，必须除净防锈涂料，但除净防锈涂料的量块，如果在相对湿度超过65%的环境内检定、使用和存放时间久了，也很容易自然生锈报废。
2.量块的弹性模量
当采用球面测头接触量块，在测量力作用下，量块测量面局部产生的弹性接触变形，使量块长度的测量结果受到影响。其细节可按下列步骤来描述、分析和试验。在没有测量力作用时长度为L的量块B，放置在带筋工作台上。其上测量面与曲率半径为R1的球面测头A，下测量面与工作台平面C，在测量力P和工作台平面支反力N的作用下相互接触。这时如图2.1所示的D将量块B的上测量面接触变形而缩短λ：
图2.1放置在带筋工作台上处于测量状态的量块
式中：E1、E2为球面测头A和量块B材料的弹性模量。
图2.2放置在球筋工作台上处于测量状态的量块
如图2.2所示，在没有测量力作用时长度为L的量块B，放置在球筋工作台上。其上测量面与曲率半径为R1的球面测头A，下测量面与曲率半径R3的工作台球面测头C，在测量力P、量块B的质量产生的重力W和工作台球面测头支反力N的作用下相互接触。这时如图2.2所示的口因量块B的上、下测量面接触变形而缩短λ：
如图2.3所示，直径为d1和d2两球接触时，在连心线方向两球各受力P和N，（P=N）的作用。其初始状态是作用力集中在两球的接触点M附近很小的面积上，造成应力集中，使两球均在接触点M处产生弹性变形。直到变形部分的体积达到一定程度为止。设当接触圆的半径等于a时，接触应力与外加的测量力达到平衡，两球的中心距离D将因此局部弹性变形而比没有测量力时缩短λ。由材料力学和弹性理论，λ可用下式表示：
3.量块的线膨胀系数
3.1量块的线膨胀系数
温度每升高（或降低）1℃，量块长度的伸长（或缩短）的量，与其原长度的比值即为量块的线膨胀系数。在测量量块长度的时候，标准温度规定为20℃，但在量块长度实际测量的时候，温度不可能恰好等于20℃，在温度偏离20℃的情况下，测量的结果必须引入一个修正量C2，最终给出温度为20℃情况下的量块长度，这个修正量与量块的长度、量块的线
膨胀系数和量块长度实际测量时的温度对于20℃的偏差量成正比，为计算这个修正量，必须知道量块的线膨胀系数；同样，量块在使用的时候，也必须知道其线膨胀系数。
3.2量块的线膨胀系数测量
一般采用多温度点直接测量量块线膨胀系数，并使用最小二乘法处理。设被测量块的标称长度为l，在温度为20℃时对其标称长度l的偏差为△L0，在温度为（20+Δt）℃时，测得对其标称长度l的偏差为△L，量块的线膨胀系数为a。则有：
△L=△L0+a△tl
由上式可见，如能多选几个温度点，测量出相对于20℃的各温度偏差值Δt，和在这些温度点上被测量块相对于其标称长度l的各偏差值△L并经过对测量结果的处理，就可解出量块的线膨胀系数a。
结论
通过量块对长度计量仪器、量具和量规等示值误差的检定、对精密机械零件尺寸的测量和对精密机床、夹具在加工中定位尺寸的调整等方式，把机械制造中各种制成品的尺寸联系起来，以达到长度量值在全国和国际间的统一，使零、配件都具备良好的准确性和互换性。
参考文献
[1]王承钢，王伟波编著.量块测量、检定、使用与修理技术问答.北京：中国计量出版社.2001年9月.