什么是评价重复性和再现性(GR&R)?

评价重复性和再现性, 常称作GR&R, 是一种在过程控制中使用的统计方法(SPC),用于评估一个测量仪器目前的精度和变异以及以后用作测量工具的有效性。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)。

在洛氏硬度试验中,GR&R研究可以作为一个很有价值的工具,用来测量硬度计的精度和硬度计导致整个试验过程的变异程度。然而,罗克韦尔的GR&R评估过程中也会有一些因素使情况复杂化,但一旦了解这些因素并对其进行说明,GR&R评估可提供有用的过程数据。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。因为从没不在同一点进行洛氏硬度测试,所以主要的障碍是试样自身的差异。因此,材料在硬度上不会完全一致,有一定的差异。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。
 

目的

进行GR&R研究的目的是通过硬度测试仪器的变化(也指设备变异或可重复性)以及操作员的差异(也指人员变异或可再现性)来确定过程公差的使用程度。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。为使统计过程控制(SPC)更有效,总变化应小于工序公差的百分之10(<10% GR&R)。可临时使用GR&R在10%-30%之间的洛式硬度测试设备,GR&R超过30%的设备不得用于SPC。
 

为什么执行GR&R分析?

几年前为ASTM对30个日常使用的硬度计所做的研究显示,90%的仪器在直接检验中不合格,尽管他们通过了使用试样的正常间接试验。毫无疑问,这些测量仪器的测量公差都超出了容许范围。其用于确定设备的不确定度时能够显著提升误差计算能力。采用GR&R能够揭示您的系统在读取洛氏硬度方面的表现如何以及您是否需要诸如直接执行等额外的验证。今天使用的几乎所有测试仪自从生产出来并未对基本功能(力、深度测量、时间周期)进行验证。仅装运流程就多次导致这些精密仪器出现问题。在硬度计被运送到用户手中后,ASTM不要求对测试力和位移测量系统进行直接验证。使用年限超过40年的测试仪并不少见。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。通常使用弹簧来施加试验力。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。聪明的维修人员花费一生时间调整测试设备,使用ASTM允许的公差“读取模块”。常规的洛氏硬度测试点的测量单位仅为2µm(约0.002mm或 0.000080英寸深),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。未能妥善准备和进行罗克韦尔硬度测试,未经常校准和维护的测试仪可能会导致测试数据欠佳或读数错误,可能导致生产和交付不合格的产品,可能对用了此材料的产品的性能和完整性产生不利和灾难性后果。很容易看到,机器性能错误可迅速导致产品低劣,GR&R可以对 机器运转状况进行可衡量的、准确的评估。
 

理解您的硬度计的可重复性与可再现性

大部分用户没有定量了解他们的硬度计是如何工作的。硬度计的重复性和再现性通常需要通过GR&R评估来测定。通过定期进行GR&R研究,很容易建立和监督仪器的性能。一项典型的GR&R研究可以快速建立硬度计的短期和长期性能,包括操作员影响。

一个完整的或长期的GR&R研究涉及10个不同的测试模块和3位操作人员;每位操作人员对每个模块进行三次测试。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。一个短期或小型的GR&R测试涉及10个不同的试块。一个操作人员对每个试块进行3次测试,总共进行30次测试。对比洛氏硬度计的两种测试方法,您可发现在最后的结果上两者的差异微乎其微。
 

过程

由于之前提到的材料变化,特别是生产部件,GR&R测试应该选用标准化的试样,以尽可能的降低材料变化影响。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。在完整的或长方法GR&R中,三位操作员中的每位应对10个试块逐次进行单硬度测试,从1#试块开始,一直到10#试块,完成第一次测试。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

对洛氏硬度计进行GR&R计算本质上是将设备与操作员变异的总和与过程公差进行比较。如果相比较而言变差小或工序公差宽,则% GR&R也会较低。相反地,如果相比而言,变异性增加或过程公差缩小,则GR&R%将会升高。在分析中,会计算每个操作员的读数范围,然后计算出各自的平均范围。此外,还会确定每个操作员的平均测试值。利用该数值可生成完整的GR&R结果。
 

公差

计算中的过程相对比较容易:它是直接从工程说明书中摘取用于部件的硬度测试(例如,一个要求42-48HRC硬度的零件的有6个点的总公差)。注意GR&R的计算仅在工艺容差背景下才具有相关性,例如将设备和测量者变差和硬度快容差相比是没有意义的,因为其没有给出设备在测量真实零部件方面的任何适用性信息。试块公差用于确保硬度计的精度,而非它的重复性。
 

变异

变异的计算可以稍微有点模糊,但所做的所有计算是为了将平均范围值和操作员差异转化为六西格玛标准的近似值(所有数据标准偏差的6倍)。六西格玛是对设备总体变差的统计描述。假设测试设备以正常方式变化,根据六西格玛标准,在所有给定试块上的测试中(或在GR&R测试中设定的10个试块),在该区域将减少超过99337个。在某种意义上,机器在此硬度水平上的不确定性意味着对于给定的读数,实际硬度值可能高达加上或减去三西格玛。
 

结果

假如训练有素的操作员和/或自动化仪器产生微不足道的人员变异,则很容易理解在只有仪器变异的情况下的GR&R百分比的最后计算。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。10%或更少的重复性与再现性(GR&R)要求六西格玛指标(机器总变异性)为10%或更少的过程公差。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。如预期一样,模拟仪器具有最差的GR&R性能,而严格控制试验力的闭环硬度计具有最佳的GR&R性能。

一些洛式硬度计具备多种特性,使其在GR&D测试中获得很高的表现。另外一些制造商保证对生产的每一台硬度计进行GR&R测试,而且在每台硬度计完成该项测试,并且GR&R表现等于或高于规定百分比之前,他们不会发货。研究证明材料一般在每个测试仪随附的GR&R证书上。有利于提高 GR&R 性能的影响因素包括:
 
  • 闭环负载控制:测力传感器通过传感器和压头提供各种反馈信息(来自机械部件的磨损和摩擦力在闭环内得到补偿)闭环控制提供最精确的施力形式
  • 将硬度计压头附在测力传感器上,从而消除摩擦产生的误差
  • 通过设计使测力设备和深度量尺直接符合单轴布置的压头要求。
  • 移除升降螺丝(造成不可复变形的源头)
  • 使用数字尺,与模拟尺相比分辨率增加到.01

  GR&R虽然是一个有用的洛氏硬度计性能整体测量方法,但却不能替代推荐使用的常规试块/间接检验过程。日常对测试仪器进行非直接的性能验证很重要;使用的标尺应使用标准试块或试样来验证。如果可以,建议每次更换等级、启动时用每个更换的等级对系统进行验证。应在测试材料的大概范围内选择试块,并只用于校准测。在验证过程中应读数五次;测量值必须位于区间和区间证书规定的公差范围内。如果验证失败,应将机器从操作中移开,直到作出适当调整或修理。有必要对仪器进行维护和授权验证 ,以继续顺利操作,并保证系统符合罗克韦尔测试的精度要求。ASTM 建议每年都应该对洛氏硬度计进行维护和验证,而对于频繁使用或在恶劣环境中使用的洛氏硬度计进行更加频繁的验证。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。

在评价洛氏硬度计性能水平上,GR&R无疑是一个有用且有利的工具。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。除了使用性能良好的仪器,正确的技术、流程和严格遵守标准,能够极大提升洛氏测试的准确性和有用性。