大尺寸工件的測量特性

崔麗娟 楊金嶺

(①燕山大學里仁學院，河北秦皇島 066004;②中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066000)

所謂大尺寸工件，通常是指基本尺寸大于500 mm的工件。大尺寸工件在重型機床、工程機械、礦山機械和建筑機械中應用較多，尤其是近年來，隨著我國機械制造水平的不斷提高，大尺寸工件的比例也越來越高，例如大型設備制造中，許多尺寸超過500 mm，有些工件尺寸甚至超過10 000 mm或者更大。

1 大尺寸工件的特點

與中、小尺寸工件不同，大尺寸工件在其使用要求、加工、測量、裝配、維修以及生產方式上，都有一些自身的特點。如:大尺寸工件通常是單件小批生產;往往采用配做或者修配的制造方法，不一定能達到、甚至不要求達到互換性;對大尺寸工件的配合關系，往往只要求配合特性，而不強調保持嚴格的基本尺寸;在工件的制作誤差中，形位誤差和測量誤差占的比例增大，特別是因為溫度產生的誤差很突出，等等。

對大尺寸工件的測量，目前主要采用的仍是機械量具。一般有游標卡尺、大型千分尺、高度尺、內徑千分尺、內徑量桿等。因為工件的尺寸較大，這也導致了這些量具的體積和重量也較大，比較笨重，操作不便。

例如，測量500 mm的工件的計量器具，重量最小也要在6 kg以上;測量1 000 mm工件的計量器具的重量約15 kg，兩個人操作都相當困難;而測量3 000 mm以上尺寸的千分尺一般需要使用吊車幫助測量。

2 大尺寸工件的測量特性

大尺寸工件的測量特性是受多種因素影響的，如測量溫度的影響、測量器具結構的影響、測量過程中系統誤差的影響等等。基于上述特點，將常規中、小尺寸工件的測量特性沿用于大尺寸工件是不合適的。大尺寸工件的測量特性主要體現在以下幾個方面。

(1)溫度造成的測量誤差的比例顯著增大。

由于大尺寸工件的體積、尺寸較大，一般都是只能在加工現場或者機械加工設備上進行測量，測量器具和工件受環境溫度影響較大，因此很難得到可靠的測量結果。

對不同尺寸范圍和不同公差等級的工件，相同的溫度變化所造成的測量誤差，在給定的公差中占有的百分比是不同的。例如，對于一個直徑50 mm，公差等級為IT6的鋼制工件，溫度變化范圍5℃引起的工件尺寸變化為2.9 μm，僅占尺寸公差16 μm的18%;但是對于一個直徑3 000 mm，公差等級為IT6的鋼制工件，溫度變化范圍5℃引起的工件尺寸變化為172.5 μm，竟占尺寸公差135 μm的127.8%。由此可見，按照公差單位，雖然公差隨著基本尺寸的增加加大了，但制造某一公差等級的大尺寸工件，與制造同一公差等級的中等尺寸工件相比，前者往往要困難得多。

圖1和圖2分別表示尺寸范圍≤500 mm和＞500～3 150 mm時，溫度變化4～20℃和1～10℃引起的尺寸變化，與標準公差IT4～IT8的對比關系。由圖可知，溫度變化對大尺寸的影響要嚴重得多。

由上述可知，一般溫度變化引起的測量誤差，即使對中小尺寸工件的制造是可以忽略的，但是對大尺寸工件的制作來說，則常常是關鍵性難題。

以上考慮的僅僅是溫度引起的工件的尺寸變化，而溫度引起的測量誤差則取決于工件與量具的溫度及其線膨脹系數。例如，基本尺寸為3 000 mm的鋼制工件，線膨脹系數為11.5×10－6/℃，量具是輕鋁合金的，線膨脹系數為23×10－6/℃;工件溫度為21℃，量具溫度為24℃，要求測量溫度為20℃。此時由于熱變形不一致引起的測量誤差為(23×4－11.5×1)×10－6×3 000=0.242 mm。已經超過IT7=210 μm，可見影響之大。

從理論上講，由溫度引起的測量誤差是可以修正的。但是大尺寸工件的內部溫度與外表溫度可能不一致，而要消除其內外溫差，往往需要很長時間，例如使某個1 000 kg的重型工件的內外溫差降至±0.2℃，可能需要2天以上的時間。因此，對大尺寸工件，要準確測量其溫度并消除溫度引起的測量誤差，是比較困難的。

(2)量具和工件結構特點引起的測量誤差也較大。

由測量原理決定這類計量器具必然存在大尺寸測量弱點。對于大重量的測量器具，使用過程中，受力變形也很大，測量時不好掌握，不容易找正測量部位，不容易判斷工件與量具的接觸情況。而且這種量具因自重變形引起的測量誤差也是很大的。同時，大尺寸工件本身由于自重引起的變形也是較大的。

根據統計，工件尺寸在1 000 mm以下時，測量誤差在29～120 μm，工件尺寸在1 000 mm到6 000 mm之間時，測量誤差一般在370 μm，最多可達到1 mm左右。測量誤差的主要來源為:量塊和校棒的誤差、千分尺測量時測頭偏移的誤差、溫度產生的誤差、千分尺受力變形引起的誤差、測量面平行度產生的誤差等。

(3)孔的測量精度一般比軸的測量精度高。

對于一般中小尺寸的工件，通常軸比孔容易測量，而對于大尺寸工件，則恰好相反，往往是孔比軸更容易測量。一般測量大孔尺寸，用的是結構比較輕便、剛性較好、操作也比較方便的內徑千分尺，或經校準過的帶指示表的內徑量桿。而一般測大軸，用的是自重大、易于變形、操作不變、找正測量部位也比較困難的外徑大卡規或大型千分尺。因此，大尺寸孔的測量誤差往往小于大尺寸軸的測量誤差。

(4)大尺寸的測量值大多小于其真值。

不論是大尺寸的孔或軸，其測得值多小于其真值，即測量誤差是非對稱分布的，且向數值減小方向偏移。這是英國物理研究所(NPL)的試驗結果，可能由于大尺寸工件在測量操作上的一些原因所致。

(5)在大尺寸的測量誤差中，系統誤差的影響更突出，而多次重復測量值的分散性也往往較大。

由于大尺寸量具在校準上的困難，并且由于校準用量具的誤差較大，所以在大尺寸測量中，往往包含有較大的而又難以確定的系統誤差，系統誤差的影響也更加顯著。

此外，由于大尺寸測量過程的復雜與費事，采用多次重復測量也不一定能得到滿意結果。根據一些國家的測試結果，大尺寸測量的均方差與直徑大致呈線性關系。在英國標準“極限與配合”(B.S.1916－1963)中引用了NPL的試驗數據，指出了對大尺寸測量誤差的統計，均方差為15 ～30 μm，最小為10 μm。

3 大尺寸工件公差與配合的注意事項

通過上述論述后，考慮到大尺寸工件在測量誤差方面以及其它方面的一些特性，在選擇或者確定大尺寸公差與配合的時候，就要和中小尺寸工件加以區別，并注意以下方面:

(1)在大尺寸的公差單位公式中應充分反映測量誤差的影響。

(2)大尺寸的IT6級遠比中等尺寸的IT6級難以制造。目前對大尺寸工件公差的選取，宜從≥IT6起。

(3)對大尺寸的配合，不宜規定孔比軸低一級，目前以采用同級孔、軸配合為宜。

(4)除采用互換性配合外，還宜采用配制配合。

(5)要特別注意測量誤差對配合性質的影響。

［1］王伯平.互換性與技術測量［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［2］李柱.互換性與技術測量基礎［M］.北京:中國計量出版社出版社，1984.