溫度對大型工件測量準(zhǔn)確性的影響及對策分析

陳文光

天津海博斯機(jī)電設(shè)備有限公司 天津 300410

隨著工程設(shè)備功率的不斷提高，機(jī)械部件的尺寸也不斷加大。在加工及檢測方面，大型工件與普通機(jī)械零件相比，存在以下不同之處。

（1）大型工件尺寸及質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通機(jī)械零件，工件在機(jī)床上的固定和調(diào)整更復(fù)雜，導(dǎo)致工件安裝和拆卸用時更多。

（2）加工大型工件的機(jī)床體積龐大，與其配套的廠房空間面積也大。若為保證加工精度而將廠房建為恒溫車間，則空調(diào)設(shè)備投資大，日常運行的能源消耗也大。

（3）將半成品加工件或成品加工件轉(zhuǎn)往精密測量區(qū)域時，工件的吊裝及搬運復(fù)雜，一旦在精密測量區(qū)域的檢測不合格，則工件不得不進(jìn)行“二次裝夾修復(fù)”，存在質(zhì)量風(fēng)險，所以大型工件的檢測方式更傾向于機(jī)床在線檢測。

▲圖1 現(xiàn)場測量過程三要素

1 現(xiàn)場測量過程三要素及影響程度

在大型工件加工現(xiàn)場對產(chǎn)品進(jìn)行檢測，影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素很多，對這些因素進(jìn)行總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)有3個因素的影響最為明顯，即量具精度、溫度和操作技能，稱之為現(xiàn)場測量過程三要素，如圖1所示。

在測量過程中，隨著被測尺寸的增大，測量過程三要素對測量準(zhǔn)確性的影響程度也是不一樣的。如圖2所示，當(dāng)被測尺寸小于300mm時，對測量準(zhǔn)確性影響最大的因素是操作技能，溫度引起工件和量具的熱變形很小，同時量具的精度因科技水平的提高，可以始終保持在一定的精確范圍內(nèi)。同樣，當(dāng)被測尺寸大于500mm時，對測量準(zhǔn)確性影響最大的因素為溫度，由溫度而引起的工件與量具尺寸熱變形越來越大，尤其當(dāng)工件和量具不是同一種材料時表現(xiàn)得更加明顯。而操作技能可以通過培訓(xùn)進(jìn)行改善，它對測量準(zhǔn)確性的影響在大尺寸范圍內(nèi)逐漸減弱。

2 熱變形測量誤差產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生熱變形測量誤差的根本原因與機(jī)械制圖標(biāo)注尺寸的默認(rèn)條件有關(guān)，由于圖紙尺寸默認(rèn)的測量條件為20℃和1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在這個默認(rèn)條件下，無論工件采用何種材料，只要工件與量具均保持在20℃下并且等溫，那么測量出來的結(jié)果就是機(jī)械制圖標(biāo)注尺寸的真實值。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，通過對圖紙默認(rèn)條件的進(jìn)一步分析，認(rèn)為下列兩種情況與圖紙默認(rèn)條件是等效的。

▲圖2 測量過程三要素對測量準(zhǔn)確性的影響程度

（1）工件和量具均在20℃恒溫測量室內(nèi)恒溫后進(jìn)行測量，與材料是否相同無關(guān)。

（2）工件和量具在非20℃條件下，但是工件和量具的材質(zhì)相同，并且工件和量具經(jīng)過有效等溫處理后，雙方溫度完全一致。

但是，在大型工件現(xiàn)場測量時，符合上述等效條件的測量環(huán)境是很少的，因為它受到測量工時、材料選擇及冷卻時間等多方面現(xiàn)實因素的影響。所以只要測量條件不滿足上述等效情況，則測量時一定存在溫度造成工件和量具不同熱變形的現(xiàn)象，并且熱變形的差值一定影響到測量的準(zhǔn)確性，使測量結(jié)果偏離了真實值，導(dǎo)致對工件合格與否的錯誤判斷。

隨著產(chǎn)品精度的提高和更多非鋼鐵類材料的應(yīng)用，熱變形測量誤差的影響已經(jīng)變成了一個不容忽視的因素，甚至成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵要素。根據(jù)資料統(tǒng)計，在20世紀(jì)后期，隨著測量技術(shù)及儀器的提高，熱變形測量誤差占現(xiàn)場測量總誤差的50%。

3 熱變形對測量準(zhǔn)確性的影響

熱變形測量誤差可被細(xì)分為如下兩種與溫度有關(guān)的狀況。

3．1 實測溫度與20℃之差T測量-20

假設(shè)工件與量具等溫，大型工件在非20℃條件下測量時，如果工件與量具材質(zhì)相同，則不存在熱變形對測量準(zhǔn)確性的影響，也就是無T測量-20對測量準(zhǔn)確性的影響；如果工件與量具并非同一種材質(zhì)，即使已經(jīng)確保工件與量具等溫，仍一定存在T測量-20對測量準(zhǔn)確性的影響，該影響是由不同材料的熱膨脹系數(shù)決定的。

3．2 測量時工件與量具的溫度之差T工件-量具

無論工件與量具材質(zhì)是否相同，一旦量具與工件的溫度不相同，則必然會出現(xiàn)T工件-量具對測量準(zhǔn)確性的影響，該影響是因為工件與量具不等溫時二者會出現(xiàn)熱變形之差，該差值可為正值，也可為負(fù)值。

在生產(chǎn)現(xiàn)場，絕大部分的量具是由碳素工具鋼制造的。當(dāng)工件采用不同材料時，熱變形對測量準(zhǔn)確性的影響也是完全不同的。

（1）若工件材料為碳鋼，則車間內(nèi)溫度對測量準(zhǔn)確性無影響，因為當(dāng)工件與量具材質(zhì)相同時，相同的熱膨脹系數(shù)能確保工件與量具按相同的變形量隨溫度變化。

（2）若工件材料為鑄件、不銹鋼3Cr13，則車間內(nèi)溫度是否為20℃，T測量-20對測量準(zhǔn)確性有影響，但是這個影響占次要因素，因為工件與量具的熱膨脹系數(shù)差值不大。

（3）若工件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti、工程用銅和鋁合金時，則車間內(nèi)溫度是否為20℃，T測量-20都對測量準(zhǔn)確性影響很大，因為工件與量具的熱膨脹系數(shù)差值較大。

▲圖3 不同熱變形而導(dǎo)致測量誤差的因素

綜上所述，大型工件在車間進(jìn)行測量時，為了避免熱變形對測量準(zhǔn)確性的影響，工件與量具之間的溫度差是必須要考慮的因素。而車間溫度是否需要恒溫至20℃，則依據(jù)工件與量具的熱膨脹系數(shù)的差值來酌情考慮。對于工件與量具是同等材質(zhì)的情況（如加工鋼制工件），根本不需要考慮車間恒溫至20℃的問題。

4 加工現(xiàn)場避免熱變形測量誤差的對策

引起熱變形測量誤差的根源是在非20℃狀況下測量時，由溫差和材質(zhì)引起的量具與工件的不同熱變形而導(dǎo)致的，如圖3所示。根據(jù)熱變形測量誤差產(chǎn)生的原因，可以采用以下兩種對策來避免熱變形測量誤差。

4.1 等溫變形法

等溫變形法是目前加工現(xiàn)場最普遍使用的對策，當(dāng)量具與工件材料相同時，加工現(xiàn)場只需要將工件與量具等溫即可，等溫過程就是將被測工件和量具（包括標(biāo)準(zhǔn)器）置于同一溫度下經(jīng)過一段時間、使兩者與周圍溫度一致的過程。

等溫在空氣中進(jìn)行，也可以在大鑄鐵平板上進(jìn)行，等溫時間與兩者的溫度差、熱容量和周圍介質(zhì)的熱導(dǎo)性能有關(guān)。對于體積較大的工件需24h等溫，這是因為工件內(nèi)部的溫度總是滯后于表面和室內(nèi)的溫度。

同時，為了避免操作時人的體溫對量具的影響，還要采取如下措施。

（1）測量時帶手套，隔開手與量具的直接接觸。

（2）使用千分尺時，必須握住絕熱墊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)手熱量已傳遞到千分尺上，應(yīng)將其放置一定時間再使用。

等溫變形法的優(yōu)缺點：等溫變形法易于理解，操作簡單。但是當(dāng)工件材質(zhì)與量具材質(zhì)不相同時，將工件與量具進(jìn)行等溫（非20℃情況下）并不能解決熱變形造成的測量誤差，這種情況在以銅、鋁為材料的工件上表現(xiàn)得尤為明顯。

此外，迫于工時、交貨期等影響，并不能等待足夠長的時間確保工件與量具等溫，當(dāng)工件尺寸龐大但等溫時間較短時，會出現(xiàn)大型工件表面與量具同溫，但是工件內(nèi)部溫度仍然不等溫于量具的現(xiàn)象，此時測量的結(jié)果仍然包括熱變形誤差。

4.2 溫度修正法

溫度修正法是將測量時因熱變形而造成測量誤差的數(shù)值進(jìn)行計算，并將該計算結(jié)果補(bǔ)償?shù)浆F(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)中，以達(dá)到消除熱變形測量誤差的目的。

溫度修正法的應(yīng)用常常依賴于資深現(xiàn)場加工人員的經(jīng)驗或企業(yè)若干次加工后積累出來的數(shù)值，當(dāng)工件與量具材料相同時，這個經(jīng)驗或積累的數(shù)值很有效，當(dāng)工件與量具材料不相同時，人們的經(jīng)驗和積累的數(shù)值其效果就很有限了。

溫度修正法依托越來越具有強(qiáng)大功能的手持式數(shù)據(jù)處理設(shè)備，伴隨著對熱變形測量誤差的細(xì)致分析，它將逐漸成為大型工件熱變形測量誤差的主要解決方案。溫度修正法數(shù)據(jù)處理器是一種手持式設(shè)備，它將量具和工件在實際環(huán)境下測到的數(shù)值，通過數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)庫分別將兩者的溫度變化值進(jìn)行計算，從而得到相對變形量△L，△L就是熱變形測量誤差。

在國外，低膨脹系數(shù)碳纖維量具在現(xiàn)場檢測大型工件中，已被廣泛使用。它不僅采用了溫度修正法原理，還利用碳纖維復(fù)合材料的特點，解決了大型量具的整體強(qiáng)度及操作的便捷性，提高了量具的測量精度。

5 結(jié)論

隨著加工工件的尺寸不斷擴(kuò)大和生產(chǎn)企業(yè)成本控制的日益嚴(yán)格，采用等溫變形法的測量方式將越來越不能滿足客戶對質(zhì)量的要求，同時也不能滿足生產(chǎn)企業(yè)對成本的苛求，所以溫度修正法將逐漸成為大型工件熱變形測量誤差的主要解決方案。

（1）采用溫度修正法原理，會大幅提高現(xiàn)場檢測的精度，減少或消除熱變形對測量準(zhǔn)確性的影響。可以在機(jī)床上進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢測，不需要將工件從機(jī)床上拆卸后送往測量場地進(jìn)行檢驗，避免了若檢驗不合格后、工件進(jìn)行二次加工時重復(fù)定位的風(fēng)險，降低了返修的難度。

（2）采用了溫度修正法原理，產(chǎn)品進(jìn)行在線檢測時不需要再進(jìn)行量具與工件等溫的操作過程，可以快速測量產(chǎn)品尺寸，消除了機(jī)床因等待量具與工件等溫過程所消耗的時間，提高了機(jī)床利用率。

另外，可以放寬車間精密加工時對恒溫程度的苛刻要求，減少恒溫車間空調(diào)系統(tǒng)所消耗的能源，并減少新廠房投資時恒溫系統(tǒng)的投資費用。