復合材料型面檢測樣板的設計及應用

陳海濤

（中國工程物理研究院，四川 綿陽 621900）

0 引 言

復合材料具有線膨脹系數大、在空氣中易潮解等特性。基于材料的理化特性，零部件必須在特殊加工環境下、采用特定加工工藝進行加工和測量，這給零部件尺寸和型面精度控制帶來一定的困難，復合材料零部件加工尺寸公差測量采用專用量具檢測。而零件表面輪廓測量由兩種測量方法：一種是采用三坐標測量機檢測零件型面輪廓精度；另一種則是采用檢驗樣板檢測。由于復合材料表面極易吸水潮解，零件新加工表面應盡量避免暴露在大氣環境中，而目前通用的三坐標測量機檢測零件型面輪廓精度的方法難以滿足檢測環境要求。加工零件的表面輪廓數據是進行零件裝配的重要依據，而零件型面輪廓檢測又是零件檢測中不可或缺的一項檢測內容。因此，復合材料零件在低氧、低濕環境下的特殊檢測條件，決定了檢驗樣板檢測零件型面輪廓是最佳的檢測方法。本文以某型號零部件復合型面的檢測需求為例，對圓柱體內樣板的設計、測量方法及應用進行詳細的闡述。

1 零部件結構特點

被測零部件加工零部件圖如圖2[1]所示。

2 型面輪廓檢測方法

目前零件表面輪廓檢測手段有兩種：一種是采用三坐標測量機檢測零件型面輪廓精度；另一種則是采用檢驗樣板等檢具進行檢測。

圖1 被測零部件復合型面結構圖

圖2 被測零部件加工零部件圖（單位：mm）

三坐標測量機檢測零件型面輪廓測量精度高，結合柔性夾具可以對幾乎所有的零件總成進行檢測，柔性非常好。但在檢測成本、測量便利性、特殊環境的適應性等方面不及檢驗樣板有優勢。在特殊環境條件下（如密閉的小室），對關鍵產品零部件型面輪廓在線檢測并快速判斷型面輪廓質量時，只能采用檢驗樣板完成檢測過程。

用樣板檢測型面誤差，可以彌補三坐標測量儀使用的局限性，廣泛應用在特種材料的型面檢測上，能更好地確保產品的質量。雖不能像三坐標值量化于點上，但能通過樣板與工件間尺寸的公差帶值量化在一定范圍，以判斷型面的符合性，它主要是通過樣板和塞尺進行檢測。但由于復合材料的理化特性，必須在恒溫恒濕的密閉小室中進行檢測。由于小室操作空間狹窄，增加了檢測難度。檢測過程中，由于雙層防護用具，手感較差，視線不準，同時通過窺視窗，甚至還要多人配合，才能完成檢測。

因此，圖1所示工件特材工件只能采用圓柱體內樣板對復合型面進行在線檢測。其檢測方法是用圓柱體內樣板的基面靠零部件復合型面（如球面、錐面）來檢查成形表面正確與否，相當于將樣板作為一條母線，在判斷回轉體是否合格。

3 圓柱體內樣板設計

圖3 圓柱體內樣板的加工裝配圖（單位：mm）

圓柱體內樣板由圓柱頭內樣板體、圓柱頭內樣板定位塊、內六角圓柱頭螺釘及圓柱銷等組成。其中圓柱頭內樣板體和圓柱頭內樣板定位塊的材料為35鋼，內六角圓柱頭螺釘及圓柱銷為標準件。該圓柱體內樣板屬于小型檢具，采用板式結構，板厚6mm，操作靈活，鎖緊穩定可靠，不與其他構件發生干涉。圓柱體內樣板的組成結構如圖4所示。

圖4 圓柱體內樣板的組成結構圖

圓柱體內樣板委托成都量具刃具廠加工制作，其制造精度滿足基準面平面度為0.015mm、形狀樣板在±0.015mm以內的檢具制造精度要求，該檢具采用定位擋塊進行有效定位。

4 間隙計算

4.1 型面測量間隙計算

在使用樣板前，應計算出需檢測球型面與樣板之間的極限間隙及公差帶[1]，以便檢測時判斷該被測球面相對于該型面樣板的符合性。

該間隙為：

公差帶示意圖如圖5所示。

圖5 公差帶示意圖（單位：mm）

4.2 樣板與工件口部間隙計算

因其為直徑上的間隙，故取該值的1/2為單邊間隙，為0.02～0.035mm。檢測過程中，通常采用工件外徑實測值與樣板尺寸計算間隙，以準確快速墊入塞尺進行檢測[4]。

5 圓柱體內樣板的檢驗過程

采用圓柱體內樣板檢測復合材料復合型面的詳細步驟如下：

1）準備工作。將工件及檢測樣板、測量平板、塞尺放入小室，在（20±3）℃溫度范圍內，相對濕度≤15%的環境靜置一段時間，待工件溫度平衡后方可實施檢驗[3]。

2）選擇基準。選擇測量基準，在工序間檢驗時，測量基面應于工藝基面一致[5]，本工件加工時工藝基準和樣板檢測時基面均為工件圓柱φ220 mm的底面，輕輕在工件上放置樣板。此時應注意小心輕放，以免樣板刃口碰傷工件尖角、棱邊或劃傷型面表面。

3）型面檢測。根據工件φ220mm外圓實測值與樣板口部尺寸間隙，墊入適當厚度的塞尺，輕輕移動樣板，找到樣板過心位置，樣板作用在工件軸截面上且過球心，塞尺墊入的厚度與工件間的松緊近似于使用外徑千分尺測量外圓時的測量力大小，當感到樣板緊張程度最大，同時利用光隙法[6]，看樣板于工件間光隙最小時為佳，保持工件與樣板位置不變，然后選擇塞尺塞入工件與樣板間隙，全程滑動塞尺，當墊入的塞尺厚度剛好在全程滑過，視其通過厚度為最小間隙，然后再選擇較厚的塞尺塞入間隙的局部點，以能塞入的最大厚度為最大間隙。

4）檢測判定。通過多年工作經驗，最大間隙的點大部分都在口部、底部和45°左右的位置。但其最小間隙和最大間隙應包含在間隙計算中得到數值[7]。如本工件計算得到的間隙為0.02～0.09mm，實測中得到間隙為0.04～0.07mm，可判定型面合格[2]。如果實測值最小間隙＜0.02mm或最大間隙＞0.09mm，則判定型面不合格[2]。最后，取出塞尺，同樣小心拿出樣板，記錄實測值。為保證檢測的準確性，應選擇在多個軸截面上檢測，綜合檢測多個軸截面值之后，取最大值和最小值[8]。

6 結束語

1）由于復合材料的特殊理化特性，增加了型面檢測難度。通過設計的圓柱體內樣板有效地檢測了復合材料型面加工的符合性，彌補了三坐標檢測存在的缺陷。

2）圓柱體內樣板檢驗的成功應用，完善了復合材料型面檢測的手段。同時該圓柱體內樣板設計輕巧，攜帶方便，非常適合在線檢測或實驗室計量檢測使用。

3）目前用圓柱體內樣板檢測的某型號復合材料零部件已成功投入使用。

[1] 何兆風.公差配合與測量[M].北京：機械工業出版，2006：12-15.

[2] 黃云清.公差配合與測量技術[M].北京：機械工業出版社，2005：27-32.

[3] 簡明檢驗工手冊編委會.簡明檢驗工手冊[M].北京：機械工業出版社，2005：59-64.

[4] 雒運強.實用機械加工測量技巧450例[M].北京：化學工業出版社，2008：21-29.

[5] 機械加工實用手冊[M].合肥：安徽科學技術出版社，2008：25-27.

[6] 朱奇志.機床夾具零件及部件生產圖冊[M].北京：機械工業出版社出版，1990：72-77.

[7] 于英江.機械制造常用計算大全[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社出版，1992：132-133.

[8] 于馨芝，王寧，聞濟世.機械設計、制造工藝、質量檢測與標準規范[M].北京：機械工業出版社，2004：43-47.