機械零件檢測技術要點

付云飛

（昆明船舶設備研究試驗中心，昆明 650051）

隨著現代科技的發展，人們對機械制造和加工精度的要求越來越高。但是因為機械零件在制造和加工中，容易受溫度變化影響，導致其配合精度和位置精度降低[1]。由于熱變形誤差影響巨大，現在已成為人們研究的重點。經過多年技術發展，目前機械精度有了很大提高，但是測量精度并沒有跟上機械精度技術的發展[2]。所以，伴隨著人們對機械零件的要求越來越高，檢測技術提升與發展勢在必行。

1 機械零件溫度影響基礎理論

1.1 熱膨脹理論

所謂“熱膨脹”是指在溫度改變條件下，物體出現膨脹的現象，一般情況下是指外界壓強恒定的狀態下，物質體積隨著溫度的升高而變大的現象。其中原子的熱震動是造成熱膨脹的主要原因，當原子發生熱震動現象時，如果原子之間平衡位置與相互作用力關系呈線性關系，那么表明平衡位置兩側位移距離相等、受力相等，溫度變化對原子振動振幅產生了影響，且對原子距離沒有影響，原子的中心位置應該保持不變[3]。但很明顯，在這種情況下，振動導致零件出現熱膨脹現象，這就表明了原子的位移與原子間作用力不是呈線性關系的。

用準諧振近似理論對零件的熱膨脹現象進行解釋，即原子能夠按照一定的幾何形狀結合成穩定晶體，因為原子之間的這種結合力并不是簡單的相互吸引或者相互排斥，而是兩者兼有。因此在實際的機械零件中，材料中的斥力勢能、引力勢能、平衡參數等常數會隨著材料結構、晶體結構、組成晶體的元素的改變而改變。除此之外，為了能夠更加準確地了解熱膨脹現象，還需要對材料各項參數進行分析研究。

1.2 熱彈性理論

在進行機械材料研究時，研究者常常把應力的產生歸結到外力的作用，但是外力并不是應力產生的唯一因素，溫度也是應力產生的一大因素。而上面提到的熱膨脹現象只是對溫度變化進行考慮，并沒有將其他條件考慮在內。當組成零件的材料不同時，將會抑制材料的自由膨脹[4]。對于不同材料組成的零件，相鄰部分會由于溫度分布差異造成應力，即使是零件材料相同，內部的溫度場也并不相同，各部分的膨脹程度也會有很大差異。

一般來說，造成熱應力的有外部、內部和相互三種變形約束。所以，熱應力分析要同時考慮材料的性質與溫度關系以及熱力學相關知識。大部分情況下，需要對熱與力之間的作用進行綜合研究，這類問題綜合起來就是非耦合熱彈性問題，一般能夠通過熱傳導方程進行推導。

2 基于溫度影響的機械零件檢測技術要點分析

2.1 檢測技術分類

2.1.1 無損檢測技術

目前無損傷檢測技術是機械零件檢測中應用較多的一種方法，通過合理應用無損檢測技術，能夠很好地實現機械零件缺陷檢測目標，該方法在機械零件檢測中發揮著重要作用。

與其他檢測技術不同，無損檢測技術不僅能夠有效控制機械零件的質量，還可以有效防止機械零件在檢測過程中發生損壞，有效地提升了檢測安全性，保證了機械零件的完整性。無損傷檢測技術在機械零件維修方面發揮重要作用，成為維修工藝的主要技術。

雖然相比其他檢測技術，無損檢測技術受溫度的影響較小，但并不意味著沒有影響，在一定程度上，溫度還是會對檢測結果產生一定的影響，尤其進行在線檢測時，需要采取一定的方式消除溫度造成的檢測誤差。

2.1.2 超聲波檢測技術

除無損檢測技術外，超聲波檢測技術在機械零件檢測中應用也是非常廣泛，是非常重要的一種檢測方式。超聲波檢測技術主要是應用超聲波對機械零件進行檢測，它的主要特點是性能優良，檢測速度快，同時對零件無損害。但是超聲波檢測技術仍然存在一定的弊端，最主要的一項就是機械零件對超聲波檢測儀器性能要求過高。一般情況下，使用超聲波檢測技術進行檢測，要對探測儀器頻率進行嚴格控制，使其處于2～2.5Hz范圍內。另外晶片直徑尺寸也是需要控制的重要指標，厚度控制在28mm以上。

在實際檢測過程中，還應該特別注意的一點是超聲波檢測設備的使用環境。由于超聲波檢測設備本身精密度較高，所以在檢測過程中，要保持檢測設備的運行環境穩定，從而使最終檢測結果精準、可信。在所有影響檢測結果的因素中，溫度影響是最為關鍵的一項，也是本文研究的重點。

2.2 提高檢測精度的熱誤差補償技術

2.2.1 熱誤差補償技術介紹

國內外大部分專家將溫度補償技術分為隔離熱源、降低熱源影響和溫度誤差數學模型三種，其中隔離熱源的方法需要建立恒溫室，成本較高，而且不適合應用于在線檢測的情況。

溫度誤差的數學模型通過溫度采集點的設置，根據測頭測量的數據，計算出偏移量，這種方法存在的問題是外界因素對檢測結果的影響較大，許多因素都會對檢測造成影響，例如震動、氣流以及機床運行等，產生的溫度梯度將會對檢測結果造成重大影響。此外在進行熱變形計算時，數學模型要求計算量非常大，基本很難給出溫度補償的數學模型。另外，溫度的多節點采集系統和補償算法的復雜性都給測量機提出了更高的要求，不僅成本高，還無法保證測量精度，不適合在線檢測的情況。

而基于雙環法的溫度補償，在進行溫度模型建立時，可以根據誤差得到相應的偏轉量，再通過實物測量對機械零件熱變形進行誤差補償，就能成功實現機械零件的在線檢測。2.2.2 借助雙環法實現溫度誤差補償

采用雙環法進行溫度誤差補償的檢測時，首先需要建立數學模型，補償熱變形誤差。熱誤差的來源受多方面因素影響，如測量機測頭溫度變化、工件熱變形、結構熱變形等，其中最主要的誤差來源是測量機的結構熱變形。為了實現熱變形誤差的補償，需要對測量軸進行校準，并對回轉體軸線進行相對位置校準。一般來說，回轉體的測量很短，因此可以忽略其熱變形誤差，建立基本模型。對于零件造成的形位誤差，由于回轉軸線和測量架之間的熱變形對測量中心線影響不大，所以可以不對形位誤差進行補償，用最小二乘法進行擬合，然后進行中心線測量，并最終建立完整的溫度補差模型。

3 結語

綜上所述，零件檢測技術在保證機械零件精密度方面起到了重要作用，而由于溫度對檢測結果的影響，需要采取相應的熱誤差補償技術保證測量結果的精確。本文對該問題進行了詳細研究，發現溫度熱誤差補償技術能夠有效對熱變形誤差進行處理，使機械零件檢測結果的可靠性得到了保證。