鈦合金精密鑄件基準傳遞形式應用綜述

劉俊，劉泗溢，杜海軍，張玉凱，王本志

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發北京航空材料研究院鑄鈦中心，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術研究中心，北京 100095）

精密鈦合金鑄造其鑄件結構復雜，尺寸精度要求高，一般尺寸公差等級要滿足CT4-7。鑄件在實際工況使用時，鑄造尺寸如何傳承鑄件最初的尺寸狀態，需要精鑄件明確鑄件基準，并以準確的基準傳遞形式在制造、檢驗、機加過程中合理應用。基準主要以鑄件劃線、基準目標、一面多孔/銷的形式存在。目前，國內鑄件在基準傳遞上多以鑄件劃線、鑄造特征的基準形式存在，這種傳遞方式具有簡單、快速的特點，但是基準要素因其形狀誤差較大，后續追溯性差，具有一定局限性。國外目前基準傳遞多采用六點定位、一面兩孔的形式存在，這種基準傳遞方式明確、重復性好、具有追溯性，但其對基準要素精度要求高，會增加生產成本。文中對以不同基準形式確定的鑄件坐標系原理在使用時的優缺點進行評述，以期對鈦合金精鑄件在設計和后續加工基準的應用上有所裨益[1—7]。

1 基準的表現形式

基準是為了限制公差帶的自由度，限制產品的坐標系，是零件加工、鑄造中不可缺少的一部分。基準的符號通常會在圖紙上表示為圖1所示的形式。

圖1 基準特征Fig.1 Datum features

圖 1a所示符號可以直接標注到零件的基準特征上，基準特征可以是平面、曲面、圓柱、孔、錐、槽等；圖1b所示符號是基準目標，是對支撐部位的定義，符號的下半部分是基準的標識名稱，上半部分代表了基準與零件的接觸面積的大小，此例中其支撐面積為Φ5 mm的區域，如圖1b所示。如果上半部分為空，則表明基準支撐位點或是線接觸。

圖2a所示是使用點接觸的圖樣表示方法，圖2b所示是使用基準位置支撐面積的圖樣表示方法[8—19]。

圖2 基準圖樣Fig.2 Datum pattern

2 鑄件劃線基準

鑄件劃線是鑄造及機械加工的一道重要工序。根據圖樣和技術要求，在鑄造毛坯用劃線工具劃出作為基準點、線的過程，因此鑄件的劃線生成的基準是基準的特殊表現形式。然而，對于劃線的基準要求是線條清晰均勻，定型、定位尺寸準確。由于劃線的線條有一定寬度，一般在零件或鑄件表面上劃線，線寬精度范圍可以達到0.18～0.22 mm。在后續的加工中，通過找正基準線、點來確定鑄件的坐標系進行加工，而通常情況下，加工的精度不能完全由劃線確定，而是在加工過程中由測量來保證。由于劃線生成基準是看得到卻觸摸不到的基準形式，在鑄件加工后劃線基準也會隨之消失，而在加工過程中不確定因素較多，會因線寬精度、尺寸確定的局限性、人工找正工件難度大等原因，影響鑄件尺寸的傳承，若當零件加工失敗，不利于原因分析。

鑄件劃線具有以下優缺點：優點是劃線簡單快速、邊界尺寸線直觀；缺點是劃線寬度精度差，劃線確認尺寸有局限性，尺寸傳遞誤差大，加工后鑄件尺寸狀態不可逆向測量。應用典型：鑄件精度要求不高或是加工量大的鑄件[20—21]，見圖3。

圖3 某鑄件機加工余量線Fig.3 Machining allowance line of a casting

3 六點定位基準

圖4 3-2-1原點的原理Fig.4 Principle diagram of 3-2-1 origin

六點定位原理是指約束工件在空間具有 6個自由度，也稱3-2-1原理。6個自由度是指沿x,y,z三個直角坐標系軸方向的移動和繞這三個坐標軸旋轉。因此，要完全確定工件位置，就必須消除這6個自由度，通常用6個支撐點來限制工件的6個自由度，其中每個支撐點限制相應的一個自由度。如下圖 4所示，基準A1,A2,A3所形成的面控制長方體的3個自由度，即z軸方向的平移、繞x,y軸方向的旋轉。B1,B2形成的線控制了2個自由度，即沿x軸方向的平移和繞z軸的旋轉。C1形成的點即控制了沿Y軸方向的平移，詳見表1。圖4、表1中：A1,A2,A3,B1,B2,C1表示基準目標點，x,y,z：坐標軸；Tx,Ty,Tz：表示沿所對應坐標軸平移；Rx,Ry,Rz表示繞所對應坐標軸旋轉；●表示所限制的自由度。

表1 3-2-1基準自由度控制表Tab.1 Control table of 3-2-1 baseline freedom

六點定位在應用上要符合完全定位原理。六點定位對于任何形狀工件都是適用的，尤其是在中小型精密鈦合金鑄件上應用極為廣泛，在尺寸標注上通常表現為圖1a和b的形式。在基準支撐位置、大小的選擇上，通常點支撐應用于小型精鑄件且基準支撐點處結構較為穩定的鑄造表面，例如圖 5a。區域支撐應用于中小型結構復雜件的鑄造表面，如圖 5b，根據產品結構等特點，可以調整基準圓柱支撐面積和是否凸起。

圖5 基準實現形式Fig.5 Benchmark realization form

六點定位原理應用在精密鈦合金鑄件上，主要有以下優缺點：優點是基準明確、重復定位性好、便于批量加工、鑄件尺寸狀態可逆；缺點是鑄造件產品尺寸穩定性較差時，基準需要精修調整。

應用典型：中小型精密鑄件見圖6（國外航空鈦合金鑄件，其中圖6a為SNECMA公司的中型薄壁復雜曲面結構件，其中6b為GE公司的小型結構鑄件）。

圖6 國外航空鈦合金鑄件Fig.6 Foreign aviation titanium alloy castings

鑄件上的六點定位基準是鑄件的工藝基準，它承載著鑄件上所有的尺寸信息，因此在設計時基準目標的位置應該盡可能選在鑄件的非加工表面上，這樣零件尺寸和鑄件尺寸之間便有了“橋梁”。在鑄件加工時，基準目標一般情況下是定位基準，只起到定位工件的作用，很多時候是不可以承受載荷的，例如位于薄壁結構區域的基準目標[22—23]。

4 一面兩孔基準

孔槽定位在機械加工中是最普遍的定位形式，其中一面兩孔的形式最為常見。圖7就是一面兩孔（孔槽定位）的示意圖，同樣適用于3-2-1原則的原理，3個支撐面A1,A2,A3代表著第一基準面的3個定位，B1和C1聯合建立了第二基準面，B2在水平方向定義了第三基準面，這個基準框架的坐標系原點建立在主定位銷的中心位置。

圖7 一面兩孔定位示意圖Fig.7 Schematic diagram of two-hole-one-side positioning

精密鈦合金鑄件上應用一面兩孔的定位基準形式，其中基準面和基準孔鑄造工藝無法保證形狀和位置精度，因此基準需要進行精加工，因此在設計時需要對基準信息的形狀和位置尺寸提出要求，保障后續精加工時孔槽的精準定位，同時也保障了鑄造尺寸與零件尺寸的合理轉化。

鑄件上的一面兩孔的基準形式一般最終是被保留的，國內外的做法一般分為兩種，可以設計在零件使用時不干涉的鑄造結構位置，如圖 8a，也可以設計成零件狀態尺寸的一部分，如圖8b所示。

一面兩孔的定位形式具有以下優缺點：優點是基準明確，重復定位性好，便于找正，批量加工，鑄件與零件尺寸狀態可逆；缺點是基準需要精加工。

應用典型：一面兩孔的定位形式多見于中大型回轉體結構件和中大型可適用于孔槽定位加工的結構件[24—27]（圖8中圓圈處是鑄件的基準）。

5 結語

精密鈦合金鑄件多應用于航空、航天領域，而鈦合金鑄件處在產品供應鏈的上游，生產出合格高品質的鑄件對后續的加工裝配起到至關重要的作用。鑄件基準的確定是鑄件與零件尺寸傳遞的紐帶，確認好、使用好鑄件基準是產品質量的基礎。縱觀國外，像法國SNECMA、美國GE和Honeywell公司、英國Rolls-Royce和Airbus公司、比利時宇航公司等，在鑄件基準的傳遞上多以六點定位、一面兩孔的基準形式存在；國內設計院所、鑄造廠在鑄件基準的傳遞上多以劃線、鑄造特征的基準形式存在[28]。

在現代工業制造中，設計者與制造者應在設計制造初期根據鑄件的結構特點、加工工藝、工程化程度、鑄件公差標注等不同因素，選擇明確相應的基準傳遞形式，目前常用的基準傳遞形式總結如下。

1) 鑄件劃線基準的傳遞形式具有簡單快捷、邊界尺寸線直觀、成本低的優點，適用于結構簡單、精度要求不高、小批量的鑄件。

2) 六點定位基準的傳遞形式，重復定位性好、鑄件尺寸狀態追溯性強、基準明確，適用于大批量的中小型結構較復雜的精密鑄件。

3) 一面兩孔基準的傳遞形式定位精度高，重復定位性好，鑄件尺寸狀態追溯性強，適用于中大型箱體、回轉體結構鑄件。

參考文獻：

[1] 計青山, 閆獻國. 鑄件基準與零件質量成本[J]. 機械工業標準化與質量, 2003(5): 24—25.JI Qing-shan, YAN Xian-guo. Casting Benchmark and Parts Quality Cost[J]. Standardization and Quality of Mechanical Industry, 2003(5): 24—25.

[2] ISO 1101——2004, 產品幾何技術規范(GPS)[S].ISO 1101——2004, Version of Product Geometry Specification (GPS)[S].

[3] 王廷強. GD & T基礎及應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 2013.WANG Ting-qiang. Foundation And Application of GD&T[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2013.

[4] 陳澤民. 公差與配合[M]. 北京: 機械工業出版, 2014.CHEN Ze-min. Tolerance and Coordination[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 2014.

[5] 王曉慧. 尺寸設計理論及應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 2004.WANG Xiao-hui. Theory And Application of Dimension Design[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2004.

[6] 大連工學院工程畫教研室. 機械制圖[M]. 北京: 人民教育出版社.Engineering Drawing Teaching and Research Office of Dalian Institute of Technology. Mechanical Drawing[M].Beijing: People Education Publishing Press.

[7] 王喜力. 談談基準和基準體系[J]. 航空標準化與質量,1981(3): 29—38.WANG Xi-li. Talk About Benchmarks and Benchmarking Systems[J]. Aviation Standardization And Quality,1981(3): 29—38.

[8] 渠濤. 鑄件結構設計中基準優化[J]. 鑄造技術, 2015,29(10): 274—275.QU Tao. Base optimization in casting structure design[J].Foundry Technology, 2015, 29(10): 274—275.

[9] 趙淑麗, 云霄. 基準的選擇在幾何量測量中的重要用作[J]. 汽車工藝與材料, 2005(6): 39—41.ZHAO Shu-li, YUN Xiao. The Base Selection is Important in the Measurement of Geometry[J]. Automobile Technology and Materials, 2005(6): 39—41.

[10] 龔江帆. 基于產品幾何技術規范的三維公差設計[D].南京: 南京航空航天大學, 2015.GONG Jiang-fan. 3-D Tolerance Design Based on the Dimensional and Geometrical Product Specification and Verification[N]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015.

[11] 李向前. 基于新一代 GPS的形狀公差規范設計方法研究[D]. 桂林: 桂林電子科技大學, 2010.LI Xiang-qian. Research on the Design Method of the Shape Tolerance of the New Generation GPS[D]. Guilin:Guilin University of Electronic Science and Technology,2010.

[12] 匡兵, 黃美發, 鐘艷如. 尺寸公差和形位公差混合優化分配[J]. 計算機集成制造系統, 2008, 14(2): 398—402.KUANG Bing, HUANG Mei-fa, ZHONG Yan-ru. The Distribution of Tolerance of Dimension Tolerance and Form Bit Tolerance[J]. Computer Integrated Manufacturing System, 2008, 14(2): 398—402.

[13] 楊將新, 徐旭松, 曹衍龍, 等. 基于裝配定位約束的功能公差規范設計[N]. 機械工程學報, 2010, 46(2): 1—8.YANG Jiang-xin, XU Xu-song, CAO Yan-long, etc. Design of Functional Tolerance Specification Based on Assembly Positioning Constraint[N]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(2): 1—8.

[14] 黃浩雄. 淺探零件圖中尺寸標注的“合理性”[J]. 新課程學習, 2011(11): 8—10.HUANG Hao-xiong. The "rationality" of Dimensioning in the Part Drawing of the Part of Shallow Exploration [J].New Course Study, 2011(11): 8—10.

[15] 渠濤, 汪洋, 柳洋. 鑄件結構設計中基準選擇探討[J].鑄造技術, 2016, 37(5): 1066-1068.QU Tao, WANG Yang, LIU Yang. Discussion on Selection Batum in Casting Design[J]. Foundry Technology,2016, 37(5): 1066—1068.

[16] 王曉慧. 論鑄件尺寸設計原則[J]. 鑄造, 2001, 50(5):278—291.WANG Xiao-hui. On The Principle of Marking Castings Dimensions[J]. Casting, 2001, 50(5): 278—291.

[17] 趙清華. 定位基準理想位置的選取[J]. 農業機械化與電氣化, 2005(2): 16.ZHAO Qing-hua. Selection of Positioning Base Ideal Location [J]. Agricultural Mechanization and Electrification,2005(2): 16.

[18] 卞亞峰, 王曉慧, 許小龍. 淺析鑄件毛坯尺寸標注基準的合理選擇[J]. 機械制造, 2013, 51(582): 65—67.BIAN Ya-feng, WANG Xiao-hui, XU Xiao-long. Reasonable Selection of the Benchmark for the Size Marking of Casting Blank[J]. Mechanical Manufacturing, 2013,51(582): 65—67.

[19] 趙文霞. 淺談機械設計與制造中的基準選擇與應用[J].職業, 2016, 1(3): 140—141.ZHAO Wen-xia. Discussion on Benchmark Selection And Application in Mechanical Design And Manufacturing[J]. Occupation, 2016, 1(3): 140—141.

[20] 王建英. 復雜鑄件的劃線基準選擇及方法[J]. 金屬加工, 2017(15): 56—57.WANG Jian-ying. Selection And Method of Marking of Complex Castings[J]. Metal Processing, 2017(15):56—57.

[21] 牛健. 毛坯尺寸基準的理論與應用研究[D]. 太原: 太原科技大學, 2011.NIU Jian. Theoretical and Applied Research on the Standard of Blank Size[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Science and Technology, 2011.

[22] 郭萬川, 梅碧舟. 六點定位原理及其應用[J]. 機械,2007, 34(3): 49—52.GUO Wan-chuan, MEI Bi-zhou. The Principle of Six Point Positioning and Its Application[J]. Machinery, 2007,34(3): 49—52.

[23] 董鋒. 關于完善六點定位理論的研究[J]. 山東工程學院學報, 1995, 62(9): 64—66.DONG Feng. A Stduy on Improving Principle of Six-points Fixing[J]. Journal of Shandong Institute of Engineering, 1995, 62(9): 64—66.

[24] 孫千里, 沈鑫剛. "一面兩孔"定位銷實用設計方法與結構[J]. 機械科學與技術, 2010, 29(12): 1703—1705.SUN Qian-li. SHEN Xin-gang. Practical Design Method And Structure of "one Side and Two Holes"[J]. Mechanical Science and Technology, 2010, 29(12): 1703—1705.

[25] 余亮. 一面兩孔定位的裝配公差分析方法[N]. 杭州:杭州電子科技大學, 2016.YU Liang. The Assembly Tolerancy Analysis Method of the Part Location with One Surface and Two Pins[N].Hangzhou: Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University, 2016.

[26] 張俊俊, 王基生. 一面兩孔定位精度的概率設計[J]. 西南工學院學報, 1996(3): 46—49.ZHANG Jun-jun, WANG Ji-sheng. Probability Design of Two-hole Positioning Accuracy[J]. Journal of Southwest Institute of Technology, 1996(3): 46—49.

[27] 司堯華, 劉鵬. 機械設計圖樣中回轉體類零件基準的選擇[J]. 機床與液壓, 2004(8): 159—160.SI Yao-hua , LIU Peng. The Selection of the Base of the Rotary Body Parts in the Mechanical Design Pattern[J].Machine tool and Hydraulic Pressure, 2004(8): 159—160.

[28] 孫念明, 孫井泉. 框架式鈦合金鑄件加工技術探析[J].中國市場, 2017(9): 177—178.SUN Nian-ming, SUN Jing-quan. Analysis on the Processing Technology of Frame Titanium Alloy Casting[J].China Market, 2017(9): 177—178.