測量力對高精度薄壁零件測量不確定度影響研究

吳 瑕， 李 開

（中國航空工業集團公司 北京長城計量測試技術研究所， 北京100095）

0 引言

隨著科技的進步， 市場對產品質量的關注度越來越高，產品質量的好壞成為企業的核心競爭力。 因此，質檢人員在產品測量的過程中需要不斷減少測量誤差， 提高測量精度，避免因為測量問題而造成的經濟損失。本文將對高精度薄壁零件的外徑檢測進行測量方法研究， 通過選擇合適的量具和方法提高測量精度和測量效率， 本測量方法操作簡單具有普遍性，適合在加工車間工人使用。

1 研究對象及意義

現代制造業的發展， 對機械加工零件的性能指標的各項要求不斷提升， 同時對薄壁件的需求和精度要求也越來越高。 特別是鋁合金、鈦合金等材料的薄壁件，因其具有強度高、質量輕的特點，而在航空航天領域中的應用件越來越多[1]。 同時由于薄壁零件的弱剛性、易變性等特點，導致薄壁零件的加工精度一直是一個難題[2]。只有測量準確才能正確的指導產品的加工，發現加工工藝、方法、夾具的不足，及時進行修正，正確的指導生產，保證加工出合格的產品。 但由于薄壁件的結構特性，在測量時極易發生變形，導致測量方法有限，因此通常采用在工件加工完成后進行非接觸測量、三坐標測量、或在工件加工時使用在線測量系統檢測。 但每種方法都有其各自的局限性：

（1）設備成本高：非接觸式的設備、三坐標及在線檢測設備的價格較高，部分廠家難以進行采購。

（2）測量效率低：加工人員本人無法在車間中完成測量，必須拿到檢驗室由檢驗員測量。 而且薄壁零件本身加工過程就極易發生變形， 需反復測量確認加工方式是否合理，導致測量效率過低。

（3）難以批量測量：難以解決批量產品的測量問題，薄壁零件測量時會出現裝夾變形問題， 因此對夾具和裝夾方式要求嚴格，測量時間太長。

（4）難以保證測量精度：由于薄壁零件的弱剛性和易變形特點， 會有其加工完成后在工裝夾具中可以滿足精度要求，但當從夾具中取出時會產生變形的現象。 而使用在線檢測不能測量出薄壁零件的真實狀態。

因此對高精度薄壁零件測量方法開展研究非常必要，使用傳統測量器具，并通過配合夾具來滿足大批量的現場檢測，成為很多加工車間需要解決的問題。

2 薄壁零件的特性

通常情況下，將直徑與壁厚比例大于25∶1 的零件稱為薄壁零件， 由于薄壁零件的弱剛性使得在加工過程中薄壁零件極易發生變形[3]。 影響其加工精度的因素見圖1。雖然為減少薄壁零件加工時產生的變形，在其加工時通常會使用特制工裝進行裝夾，但仍然無法完全消除零件彈性形變對零件尺寸產生的影響。工藝人員和操作者需要根據檢驗人員提供的數據，來確定工裝、加工工藝、裝夾方式以及熱處理、應力釋放的合理性。因此，檢驗人員能否及時、有效的提供真實的數據，能夠反映產品的真實狀態，來指導生產，確定加工方法，在薄壁件加工過程中尤為重要。因此有必要對高精度薄壁零件的測量方法進行研究[4]。

圖1 影響薄壁零件加工精度的主要因素

3 薄壁零件測量的注意事項

由于薄壁零件的結構特性， 在其測量過程中影響測量結果準確性的因素很多，主要有量具測量力精度、環境溫度和操作者操作技能對其影響尤為重要，見圖2。 稍不注意，就會在測量過程中因為操作者的失誤造成產品測量過程中變形，導致測量結果不準確。因此，在進行薄壁件測量時， 一定要盡量消除這些影響產生的測量不確定度， 保證產品測量數據準確，能夠測量出薄壁件的真實狀態和實際形貌， 避免因測量數據不準確而導致產品批量報廢。

圖2 影響薄壁零件測量準確性的主要要素

3.1 溫度變化對零件測量結果的影響及注意事項

熱膨脹特性是物體的基本屬性， 金屬材料線膨脹系數簡稱為線膨脹系數，線膨脹系數α 的計算公式為：

在機械檢測中標準溫度為20℃，也就是t1=20℃，t2為測量時環境溫度。

從線膨脹系數公式可以看出當溫度發生變化時，由于材料的熱膨脹性，會導致測量誤差的產生，且測量溫度與標準溫度差別越大，測量誤差越大。現以常用的三種材料（鋁、1Cr18Ni9Ti、鉻鋼）比較2 種溫差下（△=5℃、△=10℃），尺寸25～300mm 范圍時，實際尺寸測量誤差，來分析溫度變化對不同金屬材料線膨脹性能的影響程度。

根據（1）式得出：測量誤差ΔL=α·L1·（t2-t1）

依據《機械材料手冊》鋁的熱膨脹系數α=23.03×10-6K-1、1Cr18Ni9Ti 的膨脹系數α=16×10-6K-1

鉻鋼的膨脹系數α=11.2×10-6K-1

通過計算可得出2 種溫差下尺寸的變化量見表1，表2。

表1 △=5℃尺寸測量誤差

表2 溫差10℃時尺寸測量誤差

從表中可以看出， 零件的尺寸會隨著溫度的變化而變化，而且零件越大，尺寸變化量越大，且不同材料其尺寸變化量也是不一樣的， 鋁材料和鈦合金會比一般鉻鋼的膨脹系數更大，因此受溫度的影響也會更大。而現代制造業中的薄壁零件通常使用的就是鋁合金和鈦合金等材料，這就要求我們在測試高精度的零件時，應該在盡量接近20℃環境溫度下測量。 當外部環境與20℃差距較大時，如果零件在外界環境下暴露時間較長，在測量時就要注意，不能零件一到測量現場就開始檢查，而是要將零件放置一定時間，等零件溫度接近20℃測量環境溫度時，再開始測量。 同時，對于剛加工完成的零件，為了避免溫度變化帶來的測量不確定度，保證測量數據的準確性，同樣也不能立刻測量尺寸，而是要放置一段時間。

同時， 在實際操作過程中還需要考慮量具本身的熱膨脹系數。因此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）需盡快完成測試過程，避免長時間手持量具導致量具溫度升高，產生測量誤差。

（2）使用千分尺時，必須握住絕熱墊，降低溫度傳遞速度。

（3）測試時可佩戴隔熱手套，減少溫度傳遞。

（4）當發現手熱量已傳遞到量具上時，應將量具放置一定時間再使用。

（5）通常是在使用量具1min 后需要對量具重新進行校驗。

3.2 測量力對薄壁零件測量的影響及注意事項

薄壁零件剛性不足在測量力作用下會產生變形彎曲，彎曲變形量主要受到測量力大小的影響，根據材料力學的知識，工件在測量力作用下產生的彎曲量為

式中：F—測量力；E—工件彈性模量；I—工件截面慣性矩。

從上式可以看出， 測量力對測量數據會有一定的影響，測量力越大，工件的彎曲量越大，測量力越小零件的彎曲量越小。對于一個固定的工件來說，其他參數都是一定的，測量者只能選擇測量力最小的測量方法，以保證測量結果的準確度。 而薄壁零件在進行接觸測量時更需要注意，避免發生較大的彈性變形，進而引起測量誤差。

4 千分表測量薄壁零件外徑

因為千分表測量力比較小， 因此對于大批量的薄壁零件， 在條件允許的條件下可以選擇千分表和與被測尺寸相差不超過1mm 的基準量塊同時使用，采用比較測量法測量零件外徑。在這種測量方法中。基準量塊需要盡可能的和被測尺寸一致。

從上文可以看出測量力對測量數據直接影響。 而不同的測量工具，測量力不同，通過試驗可知，千分尺、卡尺、千分表的測量力范圍見表3。

表3 不同量具測量力表

為驗證各種量具測量薄壁件的準確度， 選用5 種不同規格的薄壁零件進行測量，零件材料為1Cr18Ni9Ti，具體測量結果見表4。

表4 不同量具測量結果

從上表中可以看出，千分尺、千分表、游標卡尺在測量同一薄壁件外徑時和三坐標測量結果的對比情況。

（1）當直徑壁厚比為215∶1 時千分表、千分尺、游標卡尺的測量數據和三坐標相比都有很大的差距。 使用直接測量的方法都不再適用。

（2）當直徑壁厚比在154∶1～37∶1 范圍內時，千分表測量明顯比千分尺和游標卡尺的測量誤差小， 而且壁厚直徑比越大，這種優勢越明顯。

以上是采用直接絕對測量法測量工件， 為了減小零件的變形引起的測量誤差，還可以選用對比測量法，即先加工一件工件，利用三坐標測量，給出實際尺寸，再使用千分表以此工件作為基準，對比測量，在這種情況下，雖然測量時存在變形，但由于千分表測量力穩定，且工件參數基本一致，因此兩次讀數核驗相互補償，故對測量結果影響不大。 在實際加工過程中可以使用此方法進行過程測量，以提高加工效率，縮短測量時間。

從對比結果中可以看出， 在測量薄壁零件外徑時使用千分表比千分尺和游標卡尺測量誤差小。 這是由于首先千分表測量力穩定，人為影響因素小，更適合批量薄壁零件的檢驗。 其次千分表本身的測量力小，在測量薄壁零件時引起的產品變形也是最小的，因此在批量測量薄壁件時，使用千分表測量是相對來說效率高，準確性好的一種方法。 但是采用千分表測量薄壁零件外徑還是有很大的局限性， 即千分表只能測量零件的最大外徑，無法測量零件內徑。

5 結束語

在測量薄壁零件的直徑尺寸時，一定要綜合考慮，選擇適當的測試方法和手段，在提高測量效率的基礎上保證測量數據的真實性和可靠性，避免檢測方法不對而帶來的測量誤差。