測(cè)量力對(duì)高精度薄壁零件測(cè)量不確定度影響研究

吳 瑕， 李 開(kāi)

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司 北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所， 北京100095）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步， 市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注度越來(lái)越高，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。 因此，質(zhì)檢人員在產(chǎn)品測(cè)量的過(guò)程中需要不斷減少測(cè)量誤差， 提高測(cè)量精度，避免因?yàn)闇y(cè)量問(wèn)題而造成的經(jīng)濟(jì)損失。本文將對(duì)高精度薄壁零件的外徑檢測(cè)進(jìn)行測(cè)量方法研究， 通過(guò)選擇合適的量具和方法提高測(cè)量精度和測(cè)量效率， 本測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單具有普遍性，適合在加工車(chē)間工人使用。

1 研究對(duì)象及意義

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展， 對(duì)機(jī)械加工零件的性能指標(biāo)的各項(xiàng)要求不斷提升， 同時(shí)對(duì)薄壁件的需求和精度要求也越來(lái)越高。 特別是鋁合金、鈦合金等材料的薄壁件，因其具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，而在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用件越來(lái)越多[1]。 同時(shí)由于薄壁零件的弱剛性、易變性等特點(diǎn)，導(dǎo)致薄壁零件的加工精度一直是一個(gè)難題[2]。只有測(cè)量準(zhǔn)確才能正確的指導(dǎo)產(chǎn)品的加工，發(fā)現(xiàn)加工工藝、方法、夾具的不足，及時(shí)進(jìn)行修正，正確的指導(dǎo)生產(chǎn)，保證加工出合格的產(chǎn)品。 但由于薄壁件的結(jié)構(gòu)特性，在測(cè)量時(shí)極易發(fā)生變形，導(dǎo)致測(cè)量方法有限，因此通常采用在工件加工完成后進(jìn)行非接觸測(cè)量、三坐標(biāo)測(cè)量、或在工件加工時(shí)使用在線測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)。 但每種方法都有其各自的局限性：

（1）設(shè)備成本高：非接觸式的設(shè)備、三坐標(biāo)及在線檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格較高，部分廠家難以進(jìn)行采購(gòu)。

（2）測(cè)量效率低：加工人員本人無(wú)法在車(chē)間中完成測(cè)量，必須拿到檢驗(yàn)室由檢驗(yàn)員測(cè)量。 而且薄壁零件本身加工過(guò)程就極易發(fā)生變形， 需反復(fù)測(cè)量確認(rèn)加工方式是否合理，導(dǎo)致測(cè)量效率過(guò)低。

（3）難以批量測(cè)量：難以解決批量產(chǎn)品的測(cè)量問(wèn)題，薄壁零件測(cè)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)裝夾變形問(wèn)題， 因此對(duì)夾具和裝夾方式要求嚴(yán)格，測(cè)量時(shí)間太長(zhǎng)。

（4）難以保證測(cè)量精度：由于薄壁零件的弱剛性和易變形特點(diǎn)， 會(huì)有其加工完成后在工裝夾具中可以滿足精度要求，但當(dāng)從夾具中取出時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形的現(xiàn)象。 而使用在線檢測(cè)不能測(cè)量出薄壁零件的真實(shí)狀態(tài)。

因此對(duì)高精度薄壁零件測(cè)量方法開(kāi)展研究非常必要，使用傳統(tǒng)測(cè)量器具，并通過(guò)配合夾具來(lái)滿足大批量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，成為很多加工車(chē)間需要解決的問(wèn)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(guò)程中薄壁零件極易發(fā)生變形[3]。 影響其加工精度的因素見(jiàn)圖1。雖然為減少薄壁零件加工時(shí)產(chǎn)生的變形，在其加工時(shí)通常會(huì)使用特制工裝進(jìn)行裝夾，但仍然無(wú)法完全消除零件彈性形變對(duì)零件尺寸產(chǎn)生的影響。工藝人員和操作者需要根據(jù)檢驗(yàn)人員提供的數(shù)據(jù)，來(lái)確定工裝、加工工藝、裝夾方式以及熱處理、應(yīng)力釋放的合理性。因此，檢驗(yàn)人員能否及時(shí)、有效的提供真實(shí)的數(shù)據(jù)，能夠反映產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)，來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，確定加工方法，在薄壁件加工過(guò)程中尤為重要。因此有必要對(duì)高精度薄壁零件的測(cè)量方法進(jìn)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(cè)量的注意事項(xiàng)

由于薄壁零件的結(jié)構(gòu)特性， 在其測(cè)量過(guò)程中影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素很多，主要有量具測(cè)量力精度、環(huán)境溫度和操作者操作技能對(duì)其影響尤為重要，見(jiàn)圖2。 稍不注意，就會(huì)在測(cè)量過(guò)程中因?yàn)椴僮髡叩氖д`造成產(chǎn)品測(cè)量過(guò)程中變形，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，在進(jìn)行薄壁件測(cè)量時(shí)， 一定要盡量消除這些影響產(chǎn)生的測(cè)量不確定度， 保證產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠測(cè)量出薄壁件的真實(shí)狀態(tài)和實(shí)際形貌， 避免因測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確而導(dǎo)致產(chǎn)品批量報(bào)廢。

圖2 影響薄壁零件測(cè)量準(zhǔn)確性的主要要素

3.1 溫度變化對(duì)零件測(cè)量結(jié)果的影響及注意事項(xiàng)

熱膨脹特性是物體的基本屬性， 金屬材料線膨脹系數(shù)簡(jiǎn)稱為線膨脹系數(shù)，線膨脹系數(shù)α 的計(jì)算公式為：

在機(jī)械檢測(cè)中標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃，也就是t1=20℃，t2為測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度。

從線膨脹系數(shù)公式可以看出當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于材料的熱膨脹性，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的產(chǎn)生，且測(cè)量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度差別越大，測(cè)量誤差越大?，F(xiàn)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(shí)，實(shí)際尺寸測(cè)量誤差，來(lái)分析溫度變化對(duì)不同金屬材料線膨脹性能的影響程度。

根據(jù)（1）式得出：測(cè)量誤差ΔL=α·L1·（t2-t1）

依據(jù)《機(jī)械材料手冊(cè)》鋁的熱膨脹系數(shù)α=23.03×10-6K-1、1Cr18Ni9Ti 的膨脹系數(shù)α=16×10-6K-1

鉻鋼的膨脹系數(shù)α=11.2×10-6K-1

通過(guò)計(jì)算可得出2 種溫差下尺寸的變化量見(jiàn)表1，表2。

表1 △=5℃尺寸測(cè)量誤差

表2 溫差10℃時(shí)尺寸測(cè)量誤差

從表中可以看出， 零件的尺寸會(huì)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(huì)比一般鉻鋼的膨脹系數(shù)更大，因此受溫度的影響也會(huì)更大。而現(xiàn)代制造業(yè)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?cè)跍y(cè)試高精度的零件時(shí)，應(yīng)該在盡量接近20℃環(huán)境溫度下測(cè)量。 當(dāng)外部環(huán)境與20℃差距較大時(shí)，如果零件在外界環(huán)境下暴露時(shí)間較長(zhǎng)，在測(cè)量時(shí)就要注意，不能零件一到測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就開(kāi)始檢查，而是要將零件放置一定時(shí)間，等零件溫度接近20℃測(cè)量環(huán)境溫度時(shí)，再開(kāi)始測(cè)量。 同時(shí)，對(duì)于剛加工完成的零件，為了避免溫度變化帶來(lái)的測(cè)量不確定度，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同樣也不能立刻測(cè)量尺寸，而是要放置一段時(shí)間。

同時(shí)， 在實(shí)際操作過(guò)程中還需要考慮量具本身的熱膨脹系數(shù)。因此為了避免操作時(shí)人的體溫對(duì)量具的影響，還要采取如下措施。

（1）需盡快完成測(cè)試過(guò)程，避免長(zhǎng)時(shí)間手持量具導(dǎo)致量具溫度升高，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

（2）使用千分尺時(shí)，必須握住絕熱墊，降低溫度傳遞速度。

（3）測(cè)試時(shí)可佩戴隔熱手套，減少溫度傳遞。

（4）當(dāng)發(fā)現(xiàn)手熱量已傳遞到量具上時(shí)，應(yīng)將量具放置一定時(shí)間再使用。

（5）通常是在使用量具1min 后需要對(duì)量具重新進(jìn)行校驗(yàn)。

3.2 測(cè)量力對(duì)薄壁零件測(cè)量的影響及注意事項(xiàng)

薄壁零件剛性不足在測(cè)量力作用下會(huì)產(chǎn)生變形彎曲，彎曲變形量主要受到測(cè)量力大小的影響，根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，工件在測(cè)量力作用下產(chǎn)生的彎曲量為

式中：F—測(cè)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(cè)量力對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)有一定的影響，測(cè)量力越大，工件的彎曲量越大，測(cè)量力越小零件的彎曲量越小。對(duì)于一個(gè)固定的工件來(lái)說(shuō)，其他參數(shù)都是一定的，測(cè)量者只能選擇測(cè)量力最小的測(cè)量方法，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。 而薄壁零件在進(jìn)行接觸測(cè)量時(shí)更需要注意，避免發(fā)生較大的彈性變形，進(jìn)而引起測(cè)量誤差。

4 千分表測(cè)量薄壁零件外徑

因?yàn)榍Х直頊y(cè)量力比較小， 因此對(duì)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(cè)尺寸相差不超過(guò)1mm 的基準(zhǔn)量塊同時(shí)使用，采用比較測(cè)量法測(cè)量零件外徑。在這種測(cè)量方法中?；鶞?zhǔn)量塊需要盡可能的和被測(cè)尺寸一致。

從上文可以看出測(cè)量力對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)直接影響。 而不同的測(cè)量工具，測(cè)量力不同，通過(guò)試驗(yàn)可知，千分尺、卡尺、千分表的測(cè)量力范圍見(jiàn)表3。

表3 不同量具測(cè)量力表

為驗(yàn)證各種量具測(cè)量薄壁件的準(zhǔn)確度， 選用5 種不同規(guī)格的薄壁零件進(jìn)行測(cè)量，零件材料為1Cr18Ni9Ti，具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同量具測(cè)量結(jié)果

從上表中可以看出，千分尺、千分表、游標(biāo)卡尺在測(cè)量同一薄壁件外徑時(shí)和三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比情況。

（1）當(dāng)直徑壁厚比為215∶1 時(shí)千分表、千分尺、游標(biāo)卡尺的測(cè)量數(shù)據(jù)和三坐標(biāo)相比都有很大的差距。 使用直接測(cè)量的方法都不再適用。

（2）當(dāng)直徑壁厚比在154∶1～37∶1 范圍內(nèi)時(shí)，千分表測(cè)量明顯比千分尺和游標(biāo)卡尺的測(cè)量誤差小， 而且壁厚直徑比越大，這種優(yōu)勢(shì)越明顯。

以上是采用直接絕對(duì)測(cè)量法測(cè)量工件， 為了減小零件的變形引起的測(cè)量誤差，還可以選用對(duì)比測(cè)量法，即先加工一件工件，利用三坐標(biāo)測(cè)量，給出實(shí)際尺寸，再使用千分表以此工件作為基準(zhǔn)，對(duì)比測(cè)量，在這種情況下，雖然測(cè)量時(shí)存在變形，但由于千分表測(cè)量力穩(wěn)定，且工件參數(shù)基本一致，因此兩次讀數(shù)核驗(yàn)相互補(bǔ)償，故對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。 在實(shí)際加工過(guò)程中可以使用此方法進(jìn)行過(guò)程測(cè)量，以提高加工效率，縮短測(cè)量時(shí)間。

從對(duì)比結(jié)果中可以看出， 在測(cè)量薄壁零件外徑時(shí)使用千分表比千分尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量誤差小。 這是由于首先千分表測(cè)量力穩(wěn)定，人為影響因素小，更適合批量薄壁零件的檢驗(yàn)。 其次千分表本身的測(cè)量力小，在測(cè)量薄壁零件時(shí)引起的產(chǎn)品變形也是最小的，因此在批量測(cè)量薄壁件時(shí)，使用千分表測(cè)量是相對(duì)來(lái)說(shuō)效率高，準(zhǔn)確性好的一種方法。 但是采用千分表測(cè)量薄壁零件外徑還是有很大的局限性， 即千分表只能測(cè)量零件的最大外徑，無(wú)法測(cè)量零件內(nèi)徑。

5 結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)量薄壁零件的直徑尺寸時(shí)，一定要綜合考慮，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法和手段，在提高測(cè)量效率的基礎(chǔ)上保證測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，避免檢測(cè)方法不對(duì)而帶來(lái)的測(cè)量誤差。