大尺寸工件的測量特性

崔麗娟 楊金嶺

(①燕山大學(xué)里仁學(xué)院，河北秦皇島 066004;②中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066000)

所謂大尺寸工件，通常是指基本尺寸大于500 mm的工件。大尺寸工件在重型機(jī)床、工程機(jī)械、礦山機(jī)械和建筑機(jī)械中應(yīng)用較多，尤其是近年來，隨著我國機(jī)械制造水平的不斷提高，大尺寸工件的比例也越來越高，例如大型設(shè)備制造中，許多尺寸超過500 mm，有些工件尺寸甚至超過10 000 mm或者更大。

1 大尺寸工件的特點(diǎn)

與中、小尺寸工件不同，大尺寸工件在其使用要求、加工、測量、裝配、維修以及生產(chǎn)方式上，都有一些自身的特點(diǎn)。如:大尺寸工件通常是單件小批生產(chǎn);往往采用配做或者修配的制造方法，不一定能達(dá)到、甚至不要求達(dá)到互換性;對大尺寸工件的配合關(guān)系，往往只要求配合特性，而不強(qiáng)調(diào)保持嚴(yán)格的基本尺寸;在工件的制作誤差中，形位誤差和測量誤差占的比例增大，特別是因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生的誤差很突出，等等。

對大尺寸工件的測量，目前主要采用的仍是機(jī)械量具。一般有游標(biāo)卡尺、大型千分尺、高度尺、內(nèi)徑千分尺、內(nèi)徑量桿等。因?yàn)楣ぜ某叽巛^大，這也導(dǎo)致了這些量具的體積和重量也較大，比較笨重，操作不便。

例如，測量500 mm的工件的計(jì)量器具，重量最小也要在6 kg以上;測量1 000 mm工件的計(jì)量器具的重量約15 kg，兩個(gè)人操作都相當(dāng)困難;而測量3 000 mm以上尺寸的千分尺一般需要使用吊車幫助測量。

2 大尺寸工件的測量特性

大尺寸工件的測量特性是受多種因素影響的，如測量溫度的影響、測量器具結(jié)構(gòu)的影響、測量過程中系統(tǒng)誤差的影響等等?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將常規(guī)中、小尺寸工件的測量特性沿用于大尺寸工件是不合適的。大尺寸工件的測量特性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)溫度造成的測量誤差的比例顯著增大。

由于大尺寸工件的體積、尺寸較大，一般都是只能在加工現(xiàn)場或者機(jī)械加工設(shè)備上進(jìn)行測量，測量器具和工件受環(huán)境溫度影響較大，因此很難得到可靠的測量結(jié)果。

對不同尺寸范圍和不同公差等級(jí)的工件，相同的溫度變化所造成的測量誤差，在給定的公差中占有的百分比是不同的。例如，對于一個(gè)直徑50 mm，公差等級(jí)為IT6的鋼制工件，溫度變化范圍5℃引起的工件尺寸變化為2.9 μm，僅占尺寸公差16 μm的18%;但是對于一個(gè)直徑3 000 mm，公差等級(jí)為IT6的鋼制工件，溫度變化范圍5℃引起的工件尺寸變化為172.5 μm，竟占尺寸公差135 μm的127.8%。由此可見，按照公差單位，雖然公差隨著基本尺寸的增加加大了，但制造某一公差等級(jí)的大尺寸工件，與制造同一公差等級(jí)的中等尺寸工件相比，前者往往要困難得多。

圖1和圖2分別表示尺寸范圍≤500 mm和＞500～3 150 mm時(shí)，溫度變化4～20℃和1～10℃引起的尺寸變化，與標(biāo)準(zhǔn)公差I(lǐng)T4～I(xiàn)T8的對比關(guān)系。由圖可知，溫度變化對大尺寸的影響要嚴(yán)重得多。

由上述可知，一般溫度變化引起的測量誤差，即使對中小尺寸工件的制造是可以忽略的，但是對大尺寸工件的制作來說，則常常是關(guān)鍵性難題。

以上考慮的僅僅是溫度引起的工件的尺寸變化，而溫度引起的測量誤差則取決于工件與量具的溫度及其線膨脹系數(shù)。例如，基本尺寸為3 000 mm的鋼制工件，線膨脹系數(shù)為11.5×10－6/℃，量具是輕鋁合金的，線膨脹系數(shù)為23×10－6/℃;工件溫度為21℃，量具溫度為24℃，要求測量溫度為20℃。此時(shí)由于熱變形不一致引起的測量誤差為(23×4－11.5×1)×10－6×3 000=0.242 mm。已經(jīng)超過IT7=210 μm，可見影響之大。

從理論上講，由溫度引起的測量誤差是可以修正的。但是大尺寸工件的內(nèi)部溫度與外表溫度可能不一致，而要消除其內(nèi)外溫差，往往需要很長時(shí)間，例如使某個(gè)1 000 kg的重型工件的內(nèi)外溫差降至±0.2℃，可能需要2天以上的時(shí)間。因此，對大尺寸工件，要準(zhǔn)確測量其溫度并消除溫度引起的測量誤差，是比較困難的。

(2)量具和工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)引起的測量誤差也較大。

由測量原理決定這類計(jì)量器具必然存在大尺寸測量弱點(diǎn)。對于大重量的測量器具，使用過程中，受力變形也很大，測量時(shí)不好掌握，不容易找正測量部位，不容易判斷工件與量具的接觸情況。而且這種量具因自重變形引起的測量誤差也是很大的。同時(shí)，大尺寸工件本身由于自重引起的變形也是較大的。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，工件尺寸在1 000 mm以下時(shí)，測量誤差在29～120 μm，工件尺寸在1 000 mm到6 000 mm之間時(shí)，測量誤差一般在370 μm，最多可達(dá)到1 mm左右。測量誤差的主要來源為:量塊和校棒的誤差、千分尺測量時(shí)測頭偏移的誤差、溫度產(chǎn)生的誤差、千分尺受力變形引起的誤差、測量面平行度產(chǎn)生的誤差等。

(3)孔的測量精度一般比軸的測量精度高。

對于一般中小尺寸的工件，通常軸比孔容易測量，而對于大尺寸工件，則恰好相反，往往是孔比軸更容易測量。一般測量大孔尺寸，用的是結(jié)構(gòu)比較輕便、剛性較好、操作也比較方便的內(nèi)徑千分尺，或經(jīng)校準(zhǔn)過的帶指示表的內(nèi)徑量桿。而一般測大軸，用的是自重大、易于變形、操作不變、找正測量部位也比較困難的外徑大卡規(guī)或大型千分尺。因此，大尺寸孔的測量誤差往往小于大尺寸軸的測量誤差。

(4)大尺寸的測量值大多小于其真值。

不論是大尺寸的孔或軸，其測得值多小于其真值，即測量誤差是非對稱分布的，且向數(shù)值減小方向偏移。這是英國物理研究所(NPL)的試驗(yàn)結(jié)果，可能由于大尺寸工件在測量操作上的一些原因所致。

(5)在大尺寸的測量誤差中，系統(tǒng)誤差的影響更突出，而多次重復(fù)測量值的分散性也往往較大。

由于大尺寸量具在校準(zhǔn)上的困難，并且由于校準(zhǔn)用量具的誤差較大，所以在大尺寸測量中，往往包含有較大的而又難以確定的系統(tǒng)誤差，系統(tǒng)誤差的影響也更加顯著。

此外，由于大尺寸測量過程的復(fù)雜與費(fèi)事，采用多次重復(fù)測量也不一定能得到滿意結(jié)果。根據(jù)一些國家的測試結(jié)果，大尺寸測量的均方差與直徑大致呈線性關(guān)系。在英國標(biāo)準(zhǔn)“極限與配合”(B.S.1916－1963)中引用了NPL的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出了對大尺寸測量誤差的統(tǒng)計(jì)，均方差為15 ～30 μm，最小為10 μm。

3 大尺寸工件公差與配合的注意事項(xiàng)

通過上述論述后，考慮到大尺寸工件在測量誤差方面以及其它方面的一些特性，在選擇或者確定大尺寸公差與配合的時(shí)候，就要和中小尺寸工件加以區(qū)別，并注意以下方面:

(1)在大尺寸的公差單位公式中應(yīng)充分反映測量誤差的影響。

(2)大尺寸的IT6級(jí)遠(yuǎn)比中等尺寸的IT6級(jí)難以制造。目前對大尺寸工件公差的選取，宜從≥IT6起。

(3)對大尺寸的配合，不宜規(guī)定孔比軸低一級(jí)，目前以采用同級(jí)孔、軸配合為宜。

(4)除采用互換性配合外，還宜采用配制配合。

(5)要特別注意測量誤差對配合性質(zhì)的影響。

［1］王伯平.互換性與技術(shù)測量［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］李柱.互換性與技術(shù)測量基礎(chǔ)［M］.北京:中國計(jì)量出版社出版社，1984.