基于HB 6103的鈦合金鑄造圖紙尺寸標(biāo)注案例分析

劉泗溢，杜海軍，王本志，張軍威，田智星

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國航發(fā)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(shù)研究中心，北京 100095）

HB 6103—2004（文中簡稱航標(biāo)）是中華人民共和國航空行業(yè)鑄造公差標(biāo)準(zhǔn)，對鑄件尺寸公差和機械加工余量作了規(guī)定，尺寸公差是獨立的，沒有基準(zhǔn)約束。例如，鑄造一根芯棒，航標(biāo)可以限定芯棒的直徑公差，不限制其圓柱度；鑄造一個平板，航標(biāo)可以限定平板的厚度公差，不限制其平面度。在實際的鑄件上也是同樣的道理，可以限制其產(chǎn)品上每個尺寸的尺寸公差，不限制尺寸要素之間的空間位置關(guān)系，因此，不管是航標(biāo)HB 6103—2004，還是歐標(biāo)IS 8062：1994，它們均無法規(guī)定產(chǎn)品尺寸的使用屬性[1—4]。

目前，鑄件設(shè)計過程中，在鑄件圖紙上僅標(biāo)注鑄件尺寸公差，導(dǎo)致鑄件圖紙在尺寸在標(biāo)注上信息表達不全，關(guān)鍵幾何尺寸不描述，未能充分、準(zhǔn)確地表達鑄件的各種要求。根據(jù)這類圖紙進行鑄件開發(fā)時，測量工程師無法依據(jù)圖紙要求正常檢測鑄件尺寸，通常需要鑄造工程師和設(shè)計師進行多次溝通，才能了解設(shè)計師的真正意圖，增加鑄件開發(fā)難度、周期。

合理使用航標(biāo)HB 6103中鑄造尺寸公差，對于鑄件的開發(fā)至關(guān)重要。在下面內(nèi)容中將舉例鑄件研發(fā)過程中圖紙尺寸標(biāo)注和尺寸檢驗方法的實際案例，通過案例圖樣進行總結(jié)分析，解析鑄造尺寸公差標(biāo)注與尺寸測量上的分歧、矛盾和差異。

1 產(chǎn)品幾何公差（GD&T）介紹

1.1 GD&T來源

幾何公差在20世紀(jì)30年代被提出來，經(jīng)過不斷地完善和改進，是一代又一代工程師和專家們在理論和實踐中總結(jié)出來的人類智慧結(jié)晶。根據(jù)國外統(tǒng)計，正確的使用幾何公差會使研發(fā)、生產(chǎn)的質(zhì)量水平提高15%～20%。

幾何公差的產(chǎn)生，是因為隨著生產(chǎn)技術(shù)和檢測技術(shù)的提高，尺寸公差系統(tǒng)已經(jīng)不能充分表達設(shè)計意圖，設(shè)計者迫切需要一種能夠精確邏輯的工程語言來表達設(shè)計意圖。而尺寸公差這種工程語言很難將創(chuàng)造性復(fù)雜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品表達清楚，并被其他人準(zhǔn)確理解，設(shè)計者定義的尺寸公差通常會因制造者或檢測者不同而有著不同的理解，會導(dǎo)致不能精確傳達設(shè)計意圖[5]。

1.2 尺寸公差的表達

線性尺寸，簡稱尺寸，是指兩點之間的距離，如直徑、半徑、寬度、深度、高度等在圖紙標(biāo)注中常見的線性尺寸有圖1所示的4種表達方式。

一個理想的尺寸或是定位尺寸就是公稱尺寸，也被成為理論尺寸，被包含在矩形框內(nèi)在圖樣上表達出來，是并非需要檢測的尺寸，見圖 1a。參考尺寸在圖樣中被標(biāo)注在括號內(nèi)，通常是尺寸鏈中作為工藝參考的驗證尺寸，一般為尺寸鏈中的冗余尺寸，同樣不需要檢測，見圖 1b。當(dāng)公稱尺寸后有公差，就是尺寸公差，見圖1c，這樣的尺寸需要檢驗。在圖1d中，這樣的尺寸出現(xiàn)在零件圖中通常沒有特殊要求，不需要檢測，甴生產(chǎn)設(shè)備保證精度。當(dāng)出現(xiàn)在鑄圖中，其公差參考一般技術(shù)要求中的規(guī)定，例如航空鑄件引用的是 HB 6103—2004[6—9]。

圖1 尺寸公差表達方式Fig.1 Expression of dimensional tolerance

2 HB 6103—2004鑄造尺寸公差在應(yīng)用中的案例分析

目前世界鑄造行業(yè)內(nèi)的鑄造公差主要分為歐標(biāo)IS 8062：1994、中國航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 6103—2004，還有些航空品制造商有著自己的鑄造公差標(biāo)準(zhǔn)。對于鑄件尺寸公差而言，這幾種標(biāo)準(zhǔn)表達的均是隨著鑄件基本尺寸的增加其鑄件尺寸公差隨之增大，以 HB 6103—2004為例，鑄件尺寸公差等級共分為16級[10]。標(biāo)準(zhǔn)中的圖樣示例均說明其定義的尺寸要素是直徑、半徑、寬度、深度、高度等，因此，鑄造尺寸公差定義的是鑄件基本尺寸[11]，它是獨立尺寸，沒有基準(zhǔn)的約束，因此按照航標(biāo)執(zhí)行產(chǎn)品測量時，只能針對鑄件尺寸公差部分進行檢測。

在實際應(yīng)用中，國內(nèi)的鈦合金鑄件在尺寸檢測時通常使用幾何公差驗證尺寸公差，導(dǎo)致產(chǎn)品測量后結(jié)果不合格，主要歸納為以下幾類（下文所有圖樣示尺寸公差執(zhí)行HB 6103—2004 CT7級）。

2.1 線性尺寸被作為位置尺寸測量

圖紙分析：圖 2a中的尺寸鏈?zhǔn)氰T件尺寸圖紙標(biāo)注。分析圖紙可以知，尺寸鏈上的Xmax=205+1.5=206.5，Xmin=205-1.5=203.5。其中A基準(zhǔn)標(biāo)注無測量上的意義，因為尺寸公差不受基準(zhǔn)約束。

使用圖 2a所示圖紙進行尺寸測量時，會有兩種測量方法：

1) 使用量具法直接測量2個平面直接的距離。

2) 以A基準(zhǔn)找正，以基準(zhǔn)平面A為起點對, , ①①③號尺寸進行測量，均采用尺寸公差作為幾何公差使用，其公差分配如圖2b所示。

圖2 線性尺寸Fig.2 Linear size

測量方法案例分析：

第1種測量方案，采取直接測量。雖然這種測量方式符合圖紙要求，但公差累計時，尺寸鏈上的X=Xmax-Xmin=2.5，若以基準(zhǔn)進行線性加工，且平面1是加工量為2.5的加工面，可能會影響零件的加工。

圖3 測平面放大后測量示意圖Fig.3 Magnification diagram of plane

第2種測量方案，見圖3。使用基準(zhǔn)進行測量，避免了公差累計，在一定程度上也可以滿足加工需求，但是卻違背了圖紙和測量要求：其一，圖紙中要求其尺寸公差按航標(biāo)執(zhí)行，并未要求幾何公差，因此沒有引用基準(zhǔn)測量的條件；其二，即便是使用基準(zhǔn)進行測量，鑄件尺寸公差不等同于幾何公差，兩者之間有著本質(zhì)差異，區(qū)別在于幾何公差在使用基準(zhǔn)時，基準(zhǔn)以基準(zhǔn)模擬體的形式被引用，基準(zhǔn)和公差帶分布見圖 3a。鑄件尺寸公差使用獨立原則即兩點法進行測量，見圖3b，例如 ① , ① , ③是3處測量的實際測量結(jié)果。后續(xù)案例不再進行相同點的闡述[12]。

2.2 形狀尺寸被作為位置尺寸測量

2.2.1 案例 1

圖紙分析：在圖 4a中，尺寸標(biāo)注方式經(jīng)常會被標(biāo)注在鑄件圖上，圖中尺寸按照航標(biāo)HB 6103之CT7要求分配尺寸公差，明確了A和B基準(zhǔn)。

測量方法：

圖4 某產(chǎn)品側(cè)視圖Fig.4 Side view of product

使用圖 4a的圖紙進行尺寸測量時，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點及經(jīng)驗會有2種測量方法。

1) 直接按照圖紙標(biāo)注測量，例如使用卡尺測量①, ① ,①號直徑，使用高度尺測量③, ③號，只測量形狀尺寸不考慮其位置尺寸。

2) 為兼顧后續(xù)正常加工，需參考基準(zhǔn)對相關(guān)尺寸進行測量。考慮位置尺寸，其中幾何公差按尺寸公差進行測量，幾何公差分布見圖4b。

測量方法案例分析：

第1種測量方案，采取直接測量。這種測量方式符合圖紙要求，當(dāng)①, ①號尺寸沒有幾何尺寸約束時，雖然尺寸公差符合要求，但尺寸位置發(fā)生偏移時，可能會出現(xiàn)圖5中的情況。

第2種測量方案，使用基準(zhǔn)進行測量，存在以下問題：首先，測量時沒有引用基準(zhǔn)的技術(shù)條件；其次，幾何公差按尺寸公差進行測量，產(chǎn)品尺寸合格率下降[13—15]。

2.2.2 案例2

圖5 位置扭曲實例Fig.5 Position movement

圖6 圖紙示意圖Fig.6 Diagram of drawing

圖紙分析：圖 6a的標(biāo)注方式經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件圖紙中，需要正確理解。首先帶框尺寸是定位性描述尺寸，根據(jù)航標(biāo)中5.7.2規(guī)定是需要機械加工的要素，其中心位置尺寸在劃線檢查時不給公差，因此定義為理論尺寸。圖6b線性方向都賦予了公差，也是圖紙常見的標(biāo)注方式。

對于該產(chǎn)品而言，圖紙中最關(guān)鍵的尺寸應(yīng)該是零件加工后內(nèi)孔壁到外邊界的壁厚尺寸。根據(jù)圖6b圖紙的標(biāo)注方式，測量時一般會有兩種測量方法：

1) 不考慮其位置尺寸，使用R規(guī)直接測量圖紙標(biāo)注尺寸R20，找到R20實際圓心，將圖中, , ①①③號尺寸賦予尺寸公差進行測量。

2) 使用基準(zhǔn)對相關(guān)尺寸進行測量，以A和B基準(zhǔn)對R20理論圓心位置進行劃線，測量理論圓心距離R20外邊界的距離，公差按照±0.41進行判定。

測量方法案例分析：

第1種測量方案采取直接測量。測量方式符合圖紙要求，但鑄造R角形狀誤差大，R20的實際圓心位置難以確認(rèn)，導(dǎo)致, , ①①③號尺寸難以測量。若R20圓心位置放生偏移，后續(xù)按基準(zhǔn)機械加工時，可能會導(dǎo)致圖7所示的情況，可能會影響零件的使用。

圖7 位置扭曲實例Fig.7 Position movement

第2種方法按照基準(zhǔn)位置進行測量。其一，該測量方式不符合圖紙要求；其二，在尺寸測量時引入基準(zhǔn)，不符合HB 6103對鑄件尺寸公差定義；其三，在測量R20時，將尺寸公差帶按幾何公差帶使用，公差帶混淆。

圖8 圖紙標(biāo)注Fig.8 Annotation of drawing

為正確使用HB 6103對鑄件圖紙標(biāo)注，采用圖8所示的標(biāo)注方式，引入基準(zhǔn)系對R20進行定義。首先，R20是尺寸公差，按照HB 6103進行公差標(biāo)注；其次，考慮零件在使用時，關(guān)鍵尺寸是零件加工后內(nèi)孔壁到外邊界的壁厚尺寸，因此可以使用面輪廓度或者位置度的語言來表述，使用輪廓度時可以使用不等公差帶控制壁厚，在使用位置度時可以使用 LMC（最小實體尺寸）控制壁厚。但是定義幾何公差X時，需要設(shè)計者根據(jù)產(chǎn)品的使用工況合理定義公差帶。

2.3 角度尺寸測量

圖紙分析：圖 9a的角度標(biāo)注并沒有給定公差，航標(biāo)中沒有規(guī)定角度公差，如何判定鑄件尺寸合格，圖9c圖紙給定了角度公差，如何判定鑄件尺寸合格。

測量方法：直接測量，例如使用角度尺，以A基準(zhǔn)對齊測量，見圖9b所示，當(dāng)無公差要求時檢驗不進行尺寸判定，只需測量實際角度。

測量案例分析：圖9b示例說明，由于鑄造表面形狀誤差較大，很難直接判斷被測要素的實際位置。由圖9c示例可以看出，當(dāng)L2>>L1時，被測對象位置輕微偏移其角度就會出現(xiàn)很大波動，這體現(xiàn)了角度公差測量的局限性。因此，在鑄件產(chǎn)品中角度關(guān)系應(yīng)當(dāng)有效表達，以消除圖9b和c因測量、結(jié)構(gòu)等測量不確定性因素造成的影響。

圖9 角度測量示意圖Fig.9 Diagram of angle measurement

解決方案：可以使用幾何公差的語言，如面輪廓度或位置度來表達，見圖 10，通過公差帶X可以知道，可以同時包容被測要素的位置和形狀。同樣定義公差帶X時，要求設(shè)計師根據(jù)產(chǎn)品的使用工況確認(rèn)。

圖10 面輪廓度公差帶示意圖Fig.10 Tolerance zone of surface profile

3 總結(jié)

尺寸公差和幾何公差是圖紙語言的天平，在圖紙語言的表達上缺少任意一方，都會使圖紙設(shè)計失衡導(dǎo)致表達不準(zhǔn)確，同時得到如下結(jié)論。

1) 在鑄件圖紙標(biāo)注尺寸時不能過于依賴 HB6103。

2) 合理標(biāo)注鑄件圖紙尺寸，避免尺寸公差等同于幾何公差使用。

3) 產(chǎn)品設(shè)計者應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用工況，合理定義幾何公差帶。

參考文獻：

[1] ISO 1101—2004, 中文版產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)[S].ISO 1101—2004, Product Geometry Specification(in Chinese)[S].

[2] ISO 14405—1: 2010, Linear Dimensional Tolerance[S].

[3] ISO 8062:1994, Casting Dimension Tolerance[S].

[4] HB 6103—2004, 鑄件尺寸公差和機加工余量[S].HB 6103—2004, Casting Size Tolerance and Machining Allowance[S].

[5] 王廷強. GD & T基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013.WANG Ting-qiang. GD&T Foundation and Application[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2013.

[6] 楊好學(xué). 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)中公差原則的實用性分析[J]. 陜西教育(高教), 2012(3): 111.YANG Hao-xue. Practical Analysis of The Principle of Tolerance in Product Geometric Specification (GPS)[J].Shaanxi Education (High Education), 2012(3): 111.

[7] GB/T 17851—2010, 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差[S].GB/T 17851—2010, Geometric Tolerances of Product Geometric Specifications[S].

[8] GB/T 1182—2006, 形狀和位置公差[S].GB/T 1182—2006, Shape and Position Tolerance[S].

[9] GB/T 1182—2008, 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)幾何公差[S].GB/T 1182—2008, Geometric Tolerances of Product Geometric Specifications[S].

[10] 李曉沛. 簡明公差標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2006: 134—137.LI Xiao-pei. Application Manual of Concise Tolerance Standard[M]. Shanghai: Shanghai Science And Technology Press, 2006: 134—137.

[11] 趙則祥, 趙卓賢. 幾何產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范有關(guān)尺寸要素的發(fā)展及其實用性分析[J]. 技術(shù)制造與機床, 2006(7): 41—44.ZHAO Ze-xiang, ZHAO Zhuo-xian. The Development And Practical Analysis of Dimension Factors of Geometric Product Specifications[J]. Technology Manufacturing And Machine Tools, 2006(7): 41—44.

[12] 趙則祥, 李曉沛, 趙卓賢. ISO/DIS 286-1“產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范-ISO線性尺寸公差編碼制”剖析[J]. 機械設(shè)計與制造, 2006(10): 146—148.ZHAO Ze-xiang, LI Xiao-pei, ZHAO Zhuo-xian.ISO/DIS 286-1"Product Geometry Specification -ISO Linear Dimension Tolerance Coding System" Analysis[J]. Mechanical Design and Manufacturing, 2006(10): 146—148.

[13] 甘永立. 幾何量公差與檢測 9版[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出社, 2010.GAN Yong-li. Geometric Tolerance And Detection 9th Edition[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2010.

[14] 陳治岸. 公差原則的分析和形位公差的計算[J]. 機械制造, 2014, 43(1): 76—77.CHEN Zhi-an. Analysis of Tolerance Principles and Calculation of Geometric Tolerances[J]. Mechanical Manufacturing, 2014, 43(1): 76—77.

[15] 楊好學(xué). 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范中幾何公差的實用性分析[J]. 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2010(28): 12—14.YANG Hao-xue. Practical Analysis of Geometric Tolerances in Geometric Technical Specifications[J]. Journal of Xi'an Aviation Technical College, 2010(28): 12—14.