鈦合金精密鑄件基準(zhǔn)傳遞形式應(yīng)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(guó)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(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

精密鈦合金鑄造其鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，一般尺寸公差等級(jí)要滿(mǎn)足CT4-7。鑄件在實(shí)際工況使用時(shí)，鑄造尺寸如何傳承鑄件最初的尺寸狀態(tài)，需要精鑄件明確鑄件基準(zhǔn)，并以準(zhǔn)確的基準(zhǔn)傳遞形式在制造、檢驗(yàn)、機(jī)加過(guò)程中合理應(yīng)用?；鶞?zhǔn)主要以鑄件劃線(xiàn)、基準(zhǔn)目標(biāo)、一面多孔/銷(xiāo)的形式存在。目前，國(guó)內(nèi)鑄件在基準(zhǔn)傳遞上多以鑄件劃線(xiàn)、鑄造特征的基準(zhǔn)形式存在，這種傳遞方式具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，但是基準(zhǔn)要素因其形狀誤差較大，后續(xù)追溯性差，具有一定局限性。國(guó)外目前基準(zhǔn)傳遞多采用六點(diǎn)定位、一面兩孔的形式存在，這種基準(zhǔn)傳遞方式明確、重復(fù)性好、具有追溯性，但其對(duì)基準(zhǔn)要素精度要求高，會(huì)增加生產(chǎn)成本。文中對(duì)以不同基準(zhǔn)形式確定的鑄件坐標(biāo)系原理在使用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)述，以期對(duì)鈦合金精鑄件在設(shè)計(jì)和后續(xù)加工基準(zhǔn)的應(yīng)用上有所裨益[1—7]。

1 基準(zhǔn)的表現(xiàn)形式

基準(zhǔn)是為了限制公差帶的自由度，限制產(chǎn)品的坐標(biāo)系，是零件加工、鑄造中不可缺少的一部分。基準(zhǔn)的符號(hào)通常會(huì)在圖紙上表示為圖1所示的形式。

圖1 基準(zhǔn)特征Fig.1 Datum features

圖 1a所示符號(hào)可以直接標(biāo)注到零件的基準(zhǔn)特征上，基準(zhǔn)特征可以是平面、曲面、圓柱、孔、錐、槽等；圖1b所示符號(hào)是基準(zhǔn)目標(biāo)，是對(duì)支撐部位的定義，符號(hào)的下半部分是基準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)名稱(chēng)，上半部分代表了基準(zhǔn)與零件的接觸面積的大小，此例中其支撐面積為Φ5 mm的區(qū)域，如圖1b所示。如果上半部分為空，則表明基準(zhǔn)支撐位點(diǎn)或是線(xiàn)接觸。

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

圖2 基準(zhǔn)圖樣Fig.2 Datum pattern

2 鑄件劃線(xiàn)基準(zhǔn)

鑄件劃線(xiàn)是鑄造及機(jī)械加工的一道重要工序。根據(jù)圖樣和技術(shù)要求，在鑄造毛坯用劃線(xiàn)工具劃出作為基準(zhǔn)點(diǎn)、線(xiàn)的過(guò)程，因此鑄件的劃線(xiàn)生成的基準(zhǔn)是基準(zhǔn)的特殊表現(xiàn)形式。然而，對(duì)于劃線(xiàn)的基準(zhǔn)要求是線(xiàn)條清晰均勻，定型、定位尺寸準(zhǔn)確。由于劃線(xiàn)的線(xiàn)條有一定寬度，一般在零件或鑄件表面上劃線(xiàn)，線(xiàn)寬精度范圍可以達(dá)到0.18～0.22 mm。在后續(xù)的加工中，通過(guò)找正基準(zhǔn)線(xiàn)、點(diǎn)來(lái)確定鑄件的坐標(biāo)系進(jìn)行加工，而通常情況下，加工的精度不能完全由劃線(xiàn)確定，而是在加工過(guò)程中由測(cè)量來(lái)保證。由于劃線(xiàn)生成基準(zhǔn)是看得到卻觸摸不到的基準(zhǔn)形式，在鑄件加工后劃線(xiàn)基準(zhǔn)也會(huì)隨之消失，而在加工過(guò)程中不確定因素較多，會(huì)因線(xiàn)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(dāng)零件加工失敗，不利于原因分析。

鑄件劃線(xiàn)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是劃線(xiàn)簡(jiǎn)單快速、邊界尺寸線(xiàn)直觀(guān)；缺點(diǎn)是劃線(xiàn)寬度精度差，劃線(xiàn)確認(rèn)尺寸有局限性，尺寸傳遞誤差大，加工后鑄件尺寸狀態(tài)不可逆向測(cè)量。應(yīng)用典型：鑄件精度要求不高或是加工量大的鑄件[20—21]，見(jiàn)圖3。

圖3 某鑄件機(jī)加工余量線(xiàn)Fig.3 Machining allowance line of a casting

3 六點(diǎn)定位基準(zhǔn)

圖4 3-2-1原點(diǎn)的原理Fig.4 Principle diagram of 3-2-1 origin

六點(diǎn)定位原理是指約束工件在空間具有 6個(gè)自由度，也稱(chēng)3-2-1原理。6個(gè)自由度是指沿x,y,z三個(gè)直角坐標(biāo)系軸方向的移動(dòng)和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。因此，要完全確定工件位置，就必須消除這6個(gè)自由度，通常用6個(gè)支撐點(diǎn)來(lái)限制工件的6個(gè)自由度，其中每個(gè)支撐點(diǎn)限制相應(yīng)的一個(gè)自由度。如下圖 4所示，基準(zhǔn)A1,A2,A3所形成的面控制長(zhǎng)方體的3個(gè)自由度，即z軸方向的平移、繞x,y軸方向的旋轉(zhuǎn)。B1,B2形成的線(xiàn)控制了2個(gè)自由度，即沿x軸方向的平移和繞z軸的旋轉(zhuǎn)。C1形成的點(diǎn)即控制了沿Y軸方向的平移，詳見(jiàn)表1。圖4、表1中：A1,A2,A3,B1,B2,C1表示基準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，x,y,z：坐標(biāo)軸；Tx,Ty,Tz：表示沿所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸平移；Rx,Ry,Rz表示繞所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)；●表示所限制的自由度。

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

六點(diǎn)定位在應(yīng)用上要符合完全定位原理。六點(diǎn)定位對(duì)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(yīng)用極為廣泛，在尺寸標(biāo)注上通常表現(xiàn)為圖1a和b的形式。在基準(zhǔn)支撐位置、大小的選擇上，通常點(diǎn)支撐應(yīng)用于小型精鑄件且基準(zhǔn)支撐點(diǎn)處結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的鑄造表面，例如圖 5a。區(qū)域支撐應(yīng)用于中小型結(jié)構(gòu)復(fù)雜件的鑄造表面，如圖 5b，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可以調(diào)整基準(zhǔn)圓柱支撐面積和是否凸起。

圖5 基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)形式Fig.5 Benchmark realization form

六點(diǎn)定位原理應(yīng)用在精密鈦合金鑄件上，主要有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是基準(zhǔn)明確、重復(fù)定位性好、便于批量加工、鑄件尺寸狀態(tài)可逆；缺點(diǎn)是鑄造件產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性較差時(shí)，基準(zhǔn)需要精修調(diào)整。

應(yīng)用典型：中小型精密鑄件見(jiàn)圖6（國(guó)外航空鈦合金鑄件，其中圖6a為SNECMA公司的中型薄壁復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件，其中6b為GE公司的小型結(jié)構(gòu)鑄件）。

圖6 國(guó)外航空鈦合金鑄件Fig.6 Foreign aviation titanium alloy castings

鑄件上的六點(diǎn)定位基準(zhǔn)是鑄件的工藝基準(zhǔn)，它承載著鑄件上所有的尺寸信息，因此在設(shè)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)目標(biāo)的位置應(yīng)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(shí)，基準(zhǔn)目標(biāo)一般情況下是定位基準(zhǔn)，只起到定位工件的作用，很多時(shí)候是不可以承受載荷的，例如位于薄壁結(jié)構(gòu)區(qū)域的基準(zhǔn)目標(biāo)[22—23]。

4 一面兩孔基準(zhǔn)

孔槽定位在機(jī)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(jiàn)。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(gè)支撐面A1,A2,A3代表著第一基準(zhǔn)面的3個(gè)定位，B1和C1聯(lián)合建立了第二基準(zhǔn)面，B2在水平方向定義了第三基準(zhǔn)面，這個(gè)基準(zhǔn)框架的坐標(biāo)系原點(diǎn)建立在主定位銷(xiāo)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(yīng)用一面兩孔的定位基準(zhǔn)形式，其中基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)孔鑄造工藝無(wú)法保證形狀和位置精度，因此基準(zhǔn)需要進(jìn)行精加工，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)基準(zhǔn)信息的形狀和位置尺寸提出要求，保障后續(xù)精加工時(shí)孔槽的精準(zhǔn)定位，同時(shí)也保障了鑄造尺寸與零件尺寸的合理轉(zhuǎn)化。

鑄件上的一面兩孔的基準(zhǔn)形式一般最終是被保留的，國(guó)內(nèi)外的做法一般分為兩種，可以設(shè)計(jì)在零件使用時(shí)不干涉的鑄造結(jié)構(gòu)位置，如圖 8a，也可以設(shè)計(jì)成零件狀態(tài)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(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是基準(zhǔn)明確，重復(fù)定位性好，便于找正，批量加工，鑄件與零件尺寸狀態(tài)可逆；缺點(diǎn)是基準(zhǔn)需要精加工。

應(yīng)用典型：一面兩孔的定位形式多見(jiàn)于中大型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件和中大型可適用于孔槽定位加工的結(jié)構(gòu)件[24—27]（圖8中圓圈處是鑄件的基準(zhǔn)）。

5 結(jié)語(yǔ)

精密鈦合金鑄件多應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，而鈦合金鑄件處在產(chǎn)品供應(yīng)鏈的上游，生產(chǎn)出合格高品質(zhì)的鑄件對(duì)后續(xù)的加工裝配起到至關(guān)重要的作用。鑄件基準(zhǔn)的確定是鑄件與零件尺寸傳遞的紐帶，確認(rèn)好、使用好鑄件基準(zhǔn)是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)?？v觀(guān)國(guó)外，像法國(guó)SNECMA、美國(guó)GE和Honeywell公司、英國(guó)Rolls-Royce和Airbus公司、比利時(shí)宇航公司等，在鑄件基準(zhǔn)的傳遞上多以六點(diǎn)定位、一面兩孔的基準(zhǔn)形式存在；國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院所、鑄造廠(chǎng)在鑄件基準(zhǔn)的傳遞上多以劃線(xiàn)、鑄造特征的基準(zhǔn)形式存在[28]。

在現(xiàn)代工業(yè)制造中，設(shè)計(jì)者與制造者應(yīng)在設(shè)計(jì)制造初期根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工工藝、工程化程度、鑄件公差標(biāo)注等不同因素，選擇明確相應(yīng)的基準(zhǔn)傳遞形式，目前常用的基準(zhǔn)傳遞形式總結(jié)如下。

1) 鑄件劃線(xiàn)基準(zhǔn)的傳遞形式具有簡(jiǎn)單快捷、邊界尺寸線(xiàn)直觀(guān)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度要求不高、小批量的鑄件。

2) 六點(diǎn)定位基準(zhǔn)的傳遞形式，重復(fù)定位性好、鑄件尺寸狀態(tài)追溯性強(qiáng)、基準(zhǔn)明確，適用于大批量的中小型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的精密鑄件。

3) 一面兩孔基準(zhǔn)的傳遞形式定位精度高，重復(fù)定位性好，鑄件尺寸狀態(tài)追溯性強(qiáng)，適用于中大型箱體、回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)鑄件。

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