印模法在零件檢測中的應用

劉艷玲 王洪忠 趙庶嫻 張俊全 付彬 / 濰柴動力股份有限公司

0 引言

隨著發(fā)動機制造業(yè)技術的發(fā)展升級，尺寸、角度、輪廓、幾何公差等關鍵參數(shù)基本能滿足圖紙要求，此時一些小的問題凸顯出來，如發(fā)動機機體止口倒角、倒圓及曲軸軸頸端倒圓、油孔倒角的檢測。因機體、曲軸等質量重、體型大，不能放在粗糙度輪廓儀上直接測量，傳統(tǒng)采用石蠟制模，影像法檢測，數(shù)據(jù)重復性差，測量不確定度大。為得到更加準確的測量數(shù)值，只能切割后在粗糙度輪廓儀上檢測，造成時間浪費和成本提高。

為實現(xiàn)快速便捷、低成本、高準確度的檢測，本文研究了兩種印模技術，并與傳統(tǒng)觸針法、影像法檢測進行比對。

1 印模法介紹

印模法是將被測表面復制下來制成印模，再對印模進行測量，獲得被測物的外形尺寸等的間接方法。印模法適用于既不能用表面粗糙度檢查儀直接測量，也不便于用表面粗糙度比較樣板進行對比的零件表面質量檢測，如內表面、深孔、盲孔、凹槽等。印模在固化過程中，能夠高精度地復制工件表面的所有細節(jié)，如尺寸、形狀、質地、表面形貌。目前行業(yè)中常用的有兩種：冷鑲嵌樹脂和復制膠泥，下面將分別介紹這兩種印模技術。

1.1 冷鑲嵌樹脂

冷鑲嵌樹脂法得到的印模硬度高，適合在粗糙度輪廓儀上直接測量，印模不回彈，能夠真實反映零件的表面質量，缺點是對于內腔小輪廓，不易拔出，且對于光潔度不高的表面，拔出位置有殘留，另外其味道刺鼻。

1.1.1 冷鑲嵌樹脂的制備及使用

冷鑲嵌樹脂是以MMA甲基丙烯酸甲酯為基質的粉液二組分樹脂，粉、液基的冷鑲嵌樹脂根據(jù)使用要求調和比例，混合攪拌，直至所有粉末濕潤，無殘留液體為止。期間應避免強烈的運動，避免氣泡進入攪拌著的混合物中。粉、液徹底混合后，此時將樹脂小心緩慢地灌注到被測樣件表面，隨后靜置，約有2 min的灌注時間，固化時間約為15 min。冷鑲嵌樹脂的混合過程如圖1所示。

1.1.2 冷鑲嵌樹脂固化注意事項

1）待樹脂完全固化后將其取出待測，固化過程中釋放的熱量也可能產(chǎn)生氣泡，必要時建議用冷卻介質例如水來吸收固化時釋放的熱量，以減少甚至避免形成氣泡。

2）較大面積的制模、取模必須分層實施，以達到較低的聚合溫度，避免印模材料形成氣泡。此時應注意：只有在前一層冷鑲嵌樹脂固化后才能加注后一層樹脂。

3）必要時在印模上仿制一個手柄，以便將印模從原型中取出，零件檢測印模澆筑如圖2所示。

4）輪廓測量時的印模最低厚度至少為5 mm，以避免取出印模時邊緣發(fā)生變形。

圖1 冷鑲嵌樹脂的混合過程

圖2 零件檢測印模澆筑

1.2 復制膠泥

復制膠泥法是將制作膠泥的兩組成分充分攪拌后，借助膠槍打入至待檢測位置，固化成型。制作膠泥的材料無味，凝固過程無熱量放出。

兩種方法比較來看，復制膠泥法是冷鑲嵌樹脂法的升級版本。廠家根據(jù)檢測需求，做了進一步優(yōu)化升級，可以得到不同硬度的印模，且不需要檢測人員在現(xiàn)場配置。印模固化時間為7～10 min，節(jié)省了配置和固化時間。

1.2.1 復制膠泥的分類

根據(jù)材料的不同，可以得到不同硬度的印模，柔性、半柔性、剛性或半剛性的印模，各種復制膠泥狀態(tài)如圖3所示，柔性、半柔性印模，硬度低，適用于非接觸式測量，如光學測量機、萬能工具顯微鏡等，半硬性和硬性印模，模硬度高，適合卡尺、千分尺、粗糙度輪廓儀的直接測量，同時也可以采用光學測量機和萬能工具顯微鏡[1][2][3]。

圖3 復制膠泥狀態(tài)

1.2.2 復制膠泥的特點及其選擇

1）柔性印模：可承受很強的移除限制(高達40%)，該印模可變形可拉伸，以便從模具中取出，而且取出后總能回到取出前的原始形態(tài)。在企業(yè)中的應用主要是噴油器襯套、螺紋孔等內部結構的取印，應用在噴油器襯套，如圖4所示。

2）半柔性印模：可接受最強移除限制(高達20%)，該印?？杀惠p微改變形狀以從模具中取出，且可回到未取出前的原始形態(tài)。企業(yè)中主要用于機體、缸套、曲軸等倒角、倒圓等檢測的取印，如應用在曲軸，如圖5所示。

圖4 噴油器襯套的柔性印模

圖5 曲軸的半柔性印模

3）半硬質和硬質印模：剛性大，不接受任何取出限制。企業(yè)中主要應用于外部結構可接觸測量的尺寸、粗糙度等取印，印模如圖6所示。

2 準確性驗證

圖6 印模

2.1 不確定度評定

以尺寸為例，對采用復制膠泥法和觸針法兩種方法得到的不確定度分別評定[4]。

2.1.1 重復性引入的標準不確定度

見表1、表2。

表1 采用復制膠泥法尺寸檢測的實驗標準差 單位：mm

則測量重復性引起的尺寸測量標準不確定度為

則測量重復性引起的尺寸測量標準不確定度為

我累得滿頭大汗，敲門后，開門的是她媽，我氣喘吁吁地叫了句：“阿姨好！”緊接著雙腿不聽使喚，一下就跪在她媽面前……

2.1.2 儀器設備示值誤差引入的標準不確定度

根據(jù)上一級溯源機構出具的校準證書，粗糙度輪廓儀的輪廓度示值誤差4.1 μm，按均勻分布處理，則其引入的標準不確定度為

表2 采用觸針法得到的尺寸實驗標準差 單位：mm

2.1.3 儀器設備與被測工件不等溫引入的標準不確定度

按照作業(yè)指導書要求進行等溫，儀器設備與被測工件之間的溫度差不大于0.3 ℃。儀器設備與被測工件的線膨脹系數(shù)假定為a= 11.5×10-5C-1，假定服從 U 形分布（b= 0.7），對于 57.8 mm 的工件，則有：

2.1.4 尺寸l的合成標準不確定度u(l)的計算

2.1.5 擴展不確定度

采用復制膠泥法得到的擴展不確定度

采用觸針法得到的擴展不確定度

U2= 3.5×2 μm = 7 μm

兩種方法得到的不確定度和測量要求相比，遠小于公差要求的1/3，兩種檢測方式均可實現(xiàn)測量，且準確度高。

同理得到角度和粗糙度的擴展不確定度。

角度：

采用復制膠泥法得到的擴展不確定度U1= 4′

采用影像法得到的擴展不確定度U2= 4′

粗糙度：

采用冷鑲嵌樹脂法得到的相對擴展不確定度Urel=6.2%

采用復制膠泥法得到的相對擴展不確定度Urel=7.1%

采用觸針法得到的相對擴展不確定度Urel= 5.9%

2.2 結果比較

1）從不確定度來看，采用印模法、觸針法、影像法評定的不確定度均滿足使用要求，且?guī)追N方法得到的不確定度相差不大（小于10%），可以根據(jù)測量參數(shù)、位置，選擇合適的測量方法。

2）從粗糙度測量結果來看，采用復制膠泥得到的測量數(shù)值普遍偏小。分析原因：冷鑲嵌樹脂為流體狀態(tài)，能夠滲入材質的溝槽中，與被測件結合緊密，得到的印模更能真實反映被測件的輪廓，因此得到的數(shù)據(jù)和觸針法更接近。復制膠泥法在尺寸和角度等參數(shù)的檢測中，其檢測結果和觸針法及影像法很接近，但在粗糙度方面，因其流動性差，測量數(shù)據(jù)普遍偏小。

3 結語

實施印模法檢測新技術，與傳統(tǒng)石蠟法相比，測量準確度大大提高，與觸針法相比，拓展了檢測范圍且測量準確度不打折，不過因組成材料為消耗品，大截面、高頻次使用時，用于過程控制和入場檢驗時成本較高，目前多用于新產(chǎn)品檢驗和故障分析。

在應用方面，兩種印模法相互補充，對于粗糙度等微觀質量檢測，冷鑲嵌樹脂法更準確，但因其質地較硬，應用領域受限，而復制膠泥法在這一方面，又很好地做了補充，且準確度滿足使用要求。