預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件基準(zhǔn)建立方法研究

黃強(qiáng)

（中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710021）

0 引 言

為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)作戰(zhàn)性能及可靠性，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量、降低制造成本、縮短制造周期，隨著復(fù)雜整體鑄造技術(shù)的深入試驗(yàn)研究，鑄造技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵構(gòu)件的研制和生產(chǎn)中。預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件是公司承接某航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的科研試制任務(wù)，用于焊接蜂窩環(huán)組裝部件，其特點(diǎn)是鑄造基準(zhǔn)設(shè)計(jì)復(fù)雜、鑄造定位基準(zhǔn)制造精度不高。在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，一般利用精加工產(chǎn)生的基準(zhǔn)測(cè)量形位誤差的方法, 很難在預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件的位置度基準(zhǔn)建立及三坐標(biāo)測(cè)量中完成,這主要是因?yàn)殍T件的鑄造基準(zhǔn)較差，原始基準(zhǔn)的定位精度不高；另一個(gè)主要原因, 是因?yàn)殍T件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)較多，基準(zhǔn)之間的誤差累計(jì)及延伸導(dǎo)致整個(gè)基準(zhǔn)的建立出現(xiàn)偏差，以下就預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件的測(cè)量基準(zhǔn)及其選擇方法進(jìn)行討論，并對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)的誤差進(jìn)行修正。

1 形位公差基準(zhǔn)的建立

被測(cè)量基準(zhǔn)的形位公差,指的是工件上被測(cè)對(duì)象和定位基準(zhǔn)之間的位置分布，即圖樣規(guī)定的測(cè)量對(duì)象與定位基準(zhǔn)之間的位置變動(dòng)范圍。圖樣規(guī)定的位置度，指的是一個(gè)對(duì)象的中心線或中心平面允許自身位置變動(dòng)的范圍，即它的實(shí)際位置允許的變動(dòng)范圍，是限制被測(cè)對(duì)象的實(shí)際位置對(duì)理想位置變動(dòng)量的指標(biāo)[1]。位置度公差對(duì)實(shí)際對(duì)象位置正確度的評(píng)價(jià)，依據(jù)是設(shè)計(jì)圖上給定的理想位置。評(píng)價(jià)位置度時(shí), 最重要的就是合理選擇被測(cè)工件的測(cè)量基準(zhǔn)，沒有測(cè)量基準(zhǔn),就無法評(píng)價(jià)位置度。

以預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件位置度誤差檢測(cè)為例,孔中心有理想位置和實(shí)際位置，理想位置由理論正確尺寸確定，實(shí)際位置由實(shí)測(cè)坐標(biāo)值確定。實(shí)際位置與理想位置有偏差，偏差的2倍就是實(shí)測(cè)位置度。該鑄件的孔位置度公差帶是一種以理論位置為中心對(duì)稱的區(qū)域，位置度是限制被測(cè)量孔的實(shí)際位置對(duì)理想位置變動(dòng)量的指標(biāo)。它的定位尺寸為理論正確位置。位置度公差在評(píng)定被測(cè)孔位置的正確性，是依據(jù)設(shè)計(jì)圖上給定的理想位置。如圖1所示，要測(cè)出孔心的實(shí)測(cè)坐標(biāo)值，就必須建立測(cè)量坐標(biāo)系。就該鑄件來講，按圖樣定義建立關(guān)聯(lián)基準(zhǔn)需要反復(fù)測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使基準(zhǔn)逐漸接近理想位置。用這個(gè)方法建立的理想孔心位置為近似值, 所以測(cè)量工件的位置度,在建立測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，以及工件的實(shí)際基準(zhǔn)的采集與模擬，均存在測(cè)量誤差。

在實(shí)際鑄造過程中，由于鑄造誤差的影響，預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件的原始基準(zhǔn)精度較差，為了提高原始基準(zhǔn)的定位精度，可采用精密鑄造及提高鑄造工藝水平，但精密鑄造等級(jí)提高，鑄造成本增加，不利于小批量試驗(yàn)生產(chǎn)。實(shí)際加工中，可通過對(duì)鑄件基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)加工，找正鑄造原始基準(zhǔn)，對(duì)圖樣要求的位置度基準(zhǔn)進(jìn)行精加工。原始基準(zhǔn)通過補(bǔ)加工，提高了基準(zhǔn)的定位精度，保證了零件精加工時(shí)的定位可靠性，減少了因鑄造基準(zhǔn)位置誤差導(dǎo)致的加工精度降低。

2 基準(zhǔn)的建立方法

圖1 預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件孔中心示意圖

位置度測(cè)量中測(cè)量基準(zhǔn)的建立,需結(jié)合工件的裝配及使用條件,在滿足工程部門的使用條件的前提下，建立滿足工件加工及裝配要求的基準(zhǔn)尺寸。在建立基準(zhǔn)時(shí)，首先應(yīng)考慮設(shè)計(jì)條件、制造方法、三坐標(biāo)測(cè)量基準(zhǔn)一致,減少轉(zhuǎn)化測(cè)量基準(zhǔn)造成測(cè)量誤差增大，延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間，導(dǎo)致被測(cè)工件的測(cè)量準(zhǔn)確度的降低。選擇測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)還應(yīng)注意的是，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)加工及測(cè)量的實(shí)際情況,保證檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性及簡(jiǎn)易性。對(duì)形狀及定位較為復(fù)雜的鑄件而言,鑄件的原始鑄造基準(zhǔn)自身存在鑄造誤差，直接在鑄造面采點(diǎn)建立基準(zhǔn)不能準(zhǔn)確反映工件的實(shí)際狀態(tài)。應(yīng)充分考慮鑄造基準(zhǔn)的制造工藝帶來的鑄造誤差，在設(shè)計(jì)測(cè)量工裝時(shí)，選擇穩(wěn)定性高的基準(zhǔn)面定位，盡量使用原基準(zhǔn)采樣，避免轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)帶來的間接誤差，測(cè)量系統(tǒng)在采點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡可能在較大區(qū)域采點(diǎn)，保證采點(diǎn)后系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性。在實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)三基準(zhǔn)的選擇應(yīng)盡量統(tǒng)一。同時(shí)，使用功能的差異、設(shè)計(jì)條件的不同、采點(diǎn)環(huán)境的不同，以及不同測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度的差異都會(huì)影響基準(zhǔn)的誤差[1]。

2.1 預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件簡(jiǎn)介

如圖2所示，預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件最大外徑為φ411 mm，內(nèi)孔直徑為φ338 mm，厚度為25.5 mm，材料為MSRR7040鎳基高溫合金，工件毛坯為整體鑄造，預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件端面上貫穿端面有18個(gè)流道孔，如圖3所示，鑄造流道孔孔徑為φ6.90±0.10 mm，流道孔與鑄造基準(zhǔn)A夾角為20°并沿圓周方向均布排列，流道孔相對(duì)基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B、基準(zhǔn)C的位置度為φ0.50。

圖2 預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件示意圖

圖3 預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件流道孔示意圖

2.2 難點(diǎn)分析

基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B、基準(zhǔn)C的定義如圖4所示?；鶞?zhǔn)A、基準(zhǔn)B均為鑄造基準(zhǔn)，基準(zhǔn)C是由鑄造面間接確立的理論基準(zhǔn)。其中，基準(zhǔn)A為復(fù)合基準(zhǔn)，在直徑φ388 mm的節(jié)圓上，分別由鑄件上的3處鑄造基準(zhǔn)確定理論點(diǎn)A1、A2、A3，以理論點(diǎn)A1、A2、A3為中心、直徑φ5 mm以內(nèi)采點(diǎn)均可作為有效基準(zhǔn)點(diǎn)；基準(zhǔn)B為鑄造內(nèi)孔復(fù)合基準(zhǔn)，在鑄造內(nèi)孔上分別建立理論接觸線B1、B2、B3，為避開根部圓角轉(zhuǎn)接區(qū)域，接觸線B1、B2、B3距離建立的基準(zhǔn)A為2.50 mm；在直徑φ10 mm的理論圓上，確定與鑄造面相切的接觸線C1，C1向中心位置偏移9.2 mm確定基準(zhǔn)C。

圖4 基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B、基準(zhǔn)C示意圖

2.2.1 鑄造基準(zhǔn)不平整，基準(zhǔn)建立誤差較大

鑄造基準(zhǔn)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、鑄造定位基準(zhǔn)制造精度不高。由于鑄造工藝的限制，預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件表面的鑄造基準(zhǔn)精度不高。通過三坐標(biāo)多次建立基準(zhǔn)，鑄造基準(zhǔn)的有效區(qū)域內(nèi)，基準(zhǔn)A在3處基準(zhǔn)的平面度誤差在0.22～0.30 mm左右，基準(zhǔn)B在鑄件內(nèi)孔建立的基準(zhǔn)圓度在0.2 mm左右。鑄件位置度存在多個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)，基準(zhǔn)之間同時(shí)存在采樣誤差，使得整個(gè)基準(zhǔn)的建立及測(cè)量偏離圖樣設(shè)計(jì)目的[2]。

2.2.2 直接用原始鑄造面建立基準(zhǔn)難度大

考慮到基準(zhǔn)建立的準(zhǔn)確性，一般基準(zhǔn)的建立均使用原始基準(zhǔn)，尤其是檢測(cè)對(duì)鑄造基準(zhǔn)不做任何補(bǔ)加工的工件時(shí)，轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致更大的檢測(cè)誤差，但本文研究的預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件，其鑄造基準(zhǔn)與被測(cè)流道孔分別位于工件大端和小端，將零件水平放置，三坐標(biāo)測(cè)針采集完流道孔的內(nèi)孔后，鑄造基準(zhǔn)在流道孔的下端，無法直接采點(diǎn)建立基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B和基準(zhǔn)C。將零件翻面后，使用三坐標(biāo)測(cè)針可直接使用原始鑄造基準(zhǔn)建立基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B和基準(zhǔn)C，無法深入到流道孔中，直接使用原鑄造基準(zhǔn)檢測(cè)流道孔位置度，基準(zhǔn)建立難度較大。

2.2.3 基準(zhǔn)建立的順序不同，表達(dá)的結(jié)果不同

在位置度公差的基準(zhǔn)體系中，建立基準(zhǔn)的先后順序?qū)?shí)際控制結(jié)果影響很大。本文討論的鑄件基準(zhǔn)體系是由3個(gè)單獨(dú)的基準(zhǔn)A、基準(zhǔn)B、基準(zhǔn)C構(gòu)成的基準(zhǔn)組合，在建立基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)充分理解圖樣設(shè)計(jì)意圖，按照一定的先后順序確定基準(zhǔn)體系，提高基準(zhǔn)建立的正確性，使建立的基準(zhǔn)位置固定、唯一。按位置度公差的要求，本文研究的預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件應(yīng)先建立復(fù)合基準(zhǔn)A：在圖樣要求的節(jié)圓上，確定理論點(diǎn)A1、A2、A3，并以這些理論點(diǎn)為中心，圖樣規(guī)定的直徑范圍內(nèi)采點(diǎn)均可作為有效基準(zhǔn)點(diǎn)。再建立復(fù)合基準(zhǔn)B，在鑄造內(nèi)孔上分別建立理論接觸線B1、B2、B3，接觸線必須有效避開基準(zhǔn)A的鑄造轉(zhuǎn)接區(qū)域，最后確定與鑄造面相切的接觸線C1，C1向中心位置偏移固定距離確定基準(zhǔn)C。

2.3 預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件基準(zhǔn)建立

2.3.1 建立C基準(zhǔn)

如圖5所示，用φ10測(cè)量圓與預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件端面槽凹腔的邊沿相切，測(cè)量圓的圓心在φ388的節(jié)圓上，φ10測(cè)量圓與鑄件的邊沿相切形成接觸線C1，接觸線C1向左平移距離9.20形成基準(zhǔn)C。確定接觸線C1時(shí)，應(yīng)注意接觸線距離基準(zhǔn)A的距離控制在2.5 mm以上，避免接觸線C1與鑄件的邊沿的過渡R干涉，從而導(dǎo)致建立基準(zhǔn)C時(shí)產(chǎn)生誤差，基準(zhǔn)C的建立模型如圖6所示。

圖5 基準(zhǔn)C示意圖

2.3.2 建立A基準(zhǔn)

確定基準(zhǔn)C 之后，將基準(zhǔn)C確定的通過中心的基準(zhǔn)線繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)4.198°形成軸線L1，如圖7所示，軸線L1與φ388的節(jié)圓相交，以該交點(diǎn)為圓心，直徑φ5.0接觸圓內(nèi)確定A1。

圖6 基準(zhǔn)C建立模型

圖7 基準(zhǔn)A1、B1示意圖

軸線L1繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°形成軸線L2，軸線L2與φ388的節(jié)圓相交，以該交點(diǎn)為圓心，直徑φ5.0接觸圓內(nèi)確定A2，如圖8所示。軸線L2繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°形成軸線L3，軸線L3與φ388的節(jié)圓相交，以該交點(diǎn)為圓心，直徑φ5.0接觸圓內(nèi)確定A3。

根據(jù)基準(zhǔn)A的設(shè)計(jì)要求,在圖9所示Ⅰ處所示平面上，A1應(yīng)在φ5的接觸圓內(nèi)確定，即在接觸圓內(nèi)任何一點(diǎn)都可以認(rèn)為是A1,采樣測(cè)頭端面以球輔助定位,測(cè)量基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一,用球測(cè)頭與平面的切點(diǎn)確定點(diǎn)A1,用同樣的方法可確定點(diǎn)A2及點(diǎn)A3。點(diǎn)A1、A2、A3的確定與鑄件的鑄造平面狀態(tài)密切相關(guān)，鑄造平面的精度直接影響點(diǎn)A1、A2、A3的位置精度，進(jìn)而影響基準(zhǔn)A的建立精度。

2.3.3 建立B基準(zhǔn)

確定基準(zhǔn)C之后，將基準(zhǔn)C確定的通過中心的基準(zhǔn)線繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)4.198°形成軸線L1，如圖7所示，直徑φ10的測(cè)量圓的圓心在軸線L1上并與鑄件內(nèi)孔R(shí)199相切形成接觸線B1。

圖8 基準(zhǔn)A2、B2、基準(zhǔn)A3、B3示意圖

軸線L1繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°形成軸線L2，直徑φ10的測(cè)量圓的圓心在軸線L2上并與鑄件內(nèi)孔R(shí)199相切形成接觸線B2。軸線L2繞鑄件中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120°形成軸線L3，直徑φ10的測(cè)量圓的圓心在軸線L3上并與鑄件內(nèi)孔R(shí)199相切形成接觸線B3，如圖8所示。如圖10所示，確定接觸線B1時(shí)，應(yīng)注意接觸線距離基準(zhǔn)A的距離控制在2.5 mm以上，避免接觸線B1與鑄件的邊沿的過渡R干涉，B2、B3的建立與B1相同。點(diǎn)B1、B2、B3的確定與鑄件的內(nèi)孔鑄造狀態(tài)密切相關(guān)，鑄造內(nèi)孔的精度直接影響點(diǎn)B1、B2、B的位置精度，進(jìn)而影響基準(zhǔn)B的建立精度。

2.3.4 建立孔的中心線

于基準(zhǔn)C右側(cè)距離40 mm確定理論線M1，于基準(zhǔn)B上方距離188.71 mm確定理論線M2。如圖11所示，理論線M1和理論線M2相交確定點(diǎn)BA，以點(diǎn)BA為旋轉(zhuǎn)中心，將理論線M2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)8°即為孔的中心線，中心線與基準(zhǔn)B的法向距離為193 mm，孔的中心線與基準(zhǔn)A的夾角為20°。

圖9 基準(zhǔn)A建立模型

圖10 基準(zhǔn)B建立模型

3 基準(zhǔn)的誤差修正

圖11 孔中心線示意圖

建立基準(zhǔn)的目的是要把產(chǎn)品的基準(zhǔn)坐標(biāo)系完整地構(gòu)建起來，通過基準(zhǔn)對(duì)多個(gè)自由度的約束，使理論正確尺寸按確定的幾何關(guān)系聯(lián)系在一起作為整體[3]。構(gòu)建預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件基準(zhǔn)時(shí)，根據(jù)基準(zhǔn)體系及確定被測(cè)要素的理論正確位置的3個(gè)理論正確尺寸的方向建立坐標(biāo)系，并與其中2個(gè)基準(zhǔn)成特定角度，建立基準(zhǔn)時(shí)主要存在的誤差及修正方法如下：

由于鑄造誤差的存在，鑄件表面不是非常平整，如圖12所示。建立基準(zhǔn)A時(shí)，在φ5.00的接觸圓內(nèi)，每3個(gè)測(cè)量點(diǎn)構(gòu)建的平面均不重合，基準(zhǔn)構(gòu)建存在隨機(jī)誤差F基準(zhǔn)，確定允許的基準(zhǔn)構(gòu)建誤差因子α為0.1[4]。即：

在φ5的接觸圓內(nèi)，建立點(diǎn)A11、點(diǎn)A12、點(diǎn)A13，評(píng)價(jià)A11、A12、A13在基準(zhǔn)面上的高度誤差，若高度誤差不大于0.05，則取A11、A12、A13中任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)A1；若高度誤差大于0.05，則繼續(xù)建立A14、A15、A16…，直至建立的任意3個(gè)點(diǎn)高度誤差不大于0.05，則取這3 個(gè)點(diǎn)中的任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)A1。用同樣的方法建立接觸點(diǎn)A2、A3，由已確定的接觸點(diǎn)A1、A2、A3建立基準(zhǔn)A。

在φ10切圓與鑄件內(nèi)孔形成的接觸線上，建立點(diǎn)B11、點(diǎn)B12、點(diǎn)B13，評(píng)價(jià)B11、B12、B13在接觸線上的切圓直徑誤差，若切圓直徑誤差不大于0.05，則取B11、B12、B13中任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)B1；若切圓直徑誤差大于0.05，則繼續(xù)建立B14、B15、B16…，直至建立的任意3個(gè)點(diǎn)切圓直徑誤差不大于0.05，則取這3個(gè)點(diǎn)中任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)B1。用同樣的方法建立接觸點(diǎn)B2、B3，由已確定的接觸線上的接觸點(diǎn)B1、B2、B3建立基準(zhǔn)B。

在φ10切圓與鑄件邊沿的接觸線上，建立點(diǎn)C11、點(diǎn)C12、點(diǎn)C13，評(píng)價(jià)C11、C12、C13在接觸線上的切圓直徑誤差，若切圓直徑誤差不大于0.05，則取C11、C12、C13中任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)C1；若切圓直徑誤差大于0.05，則繼續(xù)建立C14、C15、C16…，直至建立的任意3個(gè)點(diǎn)切圓直徑誤差不大于0.05，則取這3個(gè)點(diǎn)中任一點(diǎn)作為接觸點(diǎn)C1，接觸線C1向左平移距離9.2 mm形成基準(zhǔn)C。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件鑄造基準(zhǔn)的建立進(jìn)行研究，對(duì)鑄造基準(zhǔn)的概念進(jìn)行了簡(jiǎn)明闡述，分析了3個(gè)關(guān)聯(lián)基準(zhǔn)間的設(shè)計(jì)要求，提出鑄件基準(zhǔn)的建立方法：在建立基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)基準(zhǔn)的統(tǒng)一；充分理解圖樣設(shè)計(jì)意圖，按照一定的先后順序確定基準(zhǔn)體系，使建立的基準(zhǔn)位置固定、唯一；選擇與設(shè)計(jì)目的最接近的位置度測(cè)量工藝、測(cè)量系統(tǒng)在采點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡可能在較大區(qū)域采點(diǎn)，保證采點(diǎn)后系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性，并通過誤差修正使建立的基準(zhǔn)更加準(zhǔn)確，以達(dá)到預(yù)渦旋封嚴(yán)腹板鑄件基準(zhǔn)建立的目的。

圖12 鑄件表面圖