大型零部件的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)探究

張威

（上海浦東三馮金屬制品有限公司，上海 201313）

質(zhì)量檢測(cè)就是對(duì)產(chǎn)品的一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量特性，如力學(xué)性能、外觀缺陷度、尺寸誤差等進(jìn)行觀察、測(cè)量、試驗(yàn)，并將檢測(cè)結(jié)果與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行比較，以確定每項(xiàng)質(zhì)量特性合格的技術(shù)性檢查工作。檢測(cè)的意義在于讓零件或產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，從而達(dá)到使用需求。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于燃?xì)廨啓C(jī)尾端熱氣輸出部件，其主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用板、鍛組合裝焊成型一體化錐桶狀結(jié)構(gòu)，即由一個(gè)錐形內(nèi)筒，一個(gè)錐形外筒和三根橢圓之撐管穿插在內(nèi)筒與外筒之間構(gòu)成一體的主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包括9 根鍛件環(huán)形法蘭、6 節(jié)筒身圓柱環(huán)、3 根支撐管，主體結(jié)構(gòu)材料皆采用奧氏體耐高溫材料牌號(hào)347SS（對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)牌號(hào)06Cr18Ni11Nb）。

2 燃?xì)廨啓C(jī)部件質(zhì)量檢測(cè)

該燃?xì)廨啓C(jī)部件的檢測(cè)項(xiàng)目有許多，選取了幾項(xiàng)關(guān)鍵檢測(cè)內(nèi)容進(jìn)行敘述，具體有力學(xué)性能檢測(cè)、液體滲透檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、目視檢測(cè)等，具體內(nèi)容如下所示。

2.1 力學(xué)性能檢測(cè)

指標(biāo)要求如表1 所示，檢測(cè)設(shè)備為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，經(jīng)檢測(cè)，該部件的抗拉強(qiáng)度為645Mpa；屈服強(qiáng)度為265Mpa；斷后延伸率為58%。均大于標(biāo)準(zhǔn)，故符合要求。

表1 力學(xué)性能檢測(cè)指標(biāo)

2.2 液體滲透檢測(cè)

液體滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為：顯示長(zhǎng)度≤1/2T 或1.6mm 孰小，且不是可見裂縫（T=焊縫厚度）；不允許線性顯示；不允許大于1/2T 或最大4.8mm 的圓型顯示；邊與邊之間不允許連續(xù)出現(xiàn)多于4 個(gè)距離小于1.6mm 的圓型顯示。

其中，線性顯示是指長(zhǎng)度大于寬度3 倍的顯示。圓形顯示是指長(zhǎng)度小于或等于3 倍寬度的圓形或橢圓形缺陷顯示。不連續(xù)性缺陷顯示很可能比實(shí)際的不連續(xù)性缺陷大，然而評(píng)定是以缺陷顯示的尺寸，而不連續(xù)性缺陷的實(shí)際尺寸不作為合格或判廢的依據(jù)。

選用的檢測(cè)設(shè)備為DP-T 新美達(dá)滲透劑。表面機(jī)械不連續(xù)性將由滲透劑滲出所顯示，然而，由機(jī)械劃痕或其它表面條件引起的局部表面不規(guī)則可能會(huì)產(chǎn)生與不合格缺陷檢測(cè)無關(guān)的相似顯示。凡認(rèn)為可能是非相關(guān)的顯示，均應(yīng)被視為是缺陷并進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，以確定是否是真正的缺陷，復(fù)驗(yàn)前可進(jìn)行表面修整，非相關(guān)顯示和大面積的著色將掩蓋不合格缺陷顯示。經(jīng)檢測(cè)，被檢測(cè)焊縫表面及熱影響區(qū)無超標(biāo)缺陷。

2.3 超聲波檢測(cè)

2.3.1 判定標(biāo)準(zhǔn)

如果超聲波波幅超出了由校準(zhǔn)試塊（用于按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)程第V 節(jié)第5 條或ASTME164-03 的規(guī)定執(zhí)行焊縫超聲波檢驗(yàn)）建立的基準(zhǔn)級(jí)，且長(zhǎng)度超出以下限時(shí)，是不能通過驗(yàn)收的：

(1)t＜19mm；

(2)t 在19～57.2mm 之間；

(3)t＞57.2mm；

(4)顯示為裂紋、未焊透、未熔合等缺陷。無論長(zhǎng)度，均不能通過驗(yàn)收。

注明：t 為焊縫厚度，或部分厚度不等的部件對(duì)接時(shí)較薄部件的厚度。

2.3.2 檢測(cè)過程

設(shè)備采用US-33&US-36 超聲波探傷儀器。檢測(cè)焊縫寬度與兩側(cè)熱影響區(qū)。通常情況下應(yīng)將焊縫余高掉，去除余高后焊縫表面應(yīng)于母材保持平整，其表面粗糙度不應(yīng)超過6.3μm。對(duì)保留余高的其焊縫和熱影響區(qū)應(yīng)無咬邊、氣孔、夾渣等影響檢測(cè)的缺陷，并均須經(jīng)目視檢驗(yàn)合格才可申請(qǐng)檢測(cè)。探頭移動(dòng)區(qū)根據(jù)被檢工件的厚度及采用的探頭角度確定，范圍應(yīng)≥1.25P/0.75P（P＝2TK ，T:工件厚度、K：tanβ，β 為探頭折射角），整個(gè)探頭移動(dòng)范圍內(nèi)表面粗糙度不應(yīng)超過6.3μm。在檢測(cè)焊縫前須用1～5MHZ 的雙/單晶直探頭，在焊縫兩側(cè)斜探頭移動(dòng)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。方法和要求參照ASMESA-435《鋼板超聲直射波檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。檢測(cè)時(shí)將工件完好部位底面回波的75%屏高，當(dāng)母材內(nèi)部出現(xiàn)缺陷信號(hào)時(shí)，應(yīng)劃出缺陷區(qū)域，以便在檢測(cè)焊縫時(shí)考慮它的影響，但是這些檢查不作為對(duì)母材判廢的依據(jù)?？v向缺陷檢測(cè)探頭放置方向與焊縫垂直，在焊縫左右兩側(cè)作鋸齒型掃查，探頭前后移動(dòng)的距離應(yīng)保證聲束掃查到整個(gè)焊接接頭截面及熱影響區(qū)。掃查時(shí)，探頭還應(yīng)作10°～15°的轉(zhuǎn)動(dòng)。為確定缺陷位置、方向、形狀，觀察動(dòng)態(tài)波形或區(qū)分缺陷波與偽信號(hào)，可采用前后、左右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞等四種探頭掃查方式。經(jīng)檢測(cè)，被檢測(cè)焊縫內(nèi)部無超標(biāo)缺陷，合格。

2.4 焊縫表面目視檢測(cè)

2.4.1 判定標(biāo)準(zhǔn)

每條焊縫需要對(duì)其進(jìn)行焊前、焊中和焊后三道檢，具體要求如下：（1）外觀：焊縫應(yīng)由良好的外型，符合規(guī)定的焊縫尺寸，在表面和根部余高處應(yīng)無尖銳的缺陷，焊接對(duì)飛濺和殘余點(diǎn)焊應(yīng)清除干凈，焊渣應(yīng)清理干凈。（2）角焊縫尺寸公差，根據(jù)角焊縫的尺寸，其公差與附加允許值如表2 所示。

表2 角焊縫尺寸公差要求

（3）偏移公差，根據(jù)截面厚度的不同，其最大偏移量如表3 所示。

表3 偏移公差最大偏移量

（4）機(jī)加工后暴露的焊接缺陷_主要為氣孔與夾渣尺寸，詳見表4。

表4 最大允許氣孔或夾渣尺寸

2.4.2 檢測(cè)過程

檢測(cè)設(shè)備選用白光照度計(jì)、手電筒、內(nèi)窺鏡和焊縫規(guī)，操作中眼睛離被檢表面不超過610mm，視角不小于30℃。在特殊的位置采用反光鏡來改善觀察視角角度。具體的被檢零件表面如果自然光源達(dá)不到要求可采用輔助光照，至少要1000Lux 以上的強(qiáng)度。遠(yuǎn)距離目視檢驗(yàn)，在某些特殊情況，只能使用遠(yuǎn)距離目視檢驗(yàn)來替代直接目視檢驗(yàn)?？梢允褂梅垂忡R，內(nèi)窺鏡，相機(jī)等來進(jìn)行檢驗(yàn)，這些設(shè)備必須有足夠的清晰度來用直接觀察。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)品焊縫外觀、焊角尺寸和熱影響區(qū)經(jīng)目視檢測(cè)，合格。

3 檢測(cè)難點(diǎn)描述

本項(xiàng)目中的零部件尺寸較大，高4726.4mm，最大直徑4789.9mm，壁厚較薄、剛性較差。對(duì)于圖紙內(nèi)一些形位公差尺寸數(shù)據(jù)的測(cè)量無法采用常規(guī)量具和CMM 三坐標(biāo)機(jī)床對(duì)其檢測(cè)。形位公差即形狀和位置公差，是對(duì)機(jī)械零件在加工或裝配過程中幾何要素的形狀與位置誤差的限制，是除尺寸公差以外評(píng)定機(jī)械零件質(zhì)量的另一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)過程中，正確選擇形位公差項(xiàng)目以及合理地確定形位公差數(shù)值，不僅直接影響到機(jī)器使用性能和質(zhì)量，而且關(guān)系到零件加工的難易程度和成本高低。結(jié)合表5 列出關(guān)鍵形位公差要素CTQ 1-7 的測(cè)量要求。因零件尺寸過大，受CMM 三坐標(biāo)儀測(cè)量設(shè)備測(cè)量量程限制無法檢測(cè)，將影響到產(chǎn)品的最終交付，因此需要制訂新的測(cè)量方案。

表5 形位公差要素

4 形位公差測(cè)量新方案與方案驗(yàn)證

針對(duì)該零部件的測(cè)量難題，制定了新測(cè)量方案，即通過加工機(jī)床代替CMM 三坐標(biāo)測(cè)試儀器，并用位置度計(jì)算公式來分項(xiàng)測(cè)量結(jié)果，然后套入計(jì)算公式來實(shí)現(xiàn)滿足客戶圖紙數(shù)據(jù)指標(biāo)。同時(shí)，選擇較小的工件來驗(yàn)證方案的有效性，和準(zhǔn)確性。具體選取了CTQ1-7 中的CTQ2 與CTQ7 與兩個(gè)測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行方案闡述，詳細(xì)內(nèi)容如下。

4.1 形位公差測(cè)量方案

4.1.1 位置度CTQ2

利用加工機(jī)床代替CMM 三坐標(biāo)測(cè)量形位公差，其中位置度CTQ2 直徑Φ1665.7mm，位置度要求為3.0mm。位置度公式如公式（1）所示：

式中，fx=x實(shí)測(cè)值- x理論值，fy=y實(shí)測(cè)值- y理論值而x、y 的理論值就是被測(cè)尺寸在a,b,c 三個(gè)基準(zhǔn)方向的距離或者角度。測(cè)量設(shè)備采用百分表、塞尺、加工機(jī)床HBMSF-063，檢驗(yàn)操作步驟如下：第1 步：產(chǎn)品掉到機(jī)床回轉(zhuǎn)平臺(tái)中，后端C 基準(zhǔn)與平臺(tái)接觸，被測(cè)法蘭面在上；第2 步：百分表校調(diào)第1 基準(zhǔn)B（外圓基準(zhǔn)）到0～0.25mm 以內(nèi)；（注明：校調(diào)范圍取圖紙中最小的位置度1/2 作為最大值）。第3 步：百分表校調(diào)第2 基準(zhǔn)A（平面基準(zhǔn)）到0～0.25mm 以內(nèi)，此時(shí)機(jī)床數(shù)控程序已經(jīng)建立好產(chǎn)品實(shí)際坐標(biāo)系；第4 步：機(jī)床測(cè)出第1 基準(zhǔn)中心到被測(cè)外圓半徑平均值x=832.36mm，則偏差Fx=x實(shí)測(cè)值-x理論值=832.36-832.85=-0.49mm；第5步：機(jī)床測(cè)出第2 基準(zhǔn)面距被測(cè)法蘭面高度平均值Z=0.23mm，則偏差Fz=z實(shí)測(cè)值-z理論值=0.23-0=0.23mm；第6 步：根據(jù)位置度計(jì)算公式得到圓位置度結(jié)果為TP=1.36mm。結(jié)論判定：符合圖紙要求的3.0mm 要求，合格。

4.1.2 位置度CTQ7

位置度7 的直徑Φ1595.63mm，孔22.22 位置度要求為0.76mm。位置度計(jì)算公式（即公式（1））與測(cè)量設(shè)備同位置度CTQ2，檢驗(yàn)操作步驟如下：第1 步：產(chǎn)品掉到機(jī)床回轉(zhuǎn)平臺(tái)中，后端與平臺(tái)接觸，被測(cè)法蘭面在上；第2 步：百分表校調(diào)第1 基準(zhǔn)A（外圓基準(zhǔn)）到0～0.25mm 以內(nèi)；（注明：校

4.2 方案驗(yàn)證

在一件結(jié)構(gòu)相似體型較?。ㄖ睆?50mm，高度940mm）的工件上做對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證位置度計(jì)算公式的有效性和機(jī)床與CMM 之間系統(tǒng)性誤差結(jié)果。位置度計(jì)算公式如公式（2）所示：

如圖1 所示，將完工產(chǎn)品A 送到CMM 三坐標(biāo)檢測(cè)中心，測(cè)出所有形位公差結(jié)果。其中序號(hào)23 為經(jīng)過CMM測(cè)繪軟件得出的計(jì)算結(jié)果：形位公差位置度TP=0.068mm。

圖1 CMM 位置度測(cè)繪軟件序號(hào)23 計(jì)算結(jié)果

為驗(yàn)證位置的計(jì)算公式的有效性，把序號(hào)23 中X 軸向尺寸偏差結(jié)果0.008 代入公式fx中，Z 軸向尺寸偏差結(jié)果0.033mm 結(jié)果代入fy中，通過公式算出結(jié)果為TP=0.06791（保留3 位小數(shù)即0.068mm），公式計(jì)算結(jié)果與CMM 軟件測(cè)量?jī)x器結(jié)果一致。對(duì)尺寸而言，序號(hào)23 中X、Z 軸向尺寸偏差值分別是指被測(cè)孔角度尺寸偏差和高度尺寸偏差，該兩處尺寸可以通過常規(guī)量尺或加工機(jī)床測(cè)得結(jié)果實(shí)值。如圖2 所示，將完工產(chǎn)品B 送到CMM 三坐標(biāo)檢測(cè)中心，測(cè)出所有形位公差結(jié)果。其中序號(hào)15 為經(jīng)過CMM 測(cè)繪軟件得出的計(jì)算結(jié)果：形位公差位置度TP=0.27mm。為驗(yàn)證位置的計(jì)算公式的有效性，把序號(hào)15中X 軸向尺寸偏差結(jié)果0.107 代入公式fx中，Z 軸向尺寸偏差結(jié)果0.083mm 結(jié)果代入fy中，通過公式算出結(jié)果為TP=0.27083（保留2 位小數(shù)即0.27mm），公式計(jì)算結(jié)果與CMM 軟件測(cè)量?jī)x器結(jié)果一致。

圖2 CMM 位置度測(cè)繪軟件序號(hào)15 計(jì)算結(jié)果

通過上述兩例驗(yàn)證表明，位置度計(jì)算公式成立有效，可以代替CMM 測(cè)量軟件計(jì)算功能。對(duì)于大件采用機(jī)加工機(jī)床硬件測(cè)量，加上計(jì)算公式輔助計(jì)算，能有效的完成大件形位公差檢測(cè)工作。

結(jié)束語

針對(duì)大尺寸零部件形位公差的檢測(cè)，本文制定的機(jī)床代替CMM 三坐標(biāo)測(cè)量形位公差方案大幅度降低了大件產(chǎn)品檢測(cè)成本、產(chǎn)品制造工時(shí)，并補(bǔ)償了檢測(cè)設(shè)備的短缺之處。項(xiàng)目竣工后，順利通過客戶的驗(yàn)收?？蛻魧?duì)制造過程工序的把控和質(zhì)量驗(yàn)收方案非常認(rèn)同。后續(xù)，在開發(fā)類似項(xiàng)目都按照相同形位公差測(cè)量方案執(zhí)行，皆順利驗(yàn)收交付。希望該測(cè)量方案能為有關(guān)單位帶來參考。