溫度對大型工件測量準確性的影響及對策分析

陳文光

天津海博斯機電設備有限公司 天津 300410

隨著工程設備功率的不斷提高，機械部件的尺寸也不斷加大。在加工及檢測方面，大型工件與普通機械零件相比，存在以下不同之處。

（1）大型工件尺寸及質量遠遠高于普通機械零件，工件在機床上的固定和調整更復雜，導致工件安裝和拆卸用時更多。

（2）加工大型工件的機床體積龐大，與其配套的廠房空間面積也大。若為保證加工精度而將廠房建為恒溫車間，則空調設備投資大，日常運行的能源消耗也大。

（3）將半成品加工件或成品加工件轉往精密測量區域時，工件的吊裝及搬運復雜，一旦在精密測量區域的檢測不合格，則工件不得不進行“二次裝夾修復”，存在質量風險，所以大型工件的檢測方式更傾向于機床在線檢測。

▲圖1 現場測量過程三要素

1 現場測量過程三要素及影響程度

在大型工件加工現場對產品進行檢測，影響測量結果準確性的因素很多，對這些因素進行總結，可以發現有3個因素的影響最為明顯，即量具精度、溫度和操作技能，稱之為現場測量過程三要素，如圖1所示。

在測量過程中，隨著被測尺寸的增大，測量過程三要素對測量準確性的影響程度也是不一樣的。如圖2所示，當被測尺寸小于300mm時，對測量準確性影響最大的因素是操作技能，溫度引起工件和量具的熱變形很小，同時量具的精度因科技水平的提高，可以始終保持在一定的精確范圍內。同樣，當被測尺寸大于500mm時，對測量準確性影響最大的因素為溫度，由溫度而引起的工件與量具尺寸熱變形越來越大，尤其當工件和量具不是同一種材料時表現得更加明顯。而操作技能可以通過培訓進行改善，它對測量準確性的影響在大尺寸范圍內逐漸減弱。

2 熱變形測量誤差產生的原因

產生熱變形測量誤差的根本原因與機械制圖標注尺寸的默認條件有關，由于圖紙尺寸默認的測量條件為20℃和1個標準大氣壓，在這個默認條件下，無論工件采用何種材料，只要工件與量具均保持在20℃下并且等溫，那么測量出來的結果就是機械制圖標注尺寸的真實值。

在生產現場，通過對圖紙默認條件的進一步分析，認為下列兩種情況與圖紙默認條件是等效的。

▲圖2 測量過程三要素對測量準確性的影響程度

（1）工件和量具均在20℃恒溫測量室內恒溫后進行測量，與材料是否相同無關。

（2）工件和量具在非20℃條件下，但是工件和量具的材質相同，并且工件和量具經過有效等溫處理后，雙方溫度完全一致。

但是，在大型工件現場測量時，符合上述等效條件的測量環境是很少的，因為它受到測量工時、材料選擇及冷卻時間等多方面現實因素的影響。所以只要測量條件不滿足上述等效情況，則測量時一定存在溫度造成工件和量具不同熱變形的現象，并且熱變形的差值一定影響到測量的準確性，使測量結果偏離了真實值，導致對工件合格與否的錯誤判斷。

隨著產品精度的提高和更多非鋼鐵類材料的應用，熱變形測量誤差的影響已經變成了一個不容忽視的因素，甚至成為影響產品質量的關鍵要素。根據資料統計，在20世紀后期，隨著測量技術及儀器的提高，熱變形測量誤差占現場測量總誤差的50%。

3 熱變形對測量準確性的影響

熱變形測量誤差可被細分為如下兩種與溫度有關的狀況。

3．1 實測溫度與20℃之差T測量-20

假設工件與量具等溫，大型工件在非20℃條件下測量時，如果工件與量具材質相同，則不存在熱變形對測量準確性的影響，也就是無T測量-20對測量準確性的影響；如果工件與量具并非同一種材質，即使已經確保工件與量具等溫，仍一定存在T測量-20對測量準確性的影響，該影響是由不同材料的熱膨脹系數決定的。

3．2 測量時工件與量具的溫度之差T工件-量具

無論工件與量具材質是否相同，一旦量具與工件的溫度不相同，則必然會出現T工件-量具對測量準確性的影響，該影響是因為工件與量具不等溫時二者會出現熱變形之差，該差值可為正值，也可為負值。

在生產現場，絕大部分的量具是由碳素工具鋼制造的。當工件采用不同材料時，熱變形對測量準確性的影響也是完全不同的。

（1）若工件材料為碳鋼，則車間內溫度對測量準確性無影響，因為當工件與量具材質相同時，相同的熱膨脹系數能確保工件與量具按相同的變形量隨溫度變化。

（2）若工件材料為鑄件、不銹鋼3Cr13，則車間內溫度是否為20℃，T測量-20對測量準確性有影響，但是這個影響占次要因素，因為工件與量具的熱膨脹系數差值不大。

（3）若工件材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti、工程用銅和鋁合金時，則車間內溫度是否為20℃，T測量-20都對測量準確性影響很大，因為工件與量具的熱膨脹系數差值較大。

▲圖3 不同熱變形而導致測量誤差的因素

綜上所述，大型工件在車間進行測量時，為了避免熱變形對測量準確性的影響，工件與量具之間的溫度差是必須要考慮的因素。而車間溫度是否需要恒溫至20℃，則依據工件與量具的熱膨脹系數的差值來酌情考慮。對于工件與量具是同等材質的情況（如加工鋼制工件），根本不需要考慮車間恒溫至20℃的問題。

4 加工現場避免熱變形測量誤差的對策

引起熱變形測量誤差的根源是在非20℃狀況下測量時，由溫差和材質引起的量具與工件的不同熱變形而導致的，如圖3所示。根據熱變形測量誤差產生的原因，可以采用以下兩種對策來避免熱變形測量誤差。

4.1 等溫變形法

等溫變形法是目前加工現場最普遍使用的對策，當量具與工件材料相同時，加工現場只需要將工件與量具等溫即可，等溫過程就是將被測工件和量具（包括標準器）置于同一溫度下經過一段時間、使兩者與周圍溫度一致的過程。

等溫在空氣中進行，也可以在大鑄鐵平板上進行，等溫時間與兩者的溫度差、熱容量和周圍介質的熱導性能有關。對于體積較大的工件需24h等溫，這是因為工件內部的溫度總是滯后于表面和室內的溫度。

同時，為了避免操作時人的體溫對量具的影響，還要采取如下措施。

（1）測量時帶手套，隔開手與量具的直接接觸。

（2）使用千分尺時，必須握住絕熱墊，當發現手熱量已傳遞到千分尺上，應將其放置一定時間再使用。

等溫變形法的優缺點：等溫變形法易于理解，操作簡單。但是當工件材質與量具材質不相同時，將工件與量具進行等溫（非20℃情況下）并不能解決熱變形造成的測量誤差，這種情況在以銅、鋁為材料的工件上表現得尤為明顯。

此外，迫于工時、交貨期等影響，并不能等待足夠長的時間確保工件與量具等溫，當工件尺寸龐大但等溫時間較短時，會出現大型工件表面與量具同溫，但是工件內部溫度仍然不等溫于量具的現象，此時測量的結果仍然包括熱變形誤差。

4.2 溫度修正法

溫度修正法是將測量時因熱變形而造成測量誤差的數值進行計算，并將該計算結果補償到現場測量的數據中，以達到消除熱變形測量誤差的目的。

溫度修正法的應用常常依賴于資深現場加工人員的經驗或企業若干次加工后積累出來的數值，當工件與量具材料相同時，這個經驗或積累的數值很有效，當工件與量具材料不相同時，人們的經驗和積累的數值其效果就很有限了。

溫度修正法依托越來越具有強大功能的手持式數據處理設備，伴隨著對熱變形測量誤差的細致分析，它將逐漸成為大型工件熱變形測量誤差的主要解決方案。溫度修正法數據處理器是一種手持式設備，它將量具和工件在實際環境下測到的數值，通過數學模型和數據庫分別將兩者的溫度變化值進行計算，從而得到相對變形量△L，△L就是熱變形測量誤差。

在國外，低膨脹系數碳纖維量具在現場檢測大型工件中，已被廣泛使用。它不僅采用了溫度修正法原理，還利用碳纖維復合材料的特點，解決了大型量具的整體強度及操作的便捷性，提高了量具的測量精度。

5 結論

隨著加工工件的尺寸不斷擴大和生產企業成本控制的日益嚴格，采用等溫變形法的測量方式將越來越不能滿足客戶對質量的要求，同時也不能滿足生產企業對成本的苛求，所以溫度修正法將逐漸成為大型工件熱變形測量誤差的主要解決方案。

（1）采用溫度修正法原理，會大幅提高現場檢測的精度，減少或消除熱變形對測量準確性的影響?？梢栽跈C床上進行快速而準確的檢測，不需要將工件從機床上拆卸后送往測量場地進行檢驗，避免了若檢驗不合格后、工件進行二次加工時重復定位的風險，降低了返修的難度。

（2）采用了溫度修正法原理，產品進行在線檢測時不需要再進行量具與工件等溫的操作過程，可以快速測量產品尺寸，消除了機床因等待量具與工件等溫過程所消耗的時間，提高了機床利用率。

另外，可以放寬車間精密加工時對恒溫程度的苛刻要求，減少恒溫車間空調系統所消耗的能源，并減少新廠房投資時恒溫系統的投資費用。