溫度差下控制活塞外圓精加工尺寸大小的方法

濱州學院 張寶國

1 概述

隨著環保意識的提高，對內燃機排放有了更高的要求，活塞作為內燃機的關鍵零件，其外圓形線越來越復雜，外圓直徑加工精度要求也越來越高。鋁合金活塞的外圓直徑的檢測應在恒溫20℃條件下進行，由于一年四季氣候的變化，晝夜溫差較大等原因，在沒有恒溫車間的條件下，給活塞精車外圓工序的外圓直徑尺寸控制造成一定困難。例如某些機型活塞（如圖1所示）體積小、壁薄，尺寸公差要求嚴格，DN點直徑?D-0.025-0.055，以公差0.01mm為一組，分為三組，而主機廠供貨要求外圓Ⅰ組即?D-0.025-0.035的占70%以上。操作人員發現在車間溫度(約25℃)時加工出的該機型活塞，在恒溫(20℃)下測量時變化約0.006mm，而且隨著車間氣溫的逐漸升高，這一矛盾會十分突出。如何消除溫差對外圓尺寸的影響，使最終檢測尺寸接近于實際值，是急需解決的問題。

在實際生產中，許多中小企業由于自身條件的限制，在無法更換高精尖設備的情況下，摸索出一些比較實用的方法來消除溫差對活塞直徑測量的影響。

2 同材質對規測量法

在大批量、連續生產過程中，為提高測量效率，活塞外圓直徑的測量不是用千分尺直接測量，而是用一個標準量儀與之比對測量，此種方法就是以對規（如圖2所示）為基準，測量活塞與對規直徑的差值。為使室溫偏離標準溫度時，對規與被測工件尺寸變化量基本一致，最好對規與被測工件材料相同、結構近似。測量時應將對規、被測活塞樣件和測量儀器置于同一環境溫度下恒定一段時間后進行。圖示薄壁活塞結構比較復雜，對規不可能與其結構相同或相似，只能要求對規的壁厚要與活塞裙部平均壁厚基本相同，這樣可以消除活塞與對規在溫度差下的膨脹差值。對規的材料要與活塞的材料相同，采用一樣材料，避免了不同材料的線膨脹差不同的問題，活塞的材料一般是ZL109，材料特性是硬度低、不耐磨，為提高對規的耐磨性和使用時間，在對規外圓上鍍上一層鉻或作其他硬化處理，缺點是制作工藝復雜、成本高。

圖1 活塞

圖2 對規

3 公式修正法

鋼制對規熱處理后硬度高、耐磨性好、使用壽命長。缺點是鋼制材料對規與活塞鋁合金的線膨脹系數差別較大，在室溫偏離標準溫度時，活塞與對規的尺寸變化量相差很大，如果不進行校正，可能使生產線操作工、檢驗員的判斷出現較大偏差，造成誤判、錯判，甚至引起顧客抱怨。采用鋼制對規比對測量時的誤差校正，需要技術人員采集不同溫度下的數據，利用Minitab軟件處理數據，找出活塞、對規直徑差值的變化規律，比較費時。Minitab軟件是一款專用的統計技術數據處理軟件，它的核心功能就是數據分析和圖形分析以及趨勢預測。下面我們利用此款統計分析軟件，找出活塞與對規的直徑差值隨溫度變化的規律。表1是某型號活塞與其對規在不同溫度下直徑的差值。

表1 某型號活塞測量數據 (單位：mm)

把表1中的與20℃的溫度差(X)、直徑差值(Y)兩列數據輸入Minitab16軟件工作表中，點擊Minitab16中菜單：統計→回歸→擬合曲線圖，得出以下統計數據和擬合曲線圖（如圖3所示）。

從圖3所示可以看出：直徑差值隨溫度的變化基本接近線形變化，其變化規律即回歸方程：差值=0.000315+0.000945*溫度差，根據回歸方程與外圓對規的膨脹系數，我們就可以修正非標準溫度下活塞直徑的測量誤差。

在非標準溫度下（標準溫度指20℃），因熱脹冷縮會導致不同材質之間比對測量產生測量誤差，為了減小測量誤差，需針對每個活塞品種，經試驗得到相應的修正系數，建立數據庫備查，通過手工修正或相應的數據庫自動修正。由于以上試驗需要采集的數據較多，恒溫時間也比較長，一般只對批量大，長時間在線加工的品種進行。小批量的品種，根據我們已做過的其它品種的試驗，其修正值近似的按以下通用經驗公式進行修正（注意正負號，高于20℃為負值，低于20℃為正值）：

圖3 擬合線圖

修正值=7.98×10-6×被測直徑×(20℃－實際溫度) (單位mm)

4 結論

活塞在非標準溫度下控制測量誤差的方法，一是采用同材質的測量對規，此種方法簡單、成本低，缺點是對規制造成本高；二是采用鋼制對規，通過Minitab軟件找出鋼制對規在不同溫度差下與活塞直徑差的變化規律，通過公式來修正，采用此種方法需要采集試驗數據較多，大批量加工時適合使用。企業在生產過程，要根據加工條件、批量大小，采用簡單、可靠的控制方法。

引文

①張艷花等.Minitab軟件在計量數據管理中的應用[J].計量技術,2010(8):66-68.

②劉立明.活塞銷孔和外圓直徑檢測在非恒溫條件下的校正[J].內燃機配件,2005,12(2):47-48.

③孟淑琴.高溫差下活塞外圓精加工尺寸控制[J].內燃機配件,2005,13(4):15-16.

④朱愛民,張建志.測量不確定度的實際應用[J].計量技術,2005(5):49-52.

⑤王蔚晨等.高精度活塞直徑測量的新進展[J].計量學報,2006(9):77-79.