非恒溫環境下孔徑尺寸控制

舒森

摘要：本文基于某型號柴油機連桿大頭孔加工，分析非恒溫環境對連桿孔徑造成的誤差，尋求簡單可靠、操作方便的方法來控制孔徑尺寸。

關鍵詞：非恒溫環境;測量控制;連桿孔徑尺寸控制

0 ?引言

金屬加工中對于精度要求較高的產品一般需要在恒溫環境下進行，對于恒溫環境而言選用合適的刀具和資質符合要求的人員很容易將尺寸準確的控制。但多數中小型企業只能提供一般的非恒溫作業環境，包括非恒溫車間、非恒溫機床，事實表明在該條件下加工的產品精度會受到極大的影響，導致產品質量穩定性下降，在加工大尺寸的工件時更為顯著。部分企業采取強制縮小公差帶寬來進行尺寸控制，能夠在一定程度上提升產品質量，但其成倍的增加了加工成本甚至是犧牲加工效率，該方法可取性并不高。

1 ?描述

本文以加工某型號連桿大頭孔為研究對象，該連桿大頭孔尺寸在220附近，公差等級H6為：屬于大孔加工。較為科學合理的加工方式為鏜削，工藝流程為：①半精鏜刀半精加工→②縮小精鏜刀試切削5mm深→③以標準圈校調量缸表→④測量試切孔徑→⑤根據試切孔徑調節精鏜尺寸→⑥精鏜刀精鏜孔→⑦測量→⑧三坐標→⑨鉗工→⑩成品檢查入庫。本文所論述的產品加工條件為非恒溫車間，非恒溫機床，使用水溶性切削液，同時采用內徑千分表（量缸表）及標準圈作為測量手段。按此工藝流程在進行到步驟⑩成品檢查工序時筆者發現連桿成品孔徑與加工時所控制的連桿孔徑存在差異（以下統稱尺寸變化量）。

2 ?溫度影響分析

因觀察發現尺寸變化量隨季節變化呈現出交替變化的規律，故對工件加工日期與尺寸變化量進行了初步統計分析（如圖1），從圖中可以看出在6-9月之間尺寸變化量明顯大于其它月份。在加工過程中標準圈的溫度始終與車間環境溫度接近，而步驟④測量試切孔時連桿是處于被切削液噴淋過的狀態，標準圈與連桿孔所處環境不同，又無恒溫裝置，兩者間產生了溫差，此時做測量勢必會形成誤差。而6-9月為高溫季節，切削液的蒸發吸熱性更強，加上風扇的使用，所形成的溫差便更大，根據熱膨脹公式“尺寸變化量δ=熱膨脹系數*基礎尺寸*ΔT”可知尺寸的變化量也就更大。

雖有熱膨脹公式，但材料熱膨脹系數并不是一個常數，同一種材料也會隨其內部晶粒結構等影響而改變，同時還會隨溫度改變而逐漸變化，而且加工時工件被噴淋過程中溫度并非均勻整體變化，工件外形也非標準規則的，故按理論公式計算很難與實際相符。為更精確的分析溫度帶來的影響，在不同的環境氣溫下隨機抽取連桿進行統計測量，在加工前記錄環境溫度，在步驟⑩成品交檢時記錄尺寸變化量，并生成尺寸變化量與環境溫度散點圖（如圖2）。從圖中可以看出在一段環境溫度內尺寸變化量的變化趨勢比較穩定，在到達約26℃后尺寸變化量的變化趨勢比較明顯。且尺寸變化量與環境溫度并非成簡單正比關系，略顯示出多階次變化。

3 ?孔徑控制方法分析

3.1 擬合公式法控制

如前所述不能用理論公式進行計算，可考慮基于大量實際數據分析得出尺寸變化量隨環境溫度的變化趨勢，在實際加工時只需參照尺寸變化量對孔徑進行預先修正便可保證產品質量。此時需要先確認同一車間溫度下尺寸變化量的穩定性，如果穩定性太差，則會形成較大誤差。為此每隔3度采集同一溫度下對應尺寸變化量及溫差，生成散點圖（如圖3），從圖3中可以看出環境溫度越高，溫差波動性越大，在13度時最小波動為0.05度，在35度時最大波動范圍為0.4度，故其可能形成的誤差最小為0.05/0.6=8.3%，最大為0.5/3.3=15.15%，因最大尺寸變化量約為0.012，故其最大誤差為0.012*0.151=0.0018，在一般精度要求中也是完全可以接受的。

按前述統計方法獲取尺寸變化量與環境溫度數據后，利用MINITAB的擬合功能對尺寸變化量與環境溫度進行分析，得出尺寸變化量Y與環境溫度T的回歸擬合方程：Y=-0.0207+0.0032*T2+0.000002*T3（如圖4），因其R-Sq為97.3%，故回歸方程可信，但會增加微小誤差。在得出擬合方程后則可提前計算出當前要加工工件所處環境溫度下的孔徑尺寸變化量，加以預先控制即可。

說明：該擬合公式僅是本文所論述產品在其特定加工環境下所形成的，讀者不可照搬，受材料、切削液濃度、空氣濕度、工件表面空氣流速等各因素影響其擬合方程可能會有很大差異。

3.2 溫差控制法

3.2.1 溫差控制

因溫差為造成尺寸變化量的直接原因，故可直接縮小標準圈與工件的溫差來達到控制尺寸精度的目的，為此設計如圖5專用工裝。

工裝說明：要求標準圈可置于工裝上同時可被切削液澆注，以此來減小工件與標準圈間的溫差。同時在平面2上可融納另一連桿目的是為了延長其被切屑液澆注的時間從而進一步縮小標準圈與連桿之間的溫差。

3.2.2 孔徑控制效果

由于標準圈一直處于切削液噴淋狀態，與工件噴淋持續時長不等，因此需要分析標準圈冷卻時間長短帶來的測量誤差。在環境溫度最高時采用專用工裝正常加工連桿，每隔一段時間記錄一次標準圈孔徑（如表1），生成孔徑隨時間變化曲線（如圖6）。

從以上數據可做以下理論推斷：因單根連桿加工時間約30分鐘，第一根及第二根連桿與標準圈是同步冷卻，溫差極小;加工第三根連桿時標準圈冷卻了約90分鐘，連桿冷卻了約60分鐘，誤差0.0124-0.0116=0.0008mm;加工第四根連桿時標準圈冷卻了約120分鐘，連桿冷卻了約60分鐘，誤差為0.0124-0.011=0.0014mm;隨著加工數量的增加，精度略有減低，但已經很不明顯了，最大約為0.0124-0.01=0.002mm。

實際控制效果：采用專用工裝進行加工，第一根、第二根連桿孔徑相差約0.0005mm，第三根相差約0.0015mm，第四根相差約0.0015mm，第六根相差約0.002mm。

控制效果提升：因前兩件工件與標準圈是同步冷卻，溫差極小，誤差約0.0005mm，為了進一步提升控制精度故可考慮增加同步冷卻工件的數量，或可多備幾副標準圈重復循環使用，加工過程中讓連桿和標準圈始終保持同步冷卻。并在各環境溫度下進行驗證，測量數據如表2。

從表中可以看出，通過采用該控制法后，尺寸變化量由最大約0.012保持在了0.0003-0.0007之間，精度得到極大提升。

4 ?總結

綜上所述，對于一般精度要求的孔徑尺寸可考慮擬合公式法控制，但需大量數據作為分析基礎，同時應注意數據收集的準確性;對于有較高精度要求的孔徑尺寸則可采用溫差控制法中圖5所示方式進行;若在有很高精度要求時則建議采用讓工件和標準圈始終保持同步冷卻的溫差控制法。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]張思遠.無機晶體的結構、組成和性質[M].北京：科學出版社，2012.