預渦旋封嚴腹板鑄件基準建立方法研究

黃強

（中國航發西安航空發動機有限公司，西安710021）

0 引 言

為了提高航空發動機作戰性能及可靠性，減輕發動機的質量、降低制造成本、縮短制造周期，隨著復雜整體鑄造技術的深入試驗研究，鑄造技術廣泛應用于航空發動機及其關鍵構件的研制和生產中。預渦旋封嚴腹板鑄件是公司承接某航空發動機產品的科研試制任務，用于焊接蜂窩環組裝部件，其特點是鑄造基準設計復雜、鑄造定位基準制造精度不高。在實際檢測中發現，一般利用精加工產生的基準測量形位誤差的方法, 很難在預渦旋封嚴腹板鑄件的位置度基準建立及三坐標測量中完成,這主要是因為鑄件的鑄造基準較差，原始基準的定位精度不高；另一個主要原因, 是因為鑄件的設計基準較多，基準之間的誤差累計及延伸導致整個基準的建立出現偏差，以下就預渦旋封嚴腹板鑄件的測量基準及其選擇方法進行討論，并對測量基準的誤差進行修正。

1 形位公差基準的建立

被測量基準的形位公差,指的是工件上被測對象和定位基準之間的位置分布，即圖樣規定的測量對象與定位基準之間的位置變動范圍。圖樣規定的位置度，指的是一個對象的中心線或中心平面允許自身位置變動的范圍，即它的實際位置允許的變動范圍，是限制被測對象的實際位置對理想位置變動量的指標[1]。位置度公差對實際對象位置正確度的評價，依據是設計圖上給定的理想位置。評價位置度時, 最重要的就是合理選擇被測工件的測量基準，沒有測量基準,就無法評價位置度。

以預渦旋封嚴腹板鑄件位置度誤差檢測為例,孔中心有理想位置和實際位置，理想位置由理論正確尺寸確定，實際位置由實測坐標值確定。實際位置與理想位置有偏差，偏差的2倍就是實測位置度。該鑄件的孔位置度公差帶是一種以理論位置為中心對稱的區域，位置度是限制被測量孔的實際位置對理想位置變動量的指標。它的定位尺寸為理論正確位置。位置度公差在評定被測孔位置的正確性，是依據設計圖上給定的理想位置。如圖1所示，要測出孔心的實測坐標值，就必須建立測量坐標系。就該鑄件來講，按圖樣定義建立關聯基準需要反復測量，并對數據進行整理，使基準逐漸接近理想位置。用這個方法建立的理想孔心位置為近似值, 所以測量工件的位置度,在建立測量基準時，以及工件的實際基準的采集與模擬，均存在測量誤差。

在實際鑄造過程中，由于鑄造誤差的影響，預渦旋封嚴腹板鑄件的原始基準精度較差，為了提高原始基準的定位精度，可采用精密鑄造及提高鑄造工藝水平，但精密鑄造等級提高，鑄造成本增加，不利于小批量試驗生產。實際加工中，可通過對鑄件基準進行補加工，找正鑄造原始基準，對圖樣要求的位置度基準進行精加工。原始基準通過補加工，提高了基準的定位精度，保證了零件精加工時的定位可靠性，減少了因鑄造基準位置誤差導致的加工精度降低。

2 基準的建立方法

圖1 預渦旋封嚴腹板鑄件孔中心示意圖

位置度測量中測量基準的建立,需結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尺寸。在建立基準時，首先應考慮設計條件、制造方法、三坐標測量基準一致,減少轉化測量基準造成測量誤差增大，延長檢測時間，導致被測工件的測量準確度的降低。選擇測量基準時還應注意的是，必須結合現場加工及測量的實際情況,保證檢測系統穩定性及簡易性。對形狀及定位較為復雜的鑄件而言,鑄件的原始鑄造基準自身存在鑄造誤差，直接在鑄造面采點建立基準不能準確反映工件的實際狀態。應充分考慮鑄造基準的制造工藝帶來的鑄造誤差，在設計測量工裝時，選擇穩定性高的基準面定位，盡量使用原基準采樣，避免轉換基準帶來的間接誤差，測量系統在采點時應盡可能在較大區域采點，保證采點后系統模擬的準確性。在實際生產中設計、工藝、檢測三基準的選擇應盡量統一。同時，使用功能的差異、設計條件的不同、采點環境的不同，以及不同測量儀的測量精度的差異都會影響基準的誤差[1]。

2.1 預渦旋封嚴腹板鑄件簡介

如圖2所示，預渦旋封嚴腹板鑄件最大外徑為φ411 mm，內孔直徑為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，預渦旋封嚴腹板鑄件端面上貫穿端面有18個流道孔，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A夾角為20°并沿圓周方向均布排列，流道孔相對基準A、基準B、基準C的位置度為φ0.50。

圖2 預渦旋封嚴腹板鑄件示意圖

圖3 預渦旋封嚴腹板鑄件流道孔示意圖

2.2 難點分析

基準A、基準B、基準C的定義如圖4所示。基準A、基準B均為鑄造基準，基準C是由鑄造面間接確立的理論基準。其中，基準A為復合基準，在直徑φ388 mm的節圓上，分別由鑄件上的3處鑄造基準確定理論點A1、A2、A3，以理論點A1、A2、A3為中心、直徑φ5 mm以內采點均可作為有效基準點；基準B為鑄造內孔復合基準，在鑄造內孔上分別建立理論接觸線B1、B2、B3，為避開根部圓角轉接區域，接觸線B1、B2、B3距離建立的基準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C。

圖4 基準A、基準B、基準C示意圖

2.2.1 鑄造基準不平整，基準建立誤差較大

鑄造基準的特點是結構設計復雜、鑄造定位基準制造精度不高。由于鑄造工藝的限制，預渦旋封嚴腹板鑄件表面的鑄造基準精度不高。通過三坐標多次建立基準，鑄造基準的有效區域內，基準A在3處基準的平面度誤差在0.22～0.30 mm左右，基準B在鑄件內孔建立的基準圓度在0.2 mm左右。鑄件位置度存在多個測量基準，基準之間同時存在采樣誤差，使得整個基準的建立及測量偏離圖樣設計目的[2]。

2.2.2 直接用原始鑄造面建立基準難度大

考慮到基準建立的準確性，一般基準的建立均使用原始基準，尤其是檢測對鑄造基準不做任何補加工的工件時，轉換基準會導致更大的檢測誤差，但本文研究的預渦旋封嚴腹板鑄件，其鑄造基準與被測流道孔分別位于工件大端和小端，將零件水平放置，三坐標測針采集完流道孔的內孔后，鑄造基準在流道孔的下端，無法直接采點建立基準A、基準B和基準C。將零件翻面后，使用三坐標測針可直接使用原始鑄造基準建立基準A、基準B和基準C，無法深入到流道孔中，直接使用原鑄造基準檢測流道孔位置度，基準建立難度較大。

2.2.3 基準建立的順序不同，表達的結果不同

在位置度公差的基準體系中，建立基準的先后順序對實際控制結果影響很大。本文討論的鑄件基準體系是由3個單獨的基準A、基準B、基準C構成的基準組合，在建立基準時，應充分理解圖樣設計意圖，按照一定的先后順序確定基準體系，提高基準建立的正確性，使建立的基準位置固定、唯一。按位置度公差的要求，本文研究的預渦旋封嚴腹板鑄件應先建立復合基準A：在圖樣要求的節圓上，確定理論點A1、A2、A3，并以這些理論點為中心，圖樣規定的直徑范圍內采點均可作為有效基準點。再建立復合基準B，在鑄造內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A的鑄造轉接區域，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C。

2.3 預渦旋封嚴腹板鑄件基準建立

2.3.1 建立C基準

如圖5所示，用φ10測量圓與預渦旋封嚴腹板鑄件端面槽凹腔的邊沿相切，測量圓的圓心在φ388的節圓上，φ10測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C。確定接觸線C1時，應注意接觸線距離基準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，從而導致建立基準C時產生誤差，基準C的建立模型如圖6所示。

圖5 基準C示意圖

2.3.2 建立A基準

確定基準C 之后，將基準C確定的通過中心的基準線繞鑄件中心順時針旋轉4.198°形成軸線L1，如圖7所示，軸線L1與φ388的節圓相交，以該交點為圓心，直徑φ5.0接觸圓內確定A1。

圖6 基準C建立模型

圖7 基準A1、B1示意圖

軸線L1繞鑄件中心順時針旋轉120°形成軸線L2，軸線L2與φ388的節圓相交，以該交點為圓心，直徑φ5.0接觸圓內確定A2，如圖8所示。軸線L2繞鑄件中心順時針旋轉120°形成軸線L3，軸線L3與φ388的節圓相交，以該交點為圓心，直徑φ5.0接觸圓內確定A3。

根據基準A的設計要求,在圖9所示Ⅰ處所示平面上，A1應在φ5的接觸圓內確定，即在接觸圓內任何一點都可以認為是A1,采樣測頭端面以球輔助定位,測量基準與設計基準統一,用球測頭與平面的切點確定點A1,用同樣的方法可確定點A2及點A3。點A1、A2、A3的確定與鑄件的鑄造平面狀態密切相關，鑄造平面的精度直接影響點A1、A2、A3的位置精度，進而影響基準A的建立精度。

2.3.3 建立B基準

確定基準C之后，將基準C確定的通過中心的基準線繞鑄件中心順時針旋轉4.198°形成軸線L1，如圖7所示，直徑φ10的測量圓的圓心在軸線L1上并與鑄件內孔R199相切形成接觸線B1。

圖8 基準A2、B2、基準A3、B3示意圖

軸線L1繞鑄件中心順時針旋轉120°形成軸線L2，直徑φ10的測量圓的圓心在軸線L2上并與鑄件內孔R199相切形成接觸線B2。軸線L2繞鑄件中心順時針旋轉120°形成軸線L3，直徑φ10的測量圓的圓心在軸線L3上并與鑄件內孔R199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，應注意接觸線距離基準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B1、B2、B3的確定與鑄件的內孔鑄造狀態密切相關，鑄造內孔的精度直接影響點B1、B2、B的位置精度，進而影響基準B的建立精度。

2.3.4 建立孔的中心線

于基準C右側距離40 mm確定理論線M1，于基準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BA，以點BA為旋轉中心，將理論線M2順時針旋轉8°即為孔的中心線，中心線與基準B的法向距離為193 mm，孔的中心線與基準A的夾角為20°。

圖9 基準A建立模型

圖10 基準B建立模型

3 基準的誤差修正

圖11 孔中心線示意圖

建立基準的目的是要把產品的基準坐標系完整地構建起來，通過基準對多個自由度的約束，使理論正確尺寸按確定的幾何關系聯系在一起作為整體[3]。構建預渦旋封嚴腹板鑄件基準時，根據基準體系及確定被測要素的理論正確位置的3個理論正確尺寸的方向建立坐標系，并與其中2個基準成特定角度，建立基準時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A時，在φ5.00的接觸圓內，每3個測量點構建的平面均不重合，基準構建存在隨機誤差F基準，確定允許的基準構建誤差因子α為0.1[4]。即：

在φ5的接觸圓內，建立點A11、點A12、點A13，評價A11、A12、A13在基準面上的高度誤差，若高度誤差不大于0.05，則取A11、A12、A13中任一點作為接觸點A1；若高度誤差大于0.05，則繼續建立A14、A15、A16…，直至建立的任意3個點高度誤差不大于0.05，則取這3 個點中的任一點作為接觸點A1。用同樣的方法建立接觸點A2、A3，由已確定的接觸點A1、A2、A3建立基準A。

在φ10切圓與鑄件內孔形成的接觸線上，建立點B11、點B12、點B13，評價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中任一點作為接觸點B1；若切圓直徑誤差大于0.05，則繼續建立B14、B15、B16…，直至建立的任意3個點切圓直徑誤差不大于0.05，則取這3個點中任一點作為接觸點B1。用同樣的方法建立接觸點B2、B3，由已確定的接觸線上的接觸點B1、B2、B3建立基準B。

在φ10切圓與鑄件邊沿的接觸線上，建立點C11、點C12、點C13，評價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中任一點作為接觸點C1；若切圓直徑誤差大于0.05，則繼續建立C14、C15、C16…，直至建立的任意3個點切圓直徑誤差不大于0.05，則取這3個點中任一點作為接觸點C1，接觸線C1向左平移距離9.2 mm形成基準C。

4 結 論

本文通過對預渦旋封嚴腹板鑄件鑄造基準的建立進行研究，對鑄造基準的概念進行了簡明闡述，分析了3個關聯基準間的設計要求，提出鑄件基準的建立方法：在建立基準時，應考慮設計、工藝、檢測基準的統一；充分理解圖樣設計意圖，按照一定的先后順序確定基準體系，使建立的基準位置固定、唯一；選擇與設計目的最接近的位置度測量工藝、測量系統在采點時應盡可能在較大區域采點，保證采點后系統模擬的準確性，并通過誤差修正使建立的基準更加準確，以達到預渦旋封嚴腹板鑄件基準建立的目的。

圖12 鑄件表面圖