高低溫循環(huán)作用對慣組設(shè)備外殼材料基準(zhǔn)面形位公差精度的影響分析

袁克非，晏 亮，古衛(wèi)鵬

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2.北京航天時(shí)代激光導(dǎo)航技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100094）

0 引言

慣性測量組合（全文簡稱“慣組”）主要用于船舶、航空等領(lǐng)域，為搭載設(shè)備提供姿態(tài)和位置信息。因此，要求慣組坐標(biāo)系應(yīng)與搭載設(shè)備坐標(biāo)系重合，同時(shí)具備較高的穩(wěn)定性，并且對溫度變化不敏感。

實(shí)際應(yīng)用過程中，通過將慣組水平基準(zhǔn)與方位基準(zhǔn)面緊靠搭載設(shè)備的水平基準(zhǔn)與方位基準(zhǔn)靠面，實(shí)現(xiàn)兩者之間坐標(biāo)系關(guān)系傳遞，該精度的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)主要依靠水平與方位基準(zhǔn)面形位公差來保障。隨著機(jī)械加工水平的日益提升，初始加工水平已經(jīng)完全可以滿足設(shè)備精度傳遞需求。根據(jù)實(shí)際工況需求，慣組出廠前需完成多項(xiàng)試驗(yàn)。其中，高低溫循環(huán)試驗(yàn)為必須完成項(xiàng)。慣組設(shè)備外殼體基準(zhǔn)面形位公差的穩(wěn)定性，決定其是否能夠滿足上述性能。

鎂合金是目前工程材料中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，對其在高低溫環(huán)境中穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對慣組設(shè)備輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。5A06 鋁合金作為一種高強(qiáng)度Al-Mg 合金，密度介于鎂合金與不銹鋼之間，在慣組設(shè)備結(jié)構(gòu)件材料選用時(shí)具有極大的優(yōu)勢。022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼具備優(yōu)良的防腐性能，在海洋領(lǐng)域中是慣組設(shè)備外殼的優(yōu)選材料。

研究選用5A06 鋁合金、ZM-6 鎂合金和022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼作為樣件材料，均為慣組設(shè)備外殼體常用選材。因此，研究高低溫循環(huán)對這三種材料基準(zhǔn)面形位公差的影響，能夠?yàn)閼T組基準(zhǔn)面材料選用設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用5A06 鋁合金、ZM-6 鎂合金和022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼材料樣件各6 件，規(guī)格均為30 mm×35 mm×50 mm，每件試樣表面有三個(gè)加工測量基準(zhǔn)面，尺寸分別為35 mm×50 mm、35 mm×50 mm和30 mm×50 mm。鋁合金樣件編號為試樣L，6 件樣件編號分別為L-1、L-2、L-3、L-4、L-5 和L-6；鎂合金試樣編號為試樣M，6 件樣件編號分別為M-1、M-2、M-3、M-4、M-5 和M-6；不銹鋼試樣編號為試樣B，6 件樣件編號分別為B-1、B-2、B-3、B-4、B-5和B-6。

選用5A06 鋁合金試樣L、ZM-6 鎂合金試樣M和022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼試樣B，來考察不同材料加工基準(zhǔn)面在高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后基準(zhǔn)面形位公差的變化。通過同種材料的6 件樣件，降低測量誤差的影響因素。

2 試驗(yàn)設(shè)備及高低溫循環(huán)試驗(yàn)條件

采用三坐標(biāo)儀器對各樣件高低溫循環(huán)前后基準(zhǔn)面的平面度、平行度和垂直度公差數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，試驗(yàn)選用青島?？怂箍瞪a(chǎn)的JLOBAL091208 型三坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，設(shè)備測量精度為2 μm，基準(zhǔn)塊形位公差測量如圖1 所示。

圖1 基準(zhǔn)塊形位公差測量

高低溫循環(huán)試驗(yàn)選用廣州五所環(huán)境儀器有限公司生產(chǎn)的QT0570W10 生產(chǎn)的溫箱，該設(shè)備溫控范圍為-70～150 ℃，基準(zhǔn)塊溫循試驗(yàn)如圖2 所示。

圖2 基準(zhǔn)塊形溫循試驗(yàn)

高低溫循環(huán)試驗(yàn)采用慣組設(shè)備常用條件，試驗(yàn)條件如表1 所示，通過溫箱完成樣件高低溫循環(huán)試驗(yàn)，溫度循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)力參照如圖3 所示。

表1 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件

圖3 溫度循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)力參照圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

5A06鋁合金試樣L、ZM-6鎂合金試樣M和022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼試樣B 采用統(tǒng)一規(guī)格，試驗(yàn)測量基準(zhǔn)面如圖4 所示，圖中標(biāo)注基準(zhǔn)面A、B 和C為本次試驗(yàn)測量對象。樣件高低溫循環(huán)試驗(yàn)前形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 樣件高低溫循環(huán)試驗(yàn)前形位公差實(shí)測數(shù)據(jù) 單位：mm

圖4 樣件測量基準(zhǔn)面示意（單位：mm）

鋁合金L 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5 所示。鎂合金M試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖6 所示。不銹鋼B 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖7 所示。

圖5 鋁合金L 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前實(shí)測數(shù)據(jù)

圖6 鎂合金M 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前實(shí)測數(shù)據(jù)

圖7 不銹鋼B 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)前實(shí)測數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中，將所有樣件放置于同一個(gè)溫箱中，進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)。完成高低溫試驗(yàn)后，用三坐標(biāo)測量試驗(yàn)樣件形位公差，測量結(jié)果記錄如表3 所示。

表3 樣件高低溫循環(huán)試驗(yàn)后形位公差實(shí)測數(shù)據(jù) 單位：mm

鋁合金L 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖8 所示。鎂合金M試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖9 所示。不銹鋼B 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，所有形位公差實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖10 所示。

圖8 鋁合金L 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后實(shí)測數(shù)據(jù)

圖9 鎂合金M 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后實(shí)測數(shù)據(jù)

圖10 不銹鋼B 試樣高低溫循環(huán)試驗(yàn)后實(shí)測數(shù)據(jù)

對比三種試驗(yàn)樣件可知，試驗(yàn)后，各樣件基準(zhǔn)面平面度、基準(zhǔn)面之間的形位公差整體向更加優(yōu)良的趨勢變化。高低溫試驗(yàn)循環(huán)前后，三種材料試樣中022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼各樣件形位公差波動最小，經(jīng)歷高低溫循環(huán)試驗(yàn)后形位公差穩(wěn)定性最高。

高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后，三種材料試樣中，形位公差穩(wěn)定性排序?yàn)?22Cr17Ni12Mo2 不銹鋼最優(yōu)，5A06鋁合金次之，ZM-6 鎂合金最次，該結(jié)果與三種材料力學(xué)性能吻合。

4 結(jié)論

以鋁合金試樣L、鎂合金試樣M和不銹鋼試樣B為樣件，通過高低溫循環(huán)試驗(yàn)，研究高低溫循環(huán)對這三種材料基準(zhǔn)面形位公差的影響，得出如下結(jié)論：

1）高低溫循環(huán)試驗(yàn)后，三種不同材料樣件形位公差整體朝著更優(yōu)的趨勢變化。

2）高低溫循環(huán)試驗(yàn)前后樣件平面度變化相對穩(wěn)定，垂直度以及平行度波動較大。

3）三種不同材料樣件中，不銹鋼樣件基準(zhǔn)面形位公差測量值最為穩(wěn)定，鋁合金與鎂合金試驗(yàn)前后兩者波動幅度接近。

4）試驗(yàn)驗(yàn)證了鋁合金或鎂合金材質(zhì)作為設(shè)備外殼體基準(zhǔn)面時(shí)，經(jīng)受高低溫環(huán)境時(shí)能夠滿足外殼體基準(zhǔn)面使用需求。

5）本試驗(yàn)驗(yàn)證了鋁合金或鎂合金基準(zhǔn)面無腐蝕因素使用環(huán)境下，能夠替代不銹鋼使用，為慣組箱體輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

研究結(jié)果可為慣組外殼體選用不同材料時(shí)的安裝基準(zhǔn)面提供設(shè)計(jì)和生產(chǎn)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)慣組設(shè)備輕量化。