大型精密标准件测具加工流程设计

摘 要：现场加工及检测环境等实际条件，无法达到精密测具图纸要求的标准温度20℃；各种材料都存在线膨胀和体膨胀，温度差异会导致测具长度方向发生微量变化，但对大型精密测具制造而言，已经超出10倍以上公差带要求，因此温度误差是影响测具制造精度的重要因素；本文简述温度误差对大型精密标准件测具制造过程的影响，重点阐述在精密三坐标测量机配合下，对不同的测具类型，设计不同的加工流程，达到减小温度误差影响，提高测具制造精度之目的。

关键词：精密标准件测具；温度误差；相对测量；微量调整

中图分类号：TG814 文献标识码：A

1 背景需求

大型精密标准件测具，作为一种专用测具，在军民品生产中，应用非常广泛，检查加工零件，简单、方便、灵活，但是，标准件测具工作尺寸要求精度高，20℃时工作尺寸精度一般为±0.005mm～±0.01mm，而测具长度一般在600mm～1000 mm甚至达1200mm，对现有投影检查设备而言，测具超长、超重，不能满足检测要求；而现场加工过程中，工作环境却不能保证20℃恒温，由此产生温度差异，各种材料都存在线膨胀和体膨胀，进而产生尺寸误差；现场生产急需将温差造成的材料膨胀误差、检具温度误差减少到最小，来提高测具的制造精度。

2 工艺分析

现场使用的大型精密标准件测具，常用结构一般有二种：其一为回转型标准件测具，两端工作面为圆弧表面，垂直底面（如图一）；另一种为直面型，两端工作面为平面，或垂直底面，或形成一定角度（如图二），下面分别予以介绍。

2.1回转型大型测具的典型结构如下图所示：

1、底座 2、支座 3～7、 定位块

（图一）

图中显示，零件3至7为五组定位块，它安装到零件2支座上，对应5个工作尺寸，分别用于测量五组数据，公差要求严格，零件2的上端面为同一平面，供测量尺量脚定位用，下端固定在零件1躯座上，整套工装材料涉及HT200、45#、CrWMn等。

2.2 直面型大型测具图纸如图二所示：

1、躯座 2、固定测量块 3、调整测量块 4、限位块 5、定位块

（图二）

图中显示，零件2、3为定位块，左端的为固定测量块，右端的为调整测量块，一起固定到零件1躯座上，工作尺寸为交点尺寸，一般设计成测量一组或二组尺寸，尺寸公差带同样要求严格；零件4为限位块，用来在装配时调整测量块3用；零件5的上端面为同一平面，供测量尺量脚定位用，整套工装材料涉及HT200、45#、CrWMn等。

3 加工流程设计

3.1 分析温度差异对材料的影响

从《机械设计手册》中可以查出上述材料的线膨胀系数αl（/10-6℃-1），在20～100℃时，铸铁：αl=8.7～11.1，碳钢：αl=10.6～12.2，我们以αl=11为例，现场温度为28℃，则1米长零件比在20℃时长度伸长量为： ΔL=1000mmX11/10-6℃-1 X（28-20） ℃=0.088mm，况且材料还存在体膨胀，由此可见，温度差异对高精度测具影响巨大；现场使用的1米千分尺及卡尺，精度在0.02mm～0.05mm，且测量精度随着温差变化而变化，即使这样测具也无法满足测量要求。

3.2回转型大型测具加工流程设计

该型测具一般采用回转机床加工，鲜有采用数控磨加工工作R，因为装配时涉及短弧确定大R的难题无法解决；本文采用相对测量法，来解决温差对制造过程的影响，流程设计如下：

①在原图纸中心增加正心轴（见图三），保证加工时有找正基准。

②零件2支座上M、N面要求粗糙度达0.8，保证与底面垂直度为0.005mm，该面用于测量。

③ 零件1底座的底面采用刮研方法获得平面度在0.005以内，做加工、检测基准。

④回转机床要求精度高，能实现微量进给，其主轴与工作台垂直；第一次加工时找正心轴，加工фD1至фD5尺寸，保证单边留0.08-0.1mm/每边，同时见光心轴外圆，保证二者同心度。

⑤三坐标测量机找正心轴，测量фD1至фD5尺寸实际值，采用扫描方式，数据处理后计算出фD1至фD5尺寸，并计算出工作面的余量ΔR。

⑥在加工环境下用0.002mm指示千分尺测量A、B值并记录，在回转机床找正心轴不差0.01mm进行第二次加工，当对应工作面都加工到时，再测量A、B值，计为A测、B测，计算出加工到尺寸的A终、B终尺寸，注意：测量A、B值时，用同一指示千分尺，测量的位置要相对固定；当A终、B终尺寸进入尺寸公差时，停止加工。

⑦三坐标测量机找正心轴， 测量фD1至фD5尺寸实际值，与理论值比较，如没有加工到尺寸，则重复步骤6，直至加工合格。

（图三）

计算过程如下（以某次加工过程为例）：

第一次加工后工作面余量：ΔR左=0.062mm、ΔR右=0.1183mm

第一次加工后A、B值：A=112.865mm、B=112.805mm

第二次加工后A、B值：A测=112.85mm、B测=112.86mm

计算加工完成时的A终、B终尺寸：

A终=A测-[（ΔR左+ΔR右）-（A-A测）-（B-B测）]/2=112.797mm

B终=B测-[（ΔR左+ΔR右）-（A-A测）-（B-B测）]/2=112.807mm

此时两端工作面的余量相同ΔR终=A测-A终=B测-B终=0.053mm

一般来说，经过此次加工，工作面直径尺寸产生的总误差为：三坐标测量机的精度+2倍指示千分尺精度（由于指示千分尺测量的长度在丝级，温度对其影响可以忽略不计）+测量示值；如使用高精度测量机，一般能达到0.005～0.01mm精度。

通过以上论述可以看出，借助三坐标测量机和指示千分尺，大大减少了制造现场环境温差及检具误差对加工的影响，提高了测具制造精度。

3.3直面型大型测具加工流程设计

该型测具，由于定位块可以单件加工，工艺路线简单，形位精度比较容易保证，但装配时则由于温度影响，经常出现多次进行测量机测量、现场修研、调整工作面，采用逐次逼近真值的方法加工，而每次进行三坐标测量机检测，测具都要进行定温处理（至少4小时以上），费时费力，需要很长时间才能修研合格。

测量机属于精密设备，是不允许在工作台上进行调整、修研工作，如果在测量结束后，在测量间进行零件的微量调整，则是允许的，不会对机床精度产生影响，而测具也不需要进行再定温处理，因此，对直面型测具，建议采用微量调整的方法设计工艺流程。

加工工艺流程设计如下：

①将零件1躯座底面刮研平面度0.005mm以内，上面安装固定块及活动测量块位置研平，平行度0.01mm以内，其余面可保持原态。

②固定测量块可采用槽固定或销固定，建议采用后者定位，镗孔时将躯座上的所有销孔一起加工出来。

③ 装配时将定位块5上端面研成等高一致且平行于零件1底面不差0.01mm；

④安装测量块2、3、限位块4，调整测量块3无间隙贴合在限位块4上，从上向下用螺钉将调整测量块固定好；说明：调整测量块单件加工时，要将相对位置尺寸磨小0.03～0.05mm。

⑤三坐标测量机实测L1值，两端分别记录数据，与理论值比较，确定角向误差及尺寸误差，分别计算两端增加垫片厚度，垫片可用标准塞尺代替。

⑥不离开测量间，在调整测量块3与限位块4之间加垫片，符合计算值；将调整测量块3向限位块4方向压紧并固定好。

⑦三坐标测量机复检L1值，不对重复步骤6，直至检查合格。

采用以上方法，一般循环2次就可将测具调整到合格状态，此时的总误差=三坐标测量机的精度误差+测量示值；如使用高精度测量机，一般情况下测具的尺寸精度可达0.01mm以内；从上面可以看出，现场与测量环境之间温度差产生的加工误差，已被完全消除掉。

结语

本文对常用两种常用大型精密标准件测具加工流程进行设计，此方法经过现场验证，均能有效控制制造过程中温度误差的影响程度，有利于提高测具的制造精度，对其他精密零件的制造，也有一定借鉴意义。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社 .

[2] 郭成操.机械加工工艺基础[M] .冶金工业出版社.

[3] 郑修本，冯冠大.机械制造工艺学[M].机械工业出版社.