环境温度对圆柱件直径尺寸影响分析及补偿措施.pdf

2023年 第9期 冷加工60智能制造 Intelligent Manufacturing环境温度对圆柱件直径尺寸影响分析及补偿措施蓝仁恩1，邓科2，于殿君2，袁慧君2，周成康2，31.海装驻北京地区第三军事代表室北京1000002.北京特种机械研究所北京1000003.北京理工大学北京100081摘要：针对圆柱件直径精度受温度影响的现象，对可能的影响因素进行了分析，研究了温度变化对精度的影响机理，建立了数值模型，计算了温升对精度的影响结果。对大量圆柱件直径的检测数据进行了归纳分析，得出了圆柱件直径精度与温度变化之间的规律，提出了圆柱件直径精度在不同温度下的补偿量。关键词：圆柱件直径；精度；补偿；环境温度1 序言某大型圆柱构件直径是其关键指标，对其产品性能有较大影响，精度要求高，对成形和检测都提出了很高要求。但大型结构件受工件材料自身属性、加工设备和厂房环境温差等因素影响，容易产生超差问题1。而且一年四季温差跨度大，钢材热胀冷缩影响整体尺寸2。本文通过分析大型圆柱件实测数据，并利用Ansys进行仿真计算，设计了大型圆柱件直径加工温度补偿措施，解决了直径受温度影响变化热胀冷缩导致超差的问题。2 现象分析2.1 理论计算热胀冷缩是一切物质的固有属性，不论固体、液体还是气体都有这种特性。热胀与冷缩是一个可逆过程，加热时膨胀多少，恢复到原来的温度时，又会收缩到原来的长度和体积。只是不同的物质，其热胀冷缩的程度不一样，例如各种金属材料的热胀冷缩率比较大，而陶瓷、玻璃、水泥以及瓷石等各种非金属材料的热胀冷缩率比较小。对于各向同性的材料，物体线性尺寸（长、宽或高）的膨胀系数一致。中国航空材料手册（第2版）第1卷 结构钢 不锈钢3中规定的不锈钢线性膨胀系数见表1，在直角坐标系下的温变曲线如图1所示。表1不锈钢的线性膨胀系数/20100 100200 200300 300400 400500/（10-6/）16.517.217.718.018.3图1不锈钢的线性膨胀系数温变曲线由此可知，不锈钢在不同的温度下，线性膨胀系数也不同，变化趋势为近似线性变化。按照25线性膨胀系数16.510-6/为基准，对圆柱件的直径精度变化进行理论计算、数值模拟。圆柱件材料为0Cr18Ni9不锈钢，截面如图2所示，在环境温度变化时，材料会随温度变化发生热胀冷缩，使得圆柱件直径发生变化，根据圆柱件使用要求，其精度等级一般控制在IT7级。圆柱件生产环境温度和检测环境温度会出现2023年 第9期 冷加工61智能制造 Intelligent Manufacturing较大差异，夏季生产时，厂房最高温度可到43，冬季最低温度能够达到6，温度跨度高达37。对于不同特征尺寸的圆柱件，不同温差下其变化量（以20为基准）见表2。以20为基准，向上变化17，向下变化14，从不同直径的变化量与公差等级占比数据看，在直径达到120mm时，向上变化和向下变化总和已超过了100%，意味着即使加工零误差，当温度变化时，直径精度也会超过IT8级要求。而且由于厂房空间开阔，控制厂房温度成本高、难度大，因此，在加工时增加温度补偿以保证零件在不同温度下都合格是一种既经济又便捷的 方式。表2温度变化对不同直径圆柱件的影响直径/mm向上变化量/m向下变化量/mIT8级公差/m温差影响占比（向上）（%）温差影响占比（向下）（%）102.8052.312710.398.56308.4156.933325.5021.005014.02511.553935.9629.628022.4418.484648.7840.1712033.6627.725462.3351.3318050.4941.586380.1466.0025070.12557.757297.4080.2131588.35772.76581109.0889.83400112.292.489126.07103.82500140.25115.597144.59119.07630176.715145.53110160.65132.30800224.4184.8125179.52147.841000280.5231140200.36165.002.2 数值仿真利用ANSYS软件，建立圆柱件直径模型，施加温度载荷，可以模拟温度变化时圆柱件的变形量。圆柱件有限元模型如图3所示，材料属性：杨氏模量200GPa，泊松比0.3，热膨胀系数16.510-6/。图3圆柱件有限元模型热仿真时，初始温度为25，环境温度为10，约束支角垂向位移，模拟圆柱件直径放置在测量平台上。计算结果表明圆柱件在环境温度从25降低至10的过程中，内径缩小了0.123mm。2.3 实测数据验证测量时，对圆柱件直径进行了分段（见图4）。测试设备为同一台激光跟踪仪，两组数据分别是9月和12月获得，9月厂房平均温度在26左右，12月平均温度在11左右，温差15，实测数据见表2。图4测量分段示意表2实测数据 （单位：mm）截面编号实测直径理论直径9月12月10.1020.2-0.130.1-0.140.1050.1060-0.170-0.180.1090-0.1100-0.1110-0.1120-0.1130-0.1140.201500从表2可以看出，圆柱件直径各个截面尺寸变化为00.2mm。数据说明12月份的直径普遍比9月份a）温度升高时变化趋势 b）常温状态 c）温度降低变化趋势图2截面及热胀冷缩变化趋势示意2023年 第9期 冷加工62智能制造 Intelligent Manufacturing略有缩小，从缩小的量级看，与温度影响的仿真计算值吻合。同时对另外18个圆柱件不同温度下直径的测量数据进行了统计分析，两次测量结果如图5、图6所示。结果表明，相对于高温环境测量结果，低温环境测量结果中圆柱件平均直径普遍缩小，量级在0.1mm左右。两次测量的最大不同，就是环境温度变化较大，且温度影响的理论分析值和实测值基本吻合，可以确定，环境温度变化对圆柱件直径精度有较大影响。图5两次测量最大内径分布情况图6两次测量最小内径分布情况3 补偿措施基于上述分析结果，建议针对圆柱件直径在生产时进行温度补偿，根据生产环境温度不同，选择不同的尺寸公差范围，以便产品在常温时，其尺寸精度能够满足技术指标。温度补偿方法就是依据不锈钢线性膨胀率，在生产时对尺寸公差带进行相应的增减，保证生产的圆柱件在同一温度下具有一致性。从生产厂房的环境温度来看，冬季最低温度能够达到8，夏季最高温度能够达到42，那么按照545的温度范围，在任意温度下生产出的圆柱件在同一温度下的状态应该一致。选择常温25状态作为基准状态，以此为依据，应根据生产时的环境温度适当调整圆柱件的尺寸公差控制，公差带变化情况如图7所示。公差带宽没有变，只是随着温度变化进行了平移，在不同生产环境温度下，应对生产控制指标做适当调整，这样就使得在不同环境温度条件下生产的圆柱件具有一致性。图7公差带随温度变化情况示意4 结束语通过理论仿真分析以及大量实测数据的归纳总结，得出了温度变化对圆柱件直径精度影响的规律，实测数据和理论计算较吻合。圆柱件生产过程中，需要根据生产的环境温度进行公差带调整，以确保不同环境温度条件下生产的圆柱件具有一 致性。参考文献：1 童春桥.大型航天结构件加工的温度补偿技术.金属加工（冷加工），2020（11）：47-49.2 刘荣坤，李家军，冷压林，等.温度对钢结构模块尺寸影响及修正分析.海洋工程装备与技术，2019，6（2）：544-547.3 中国航空材料手册编辑委员会.中国航空材料手册：第1卷 结构钢 不锈钢M.北京：清华大学出版社，2013.20230628