大尺寸工件的测量特性

崔丽娟 杨金岭

(①燕山大学里仁学院，河北秦皇岛 066004;②中信戴卡股份有限公司，河北秦皇岛 066000)

所谓大尺寸工件，通常是指基本尺寸大于500 mm的工件。大尺寸工件在重型机床、工程机械、矿山机械和建筑机械中应用较多，尤其是近年来，随着我国机械制造水平的不断提高，大尺寸工件的比例也越来越高，例如大型设备制造中，许多尺寸超过500 mm，有些工件尺寸甚至超过10 000 mm或者更大。

1 大尺寸工件的特点

与中、小尺寸工件不同，大尺寸工件在其使用要求、加工、测量、装配、维修以及生产方式上，都有一些自身的特点。如:大尺寸工件通常是单件小批生产;往往采用配做或者修配的制造方法，不一定能达到、甚至不要求达到互换性;对大尺寸工件的配合关系，往往只要求配合特性，而不强调保持严格的基本尺寸;在工件的制作误差中，形位误差和测量误差占的比例增大，特别是因为温度产生的误差很突出，等等。

对大尺寸工件的测量，目前主要采用的仍是机械量具。一般有游标卡尺、大型千分尺、高度尺、内径千分尺、内径量杆等。因为工件的尺寸较大，这也导致了这些量具的体积和重量也较大，比较笨重，操作不便。

例如，测量500 mm的工件的计量器具，重量最小也要在6 kg以上;测量1 000 mm工件的计量器具的重量约15 kg，两个人操作都相当困难;而测量3 000 mm以上尺寸的千分尺一般需要使用吊车帮助测量。

2 大尺寸工件的测量特性

大尺寸工件的测量特性是受多种因素影响的，如测量温度的影响、测量器具结构的影响、测量过程中系统误差的影响等等。基于上述特点，将常规中、小尺寸工件的测量特性沿用于大尺寸工件是不合适的。大尺寸工件的测量特性主要体现在以下几个方面。

(1)温度造成的测量误差的比例显著增大。

由于大尺寸工件的体积、尺寸较大，一般都是只能在加工现场或者机械加工设备上进行测量，测量器具和工件受环境温度影响较大，因此很难得到可靠的测量结果。

对不同尺寸范围和不同公差等级的工件，相同的温度变化所造成的测量误差，在给定的公差中占有的百分比是不同的。例如，对于一个直径50 mm，公差等级为IT6的钢制工件，温度变化范围5℃引起的工件尺寸变化为2.9 μm，仅占尺寸公差16 μm的18%;但是对于一个直径3 000 mm，公差等级为IT6的钢制工件，温度变化范围5℃引起的工件尺寸变化为172.5 μm，竟占尺寸公差135 μm的127.8%。由此可见，按照公差单位，虽然公差随着基本尺寸的增加加大了，但制造某一公差等级的大尺寸工件，与制造同一公差等级的中等尺寸工件相比，前者往往要困难得多。

图1和图2分别表示尺寸范围≤500 mm和＞500～3 150 mm时，温度变化4～20℃和1～10℃引起的尺寸变化，与标准公差IT4～IT8的对比关系。由图可知，温度变化对大尺寸的影响要严重得多。

由上述可知，一般温度变化引起的测量误差，即使对中小尺寸工件的制造是可以忽略的，但是对大尺寸工件的制作来说，则常常是关键性难题。

以上考虑的仅仅是温度引起的工件的尺寸变化，而温度引起的测量误差则取决于工件与量具的温度及其线膨胀系数。例如，基本尺寸为3 000 mm的钢制工件，线膨胀系数为11.5×10－6/℃，量具是轻铝合金的，线膨胀系数为23×10－6/℃;工件温度为21℃，量具温度为24℃，要求测量温度为20℃。此时由于热变形不一致引起的测量误差为(23×4－11.5×1)×10－6×3 000=0.242 mm。已经超过IT7=210 μm，可见影响之大。

从理论上讲，由温度引起的测量误差是可以修正的。但是大尺寸工件的内部温度与外表温度可能不一致，而要消除其内外温差，往往需要很长时间，例如使某个1 000 kg的重型工件的内外温差降至±0.2℃，可能需要2天以上的时间。因此，对大尺寸工件，要准确测量其温度并消除温度引起的测量误差，是比较困难的。

(2)量具和工件结构特点引起的测量误差也较大。

由测量原理决定这类计量器具必然存在大尺寸测量弱点。对于大重量的测量器具，使用过程中，受力变形也很大，测量时不好掌握，不容易找正测量部位，不容易判断工件与量具的接触情况。而且这种量具因自重变形引起的测量误差也是很大的。同时，大尺寸工件本身由于自重引起的变形也是较大的。

根据统计，工件尺寸在1 000 mm以下时，测量误差在29～120 μm，工件尺寸在1 000 mm到6 000 mm之间时，测量误差一般在370 μm，最多可达到1 mm左右。测量误差的主要来源为:量块和校棒的误差、千分尺测量时测头偏移的误差、温度产生的误差、千分尺受力变形引起的误差、测量面平行度产生的误差等。

(3)孔的测量精度一般比轴的测量精度高。

对于一般中小尺寸的工件，通常轴比孔容易测量，而对于大尺寸工件，则恰好相反，往往是孔比轴更容易测量。一般测量大孔尺寸，用的是结构比较轻便、刚性较好、操作也比较方便的内径千分尺，或经校准过的带指示表的内径量杆。而一般测大轴，用的是自重大、易于变形、操作不变、找正测量部位也比较困难的外径大卡规或大型千分尺。因此，大尺寸孔的测量误差往往小于大尺寸轴的测量误差。

(4)大尺寸的测量值大多小于其真值。

不论是大尺寸的孔或轴，其测得值多小于其真值，即测量误差是非对称分布的，且向数值减小方向偏移。这是英国物理研究所(NPL)的试验结果，可能由于大尺寸工件在测量操作上的一些原因所致。

(5)在大尺寸的测量误差中，系统误差的影响更突出，而多次重复测量值的分散性也往往较大。

由于大尺寸量具在校准上的困难，并且由于校准用量具的误差较大，所以在大尺寸测量中，往往包含有较大的而又难以确定的系统误差，系统误差的影响也更加显著。

此外，由于大尺寸测量过程的复杂与费事，采用多次重复测量也不一定能得到满意结果。根据一些国家的测试结果，大尺寸测量的均方差与直径大致呈线性关系。在英国标准“极限与配合”(B.S.1916－1963)中引用了NPL的试验数据，指出了对大尺寸测量误差的统计，均方差为15 ～30 μm，最小为10 μm。

3 大尺寸工件公差与配合的注意事项

通过上述论述后，考虑到大尺寸工件在测量误差方面以及其它方面的一些特性，在选择或者确定大尺寸公差与配合的时候，就要和中小尺寸工件加以区别，并注意以下方面:

(1)在大尺寸的公差单位公式中应充分反映测量误差的影响。

(2)大尺寸的IT6级远比中等尺寸的IT6级难以制造。目前对大尺寸工件公差的选取，宜从≥IT6起。

(3)对大尺寸的配合，不宜规定孔比轴低一级，目前以采用同级孔、轴配合为宜。

(4)除采用互换性配合外，还宜采用配制配合。

(5)要特别注意测量误差对配合性质的影响。

［1］王伯平.互换性与技术测量［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［2］李柱.互换性与技术测量基础［M］.北京:中国计量出版社出版社，1984.