付云飛

（昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，昆明 650051）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們對機械制造和加工精度的要求越來越高。但是因為機械零件在制造和加工中，容易受溫度變化影響，導(dǎo)致其配合精度和位置精度降低[1]。由于熱變形誤差影響巨大，現(xiàn)在已成為人們研究的重點。經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，目前機械精度有了很大提高，但是測量精度并沒有跟上機械精度技術(shù)的發(fā)展[2]。所以，伴隨著人們對機械零件的要求越來越高，檢測技術(shù)提升與發(fā)展勢在必行。

1 機械零件溫度影響基礎(chǔ)理論

1.1 熱膨脹理論

所謂“熱膨脹”是指在溫度改變條件下，物體出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，一般情況下是指外界壓強恒定的狀態(tài)下，物質(zhì)體積隨著溫度的升高而變大的現(xiàn)象。其中原子的熱震動是造成熱膨脹的主要原因，當(dāng)原子發(fā)生熱震動現(xiàn)象時，如果原子之間平衡位置與相互作用力關(guān)系呈線性關(guān)系，那么表明平衡位置兩側(cè)位移距離相等、受力相等，溫度變化對原子振動振幅產(chǎn)生了影響，且對原子距離沒有影響，原子的中心位置應(yīng)該保持不變[3]。但很明顯，在這種情況下，振動導(dǎo)致零件出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，這就表明了原子的位移與原子間作用力不是呈線性關(guān)系的。

用準(zhǔn)諧振近似理論對零件的熱膨脹現(xiàn)象進(jìn)行解釋，即原子能夠按照一定的幾何形狀結(jié)合成穩(wěn)定晶體，因為原子之間的這種結(jié)合力并不是簡單的相互吸引或者相互排斥，而是兩者兼有。因此在實際的機械零件中，材料中的斥力勢能、引力勢能、平衡參數(shù)等常數(shù)會隨著材料結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、組成晶體的元素的改變而改變。除此之外，為了能夠更加準(zhǔn)確地了解熱膨脹現(xiàn)象，還需要對材料各項參數(shù)進(jìn)行分析研究。

1.2 熱彈性理論

在進(jìn)行機械材料研究時，研究者常常把應(yīng)力的產(chǎn)生歸結(jié)到外力的作用，但是外力并不是應(yīng)力產(chǎn)生的唯一因素，溫度也是應(yīng)力產(chǎn)生的一大因素。而上面提到的熱膨脹現(xiàn)象只是對溫度變化進(jìn)行考慮，并沒有將其他條件考慮在內(nèi)。當(dāng)組成零件的材料不同時，將會抑制材料的自由膨脹[4]。對于不同材料組成的零件，相鄰部分會由于溫度分布差異造成應(yīng)力，即使是零件材料相同，內(nèi)部的溫度場也并不相同，各部分的膨脹程度也會有很大差異。

一般來說，造成熱應(yīng)力的有外部、內(nèi)部和相互三種變形約束。所以，熱應(yīng)力分析要同時考慮材料的性質(zhì)與溫度關(guān)系以及熱力學(xué)相關(guān)知識。大部分情況下，需要對熱與力之間的作用進(jìn)行綜合研究，這類問題綜合起來就是非耦合熱彈性問題，一般能夠通過熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行推導(dǎo)。

2 基于溫度影響的機械零件檢測技術(shù)要點分析

2.1 檢測技術(shù)分類

2.1.1 無損檢測技術(shù)

目前無損傷檢測技術(shù)是機械零件檢測中應(yīng)用較多的一種方法，通過合理應(yīng)用無損檢測技術(shù)，能夠很好地實現(xiàn)機械零件缺陷檢測目標(biāo)，該方法在機械零件檢測中發(fā)揮著重要作用。

與其他檢測技術(shù)不同，無損檢測技術(shù)不僅能夠有效控制機械零件的質(zhì)量，還可以有效防止機械零件在檢測過程中發(fā)生損壞，有效地提升了檢測安全性，保證了機械零件的完整性。無損傷檢測技術(shù)在機械零件維修方面發(fā)揮重要作用，成為維修工藝的主要技術(shù)。

雖然相比其他檢測技術(shù)，無損檢測技術(shù)受溫度的影響較小，但并不意味著沒有影響，在一定程度上，溫度還是會對檢測結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，尤其進(jìn)行在線檢測時，需要采取一定的方式消除溫度造成的檢測誤差。

2.1.2 超聲波檢測技術(shù)

除無損檢測技術(shù)外，超聲波檢測技術(shù)在機械零件檢測中應(yīng)用也是非常廣泛，是非常重要的一種檢測方式。超聲波檢測技術(shù)主要是應(yīng)用超聲波對機械零件進(jìn)行檢測，它的主要特點是性能優(yōu)良，檢測速度快，同時對零件無損害。但是超聲波檢測技術(shù)仍然存在一定的弊端，最主要的一項就是機械零件對超聲波檢測儀器性能要求過高。一般情況下，使用超聲波檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，要對探測儀器頻率進(jìn)行嚴(yán)格控制，使其處于2～2.5Hz范圍內(nèi)。另外晶片直徑尺寸也是需要控制的重要指標(biāo)，厚度控制在28mm以上。

在實際檢測過程中，還應(yīng)該特別注意的一點是超聲波檢測設(shè)備的使用環(huán)境。由于超聲波檢測設(shè)備本身精密度較高，所以在檢測過程中，要保持檢測設(shè)備的運行環(huán)境穩(wěn)定，從而使最終檢測結(jié)果精準(zhǔn)、可信。在所有影響檢測結(jié)果的因素中，溫度影響是最為關(guān)鍵的一項，也是本文研究的重點。

2.2 提高檢測精度的熱誤差補償技術(shù)

2.2.1 熱誤差補償技術(shù)介紹

國內(nèi)外大部分專家將溫度補償技術(shù)分為隔離熱源、降低熱源影響和溫度誤差數(shù)學(xué)模型三種，其中隔離熱源的方法需要建立恒溫室，成本較高，而且不適合應(yīng)用于在線檢測的情況。

溫度誤差的數(shù)學(xué)模型通過溫度采集點的設(shè)置，根據(jù)測頭測量的數(shù)據(jù)，計算出偏移量，這種方法存在的問題是外界因素對檢測結(jié)果的影響較大，許多因素都會對檢測造成影響，例如震動、氣流以及機床運行等，產(chǎn)生的溫度梯度將會對檢測結(jié)果造成重大影響。此外在進(jìn)行熱變形計算時，數(shù)學(xué)模型要求計算量非常大，基本很難給出溫度補償?shù)臄?shù)學(xué)模型。另外，溫度的多節(jié)點采集系統(tǒng)和補償算法的復(fù)雜性都給測量機提出了更高的要求，不僅成本高，還無法保證測量精度，不適合在線檢測的情況。

而基于雙環(huán)法的溫度補償，在進(jìn)行溫度模型建立時，可以根據(jù)誤差得到相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)量，再通過實物測量對機械零件熱變形進(jìn)行誤差補償，就能成功實現(xiàn)機械零件的在線檢測。2.2.2 借助雙環(huán)法實現(xiàn)溫度誤差補償

采用雙環(huán)法進(jìn)行溫度誤差補償?shù)臋z測時，首先需要建立數(shù)學(xué)模型，補償熱變形誤差。熱誤差的來源受多方面因素影響，如測量機測頭溫度變化、工件熱變形、結(jié)構(gòu)熱變形等，其中最主要的誤差來源是測量機的結(jié)構(gòu)熱變形。為了實現(xiàn)熱變形誤差的補償，需要對測量軸進(jìn)行校準(zhǔn)，并對回轉(zhuǎn)體軸線進(jìn)行相對位置校準(zhǔn)。一般來說，回轉(zhuǎn)體的測量很短，因此可以忽略其熱變形誤差，建立基本模型。對于零件造成的形位誤差，由于回轉(zhuǎn)軸線和測量架之間的熱變形對測量中心線影響不大，所以可以不對形位誤差進(jìn)行補償，用最小二乘法進(jìn)行擬合，然后進(jìn)行中心線測量，并最終建立完整的溫度補差模型。

3 結(jié)語

綜上所述，零件檢測技術(shù)在保證機械零件精密度方面起到了重要作用，而由于溫度對檢測結(jié)果的影響，需要采取相應(yīng)的熱誤差補償技術(shù)保證測量結(jié)果的精確。本文對該問題進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)溫度熱誤差補償技術(shù)能夠有效對熱變形誤差進(jìn)行處理，使機械零件檢測結(jié)果的可靠性得到了保證。