劉泗溢，杜海軍，王本志，張軍威，田智星

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院鑄鈦中心，北京 100095；3. 北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

HB 6103—2004（文中簡(jiǎn)稱航標(biāo)）是中華人民共和國(guó)航空行業(yè)鑄造公差標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鑄件尺寸公差和機(jī)械加工余量作了規(guī)定，尺寸公差是獨(dú)立的，沒有基準(zhǔn)約束。例如，鑄造一根芯棒，航標(biāo)可以限定芯棒的直徑公差，不限制其圓柱度；鑄造一個(gè)平板，航標(biāo)可以限定平板的厚度公差，不限制其平面度。在實(shí)際的鑄件上也是同樣的道理，可以限制其產(chǎn)品上每個(gè)尺寸的尺寸公差，不限制尺寸要素之間的空間位置關(guān)系，因此，不管是航標(biāo)HB 6103—2004，還是歐標(biāo)IS 8062：1994，它們均無(wú)法規(guī)定產(chǎn)品尺寸的使用屬性[1—4]。

目前，鑄件設(shè)計(jì)過程中，在鑄件圖紙上僅標(biāo)注鑄件尺寸公差，導(dǎo)致鑄件圖紙?jiān)诔叽缭跇?biāo)注上信息表達(dá)不全，關(guān)鍵幾何尺寸不描述，未能充分、準(zhǔn)確地表達(dá)鑄件的各種要求。根據(jù)這類圖紙進(jìn)行鑄件開發(fā)時(shí)，測(cè)量工程師無(wú)法依據(jù)圖紙要求正常檢測(cè)鑄件尺寸，通常需要鑄造工程師和設(shè)計(jì)師進(jìn)行多次溝通，才能了解設(shè)計(jì)師的真正意圖，增加鑄件開發(fā)難度、周期。

合理使用航標(biāo)HB 6103中鑄造尺寸公差，對(duì)于鑄件的開發(fā)至關(guān)重要。在下面內(nèi)容中將舉例鑄件研發(fā)過程中圖紙尺寸標(biāo)注和尺寸檢驗(yàn)方法的實(shí)際案例，通過案例圖樣進(jìn)行總結(jié)分析，解析鑄造尺寸公差標(biāo)注與尺寸測(cè)量上的分歧、矛盾和差異。

1 產(chǎn)品幾何公差（GD&T）介紹

1.1 GD&T來(lái)源

幾何公差在20世紀(jì)30年代被提出來(lái)，經(jīng)過不斷地完善和改進(jìn)，是一代又一代工程師和專家們?cè)诶碚摵蛯?shí)踐中總結(jié)出來(lái)的人類智慧結(jié)晶。根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，正確的使用幾何公差會(huì)使研發(fā)、生產(chǎn)的質(zhì)量水平提高15%～20%。

幾何公差的產(chǎn)生，是因?yàn)殡S著生產(chǎn)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的提高，尺寸公差系統(tǒng)已經(jīng)不能充分表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，設(shè)計(jì)者迫切需要一種能夠精確邏輯的工程語(yǔ)言來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。而尺寸公差這種工程語(yǔ)言很難將創(chuàng)造性復(fù)雜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品表達(dá)清楚，并被其他人準(zhǔn)確理解，設(shè)計(jì)者定義的尺寸公差通常會(huì)因制造者或檢測(cè)者不同而有著不同的理解，會(huì)導(dǎo)致不能精確傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖[5]。

1.2 尺寸公差的表達(dá)

線性尺寸，簡(jiǎn)稱尺寸，是指兩點(diǎn)之間的距離，如直徑、半徑、寬度、深度、高度等在圖紙標(biāo)注中常見的線性尺寸有圖1所示的4種表達(dá)方式。

一個(gè)理想的尺寸或是定位尺寸就是公稱尺寸，也被成為理論尺寸，被包含在矩形框內(nèi)在圖樣上表達(dá)出來(lái)，是并非需要檢測(cè)的尺寸，見圖 1a。參考尺寸在圖樣中被標(biāo)注在括號(hào)內(nèi)，通常是尺寸鏈中作為工藝參考的驗(yàn)證尺寸，一般為尺寸鏈中的冗余尺寸，同樣不需要檢測(cè)，見圖 1b。當(dāng)公稱尺寸后有公差，就是尺寸公差，見圖1c，這樣的尺寸需要檢驗(yàn)。在圖1d中，這樣的尺寸出現(xiàn)在零件圖中通常沒有特殊要求，不需要檢測(cè)，甴生產(chǎn)設(shè)備保證精度。當(dāng)出現(xiàn)在鑄圖中，其公差參考一般技術(shù)要求中的規(guī)定，例如航空鑄件引用的是 HB 6103—2004[6—9]。

圖1 尺寸公差表達(dá)方式Fig.1 Expression of dimensional tolerance

2 HB 6103—2004鑄造尺寸公差在應(yīng)用中的案例分析

目前世界鑄造行業(yè)內(nèi)的鑄造公差主要分為歐標(biāo)IS 8062：1994、中國(guó)航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB 6103—2004，還有些航空品制造商有著自己的鑄造公差標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于鑄件尺寸公差而言，這幾種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)的均是隨著鑄件基本尺寸的增加其鑄件尺寸公差隨之增大，以 HB 6103—2004為例，鑄件尺寸公差等級(jí)共分為16級(jí)[10]。標(biāo)準(zhǔn)中的圖樣示例均說明其定義的尺寸要素是直徑、半徑、寬度、深度、高度等，因此，鑄造尺寸公差定義的是鑄件基本尺寸[11]，它是獨(dú)立尺寸，沒有基準(zhǔn)的約束，因此按照航標(biāo)執(zhí)行產(chǎn)品測(cè)量時(shí)，只能針對(duì)鑄件尺寸公差部分進(jìn)行檢測(cè)。

在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)的鈦合金鑄件在尺寸檢測(cè)時(shí)通常使用幾何公差驗(yàn)證尺寸公差，導(dǎo)致產(chǎn)品測(cè)量后結(jié)果不合格，主要?dú)w納為以下幾類（下文所有圖樣示尺寸公差執(zhí)行HB 6103—2004 CT7級(jí)）。

2.1 線性尺寸被作為位置尺寸測(cè)量

圖紙分析：圖 2a中的尺寸鏈?zhǔn)氰T件尺寸圖紙標(biāo)注。分析圖紙可以知，尺寸鏈上的Xmax=205+1.5=206.5，Xmin=205-1.5=203.5。其中A基準(zhǔn)標(biāo)注無(wú)測(cè)量上的意義，因?yàn)槌叽绻畈皇芑鶞?zhǔn)約束。

使用圖 2a所示圖紙進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，會(huì)有兩種測(cè)量方法：

1) 使用量具法直接測(cè)量2個(gè)平面直接的距離。

2) 以A基準(zhǔn)找正，以基準(zhǔn)平面A為起點(diǎn)對(duì), , ①①③號(hào)尺寸進(jìn)行測(cè)量，均采用尺寸公差作為幾何公差使用，其公差分配如圖2b所示。

圖2 線性尺寸Fig.2 Linear size

測(cè)量方法案例分析：

第1種測(cè)量方案，采取直接測(cè)量。雖然這種測(cè)量方式符合圖紙要求，但公差累計(jì)時(shí)，尺寸鏈上的X=Xmax-Xmin=2.5，若以基準(zhǔn)進(jìn)行線性加工，且平面1是加工量為2.5的加工面，可能會(huì)影響零件的加工。

圖3 測(cè)平面放大后測(cè)量示意圖Fig.3 Magnification diagram of plane

第2種測(cè)量方案，見圖3。使用基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，避免了公差累計(jì)，在一定程度上也可以滿足加工需求，但是卻違背了圖紙和測(cè)量要求：其一，圖紙中要求其尺寸公差按航標(biāo)執(zhí)行，并未要求幾何公差，因此沒有引用基準(zhǔn)測(cè)量的條件；其二，即便是使用基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，鑄件尺寸公差不等同于幾何公差，兩者之間有著本質(zhì)差異，區(qū)別在于幾何公差在使用基準(zhǔn)時(shí)，基準(zhǔn)以基準(zhǔn)模擬體的形式被引用，基準(zhǔn)和公差帶分布見圖 3a。鑄件尺寸公差使用獨(dú)立原則即兩點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，見圖3b，例如 ① , ① , ③是3處測(cè)量的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。后續(xù)案例不再進(jìn)行相同點(diǎn)的闡述[12]。

2.2 形狀尺寸被作為位置尺寸測(cè)量

2.2.1 案例 1

圖紙分析：在圖 4a中，尺寸標(biāo)注方式經(jīng)常會(huì)被標(biāo)注在鑄件圖上，圖中尺寸按照航標(biāo)HB 6103之CT7要求分配尺寸公差，明確了A和B基準(zhǔn)。

測(cè)量方法：

圖4 某產(chǎn)品側(cè)視圖Fig.4 Side view of product

使用圖 4a的圖紙進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)會(huì)有2種測(cè)量方法。

1) 直接按照?qǐng)D紙標(biāo)注測(cè)量，例如使用卡尺測(cè)量①, ① ,①號(hào)直徑，使用高度尺測(cè)量③, ③號(hào)，只測(cè)量形狀尺寸不考慮其位置尺寸。

2) 為兼顧后續(xù)正常加工，需參考基準(zhǔn)對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量?？紤]位置尺寸，其中幾何公差按尺寸公差進(jìn)行測(cè)量，幾何公差分布見圖4b。

測(cè)量方法案例分析：

第1種測(cè)量方案，采取直接測(cè)量。這種測(cè)量方式符合圖紙要求，當(dāng)①, ①號(hào)尺寸沒有幾何尺寸約束時(shí)，雖然尺寸公差符合要求，但尺寸位置發(fā)生偏移時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)圖5中的情況。

第2種測(cè)量方案，使用基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，存在以下問題：首先，測(cè)量時(shí)沒有引用基準(zhǔn)的技術(shù)條件；其次，幾何公差按尺寸公差進(jìn)行測(cè)量，產(chǎn)品尺寸合格率下降[13—15]。

2.2.2 案例2

圖5 位置扭曲實(shí)例Fig.5 Position movement

圖6 圖紙示意圖Fig.6 Diagram of drawing

圖紙分析：圖 6a的標(biāo)注方式經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件圖紙中，需要正確理解。首先帶框尺寸是定位性描述尺寸，根據(jù)航標(biāo)中5.7.2規(guī)定是需要機(jī)械加工的要素，其中心位置尺寸在劃線檢查時(shí)不給公差，因此定義為理論尺寸。圖6b線性方向都賦予了公差，也是圖紙常見的標(biāo)注方式。

對(duì)于該產(chǎn)品而言，圖紙中最關(guān)鍵的尺寸應(yīng)該是零件加工后內(nèi)孔壁到外邊界的壁厚尺寸。根據(jù)圖6b圖紙的標(biāo)注方式，測(cè)量時(shí)一般會(huì)有兩種測(cè)量方法：

1) 不考慮其位置尺寸，使用R規(guī)直接測(cè)量圖紙標(biāo)注尺寸R20，找到R20實(shí)際圓心，將圖中, , ①①③號(hào)尺寸賦予尺寸公差進(jìn)行測(cè)量。

2) 使用基準(zhǔn)對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量，以A和B基準(zhǔn)對(duì)R20理論圓心位置進(jìn)行劃線，測(cè)量理論圓心距離R20外邊界的距離，公差按照±0.41進(jìn)行判定。

測(cè)量方法案例分析：

第1種測(cè)量方案采取直接測(cè)量。測(cè)量方式符合圖紙要求，但鑄造R角形狀誤差大，R20的實(shí)際圓心位置難以確認(rèn)，導(dǎo)致, , ①①③號(hào)尺寸難以測(cè)量。若R20圓心位置放生偏移，后續(xù)按基準(zhǔn)機(jī)械加工時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致圖7所示的情況，可能會(huì)影響零件的使用。

圖7 位置扭曲實(shí)例Fig.7 Position movement

第2種方法按照基準(zhǔn)位置進(jìn)行測(cè)量。其一，該測(cè)量方式不符合圖紙要求；其二，在尺寸測(cè)量時(shí)引入基準(zhǔn)，不符合HB 6103對(duì)鑄件尺寸公差定義；其三，在測(cè)量R20時(shí)，將尺寸公差帶按幾何公差帶使用，公差帶混淆。

圖8 圖紙標(biāo)注Fig.8 Annotation of drawing

為正確使用HB 6103對(duì)鑄件圖紙標(biāo)注，采用圖8所示的標(biāo)注方式，引入基準(zhǔn)系對(duì)R20進(jìn)行定義。首先，R20是尺寸公差，按照HB 6103進(jìn)行公差標(biāo)注；其次，考慮零件在使用時(shí)，關(guān)鍵尺寸是零件加工后內(nèi)孔壁到外邊界的壁厚尺寸，因此可以使用面輪廓度或者位置度的語(yǔ)言來(lái)表述，使用輪廓度時(shí)可以使用不等公差帶控制壁厚，在使用位置度時(shí)可以使用 LMC（最小實(shí)體尺寸）控制壁厚。但是定義幾何公差X時(shí)，需要設(shè)計(jì)者根據(jù)產(chǎn)品的使用工況合理定義公差帶。

2.3 角度尺寸測(cè)量

圖紙分析：圖 9a的角度標(biāo)注并沒有給定公差，航標(biāo)中沒有規(guī)定角度公差，如何判定鑄件尺寸合格，圖9c圖紙給定了角度公差，如何判定鑄件尺寸合格。

測(cè)量方法：直接測(cè)量，例如使用角度尺，以A基準(zhǔn)對(duì)齊測(cè)量，見圖9b所示，當(dāng)無(wú)公差要求時(shí)檢驗(yàn)不進(jìn)行尺寸判定，只需測(cè)量實(shí)際角度。

測(cè)量案例分析：圖9b示例說明，由于鑄造表面形狀誤差較大，很難直接判斷被測(cè)要素的實(shí)際位置。由圖9c示例可以看出，當(dāng)L2>>L1時(shí)，被測(cè)對(duì)象位置輕微偏移其角度就會(huì)出現(xiàn)很大波動(dòng)，這體現(xiàn)了角度公差測(cè)量的局限性。因此，在鑄件產(chǎn)品中角度關(guān)系應(yīng)當(dāng)有效表達(dá)，以消除圖9b和c因測(cè)量、結(jié)構(gòu)等測(cè)量不確定性因素造成的影響。

圖9 角度測(cè)量示意圖Fig.9 Diagram of angle measurement

解決方案：可以使用幾何公差的語(yǔ)言，如面輪廓度或位置度來(lái)表達(dá)，見圖 10，通過公差帶X可以知道，可以同時(shí)包容被測(cè)要素的位置和形狀。同樣定義公差帶X時(shí)，要求設(shè)計(jì)師根據(jù)產(chǎn)品的使用工況確認(rèn)。

圖10 面輪廓度公差帶示意圖Fig.10 Tolerance zone of surface profile

3 總結(jié)

尺寸公差和幾何公差是圖紙語(yǔ)言的天平，在圖紙語(yǔ)言的表達(dá)上缺少任意一方，都會(huì)使圖紙?jiān)O(shè)計(jì)失衡導(dǎo)致表達(dá)不準(zhǔn)確，同時(shí)得到如下結(jié)論。

1) 在鑄件圖紙標(biāo)注尺寸時(shí)不能過于依賴 HB6103。

2) 合理標(biāo)注鑄件圖紙尺寸，避免尺寸公差等同于幾何公差使用。

3) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用工況，合理定義幾何公差帶。

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