劉俊，劉泗溢，杜海軍，張玉凱，王本志

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

精密鈦合金鑄造其鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，一般尺寸公差等級要滿足CT4-7。鑄件在實際工況使用時，鑄造尺寸如何傳承鑄件最初的尺寸狀態(tài)，需要精鑄件明確鑄件基準，并以準確的基準傳遞形式在制造、檢驗、機加過程中合理應(yīng)用。基準主要以鑄件劃線、基準目標、一面多孔/銷的形式存在。目前，國內(nèi)鑄件在基準傳遞上多以鑄件劃線、鑄造特征的基準形式存在，這種傳遞方式具有簡單、快速的特點，但是基準要素因其形狀誤差較大，后續(xù)追溯性差，具有一定局限性。國外目前基準傳遞多采用六點定位、一面兩孔的形式存在，這種基準傳遞方式明確、重復(fù)性好、具有追溯性，但其對基準要素精度要求高，會增加生產(chǎn)成本。文中對以不同基準形式確定的鑄件坐標系原理在使用時的優(yōu)缺點進行評述，以期對鈦合金精鑄件在設(shè)計和后續(xù)加工基準的應(yīng)用上有所裨益[1—7]。

1 基準的表現(xiàn)形式

基準是為了限制公差帶的自由度，限制產(chǎn)品的坐標系，是零件加工、鑄造中不可缺少的一部分?；鶞实姆柾ǔ趫D紙上表示為圖1所示的形式。

圖1 基準特征Fig.1 Datum features

圖 1a所示符號可以直接標注到零件的基準特征上，基準特征可以是平面、曲面、圓柱、孔、錐、槽等；圖1b所示符號是基準目標，是對支撐部位的定義，符號的下半部分是基準的標識名稱，上半部分代表了基準與零件的接觸面積的大小，此例中其支撐面積為Φ5 mm的區(qū)域，如圖1b所示。如果上半部分為空，則表明基準支撐位點或是線接觸。

圖2a所示是使用點接觸的圖樣表示方法，圖2b所示是使用基準位置支撐面積的圖樣表示方法[8—19]。

圖2 基準圖樣Fig.2 Datum pattern

2 鑄件劃線基準

鑄件劃線是鑄造及機械加工的一道重要工序。根據(jù)圖樣和技術(shù)要求，在鑄造毛坯用劃線工具劃出作為基準點、線的過程，因此鑄件的劃線生成的基準是基準的特殊表現(xiàn)形式。然而，對于劃線的基準要求是線條清晰均勻，定型、定位尺寸準確。由于劃線的線條有一定寬度，一般在零件或鑄件表面上劃線，線寬精度范圍可以達到0.18～0.22 mm。在后續(xù)的加工中，通過找正基準線、點來確定鑄件的坐標系進行加工，而通常情況下，加工的精度不能完全由劃線確定，而是在加工過程中由測量來保證。由于劃線生成基準是看得到卻觸摸不到的基準形式，在鑄件加工后劃線基準也會隨之消失，而在加工過程中不確定因素較多，會因線寬精度、尺寸確定的局限性、人工找正工件難度大等原因，影響鑄件尺寸的傳承，若當(dāng)零件加工失敗，不利于原因分析。

鑄件劃線具有以下優(yōu)缺點：優(yōu)點是劃線簡單快速、邊界尺寸線直觀；缺點是劃線寬度精度差，劃線確認尺寸有局限性，尺寸傳遞誤差大，加工后鑄件尺寸狀態(tài)不可逆向測量。應(yīng)用典型：鑄件精度要求不高或是加工量大的鑄件[20—21]，見圖3。

圖3 某鑄件機加工余量線Fig.3 Machining allowance line of a casting

3 六點定位基準

圖4 3-2-1原點的原理Fig.4 Principle diagram of 3-2-1 origin

六點定位原理是指約束工件在空間具有 6個自由度，也稱3-2-1原理。6個自由度是指沿x,y,z三個直角坐標系軸方向的移動和繞這三個坐標軸旋轉(zhuǎn)。因此，要完全確定工件位置，就必須消除這6個自由度，通常用6個支撐點來限制工件的6個自由度，其中每個支撐點限制相應(yīng)的一個自由度。如下圖 4所示，基準A1,A2,A3所形成的面控制長方體的3個自由度，即z軸方向的平移、繞x,y軸方向的旋轉(zhuǎn)。B1,B2形成的線控制了2個自由度，即沿x軸方向的平移和繞z軸的旋轉(zhuǎn)。C1形成的點即控制了沿Y軸方向的平移，詳見表1。圖4、表1中：A1,A2,A3,B1,B2,C1表示基準目標點，x,y,z：坐標軸；Tx,Ty,Tz：表示沿所對應(yīng)坐標軸平移；Rx,Ry,Rz表示繞所對應(yīng)坐標軸旋轉(zhuǎn)；●表示所限制的自由度。

表1 3-2-1基準自由度控制表Tab.1 Control table of 3-2-1 baseline freedom

六點定位在應(yīng)用上要符合完全定位原理。六點定位對于任何形狀工件都是適用的，尤其是在中小型精密鈦合金鑄件上應(yīng)用極為廣泛，在尺寸標注上通常表現(xiàn)為圖1a和b的形式。在基準支撐位置、大小的選擇上，通常點支撐應(yīng)用于小型精鑄件且基準支撐點處結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的鑄造表面，例如圖 5a。區(qū)域支撐應(yīng)用于中小型結(jié)構(gòu)復(fù)雜件的鑄造表面，如圖 5b，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等特點，可以調(diào)整基準圓柱支撐面積和是否凸起。

圖5 基準實現(xiàn)形式Fig.5 Benchmark realization form

六點定位原理應(yīng)用在精密鈦合金鑄件上，主要有以下優(yōu)缺點：優(yōu)點是基準明確、重復(fù)定位性好、便于批量加工、鑄件尺寸狀態(tài)可逆；缺點是鑄造件產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性較差時，基準需要精修調(diào)整。

應(yīng)用典型：中小型精密鑄件見圖6（國外航空鈦合金鑄件，其中圖6a為SNECMA公司的中型薄壁復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)件，其中6b為GE公司的小型結(jié)構(gòu)鑄件）。

圖6 國外航空鈦合金鑄件Fig.6 Foreign aviation titanium alloy castings

鑄件上的六點定位基準是鑄件的工藝基準，它承載著鑄件上所有的尺寸信息，因此在設(shè)計時基準目標的位置應(yīng)該盡可能選在鑄件的非加工表面上，這樣零件尺寸和鑄件尺寸之間便有了“橋梁”。在鑄件加工時，基準目標一般情況下是定位基準，只起到定位工件的作用，很多時候是不可以承受載荷的，例如位于薄壁結(jié)構(gòu)區(qū)域的基準目標[22—23]。

4 一面兩孔基準

孔槽定位在機械加工中是最普遍的定位形式，其中一面兩孔的形式最為常見。圖7就是一面兩孔（孔槽定位）的示意圖，同樣適用于3-2-1原則的原理，3個支撐面A1,A2,A3代表著第一基準面的3個定位，B1和C1聯(lián)合建立了第二基準面，B2在水平方向定義了第三基準面，這個基準框架的坐標系原點建立在主定位銷的中心位置。

圖7 一面兩孔定位示意圖Fig.7 Schematic diagram of two-hole-one-side positioning

精密鈦合金鑄件上應(yīng)用一面兩孔的定位基準形式，其中基準面和基準孔鑄造工藝無法保證形狀和位置精度，因此基準需要進行精加工，因此在設(shè)計時需要對基準信息的形狀和位置尺寸提出要求，保障后續(xù)精加工時孔槽的精準定位，同時也保障了鑄造尺寸與零件尺寸的合理轉(zhuǎn)化。

鑄件上的一面兩孔的基準形式一般最終是被保留的，國內(nèi)外的做法一般分為兩種，可以設(shè)計在零件使用時不干涉的鑄造結(jié)構(gòu)位置，如圖 8a，也可以設(shè)計成零件狀態(tài)尺寸的一部分，如圖8b所示。

一面兩孔的定位形式具有以下優(yōu)缺點：優(yōu)點是基準明確，重復(fù)定位性好，便于找正，批量加工，鑄件與零件尺寸狀態(tài)可逆；缺點是基準需要精加工。

應(yīng)用典型：一面兩孔的定位形式多見于中大型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)件和中大型可適用于孔槽定位加工的結(jié)構(gòu)件[24—27]（圖8中圓圈處是鑄件的基準）。

5 結(jié)語

精密鈦合金鑄件多應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，而鈦合金鑄件處在產(chǎn)品供應(yīng)鏈的上游，生產(chǎn)出合格高品質(zhì)的鑄件對后續(xù)的加工裝配起到至關(guān)重要的作用。鑄件基準的確定是鑄件與零件尺寸傳遞的紐帶，確認好、使用好鑄件基準是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。縱觀國外，像法國SNECMA、美國GE和Honeywell公司、英國Rolls-Royce和Airbus公司、比利時宇航公司等，在鑄件基準的傳遞上多以六點定位、一面兩孔的基準形式存在；國內(nèi)設(shè)計院所、鑄造廠在鑄件基準的傳遞上多以劃線、鑄造特征的基準形式存在[28]。

在現(xiàn)代工業(yè)制造中，設(shè)計者與制造者應(yīng)在設(shè)計制造初期根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點、加工工藝、工程化程度、鑄件公差標注等不同因素，選擇明確相應(yīng)的基準傳遞形式，目前常用的基準傳遞形式總結(jié)如下。

1) 鑄件劃線基準的傳遞形式具有簡單快捷、邊界尺寸線直觀、成本低的優(yōu)點，適用于結(jié)構(gòu)簡單、精度要求不高、小批量的鑄件。

2) 六點定位基準的傳遞形式，重復(fù)定位性好、鑄件尺寸狀態(tài)追溯性強、基準明確，適用于大批量的中小型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的精密鑄件。

3) 一面兩孔基準的傳遞形式定位精度高，重復(fù)定位性好，鑄件尺寸狀態(tài)追溯性強，適用于中大型箱體、回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)鑄件。

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