温度变化对零件测量误差的影响

摘 要:本文以高压电气产品零件屏蔽罩为例,从理论和实际两方面计算、分析、论证了温度变化对线膨胀系数大的金属零件的测量误差影响程度,及温度变化和零件测量误差两者的关系,从而对检查员在实际检查中采取有效措施避免温度变化对测量结果的影响,保证测量结果正确性起到指导作用;另外可对设计人员在产品设计时根据产品安装环境对线膨胀系数大的金属零件尺寸公差做相应调整,保证产品可靠安全运行提供参考依据。

1 引言

在实际机械零件检测中,产生测量误差的原因很多,主要有因测量方法不完善引起的误差、测量器具本身引起的误差、主观因素引起的误差、客观因素引起的误差等。本文主要分析了温度变化对线膨胀系数大的金属零件引起的测量误差,并给出了理论计算和实际试验的结果比对,得出温度变化对线膨胀系数大的金属零件的测量误差影响程度,及温度变化和零件测量误差两者的关系。

2 金属线膨胀系数与温度的关系

金属材料线膨胀系数是指:金属每升高1℃所增加长度与原来长度的比值,简称为线膨胀系数。它是衡量金属材料热膨胀大小的性能指标,线膨胀系数大的材料,它在受热后膨胀就大,反之则小。依据《机械工程材料手册》,线膨胀系数α的计算公式为

式中:δl—为测量误差;l1—为被测长度;t2-t1—为温度差。

在机械检测中标准温度为20℃,也就是t1=20℃,t2为测量时环境温度。

3 温度变化对零件测量结果的影响

为了定量分析温度变化对金属材料线膨胀性能的影响程度,现以高压电器产品中的屏蔽罩(图1)为例予以说明。屏蔽罩在高压电器产品中装配位置分布在断路器、隔离开关、内部导体装配部分及主母线部分,主要起导电和屏蔽作用。屏蔽罩中有一重要尺寸是热压配合尺寸,图1中屏蔽罩的热压尺寸为φ109,材料为lf2。

为了测量出零件温度变化引起的热膨胀量,现比较五种温度(0℃、10℃、20℃、30℃、40℃)下,同一个屏蔽罩的热压配合尺寸的理论尺寸测量误差、实际尺寸测量误差。

3·1 五种测量温度下理论测量尺寸变化量

根据(1)式得出:

测量误差δl=α·l1·(t2-t1)

依据《机械材料手册》lf2的热膨胀系数α=23·8×10-6k-1

(1)计算环境0℃时测量误差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(0℃-20℃)=-0·0518mm

(2)计算环境10℃时测量误差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(10℃-20℃)=-0·0259mm

(3)计算环境20℃时测量误差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(20℃- 20℃) =0mm

(4)计算环境30℃时测量误差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(30℃- 20℃) =0·0259mm

(5)计算环境温度40℃时测量误差

δl=23·8×10-6k-1·109mm(40℃- 20℃) =0·0518mm

结合以上计算结果,我们对20℃测量合格零件(零件尺寸范围在φ108·946~φ109mm),计算它在其它四种温度0℃、10℃、30℃、40℃下对应理论尺寸变化量,并计算在其它温度下合格情况,结果见表1。

对表1计算结果作图样分析,如图2所示。

从以上图、表分析得出结论:

在20℃零件尺寸范围在φ108·946—φ109mm,属于合格零件,在其他四种温度状态0℃、10℃、30℃、40℃下不一定合格,而且温度对膨胀性影响成线形关系。

3·2 五种温度下零件的实际测量尺寸变化量

比较两个零件在不同温度下的尺寸值,并得出在不同温度测量零件的合格情况。

对上表中零件的两组尺寸作分布图如图3:

通过对两个零件在不同温度实际测量结果比较分析,可以得出:在20℃合格零件,在其它温度下测量不一定合格。而且偏离标准温度20℃越大,零件膨胀量越大,靠近标准温度,膨胀量越小。

4 温度变化对零件测量误差影响程度的分析研究

4·1 温度变化对零件尺寸的影响程度

由屏蔽罩理论计算和实际测量得出结论:同一个屏蔽罩在0℃和40℃,理论尺寸变化为0·1036mm;同一个屏蔽罩在0℃和40℃,实际测量尺寸变化为0·08mm。理论变化和实际测量基本吻合,从0℃到40℃,同一屏蔽罩尺寸变化量几乎为零件尺寸允许公差(0~-0·054)mm的1·5~2倍。

同一屏蔽罩尺寸在0℃和20℃或40℃和20℃时测量,理论尺寸变化量(绝对值)为0·0518mm,实际测量尺寸变化量为0·04(绝对值)mm。理论变化和实际测量基本吻合。

4·2 温度变化与膨胀量的关系

比较理论计算和实际测量中温度变化与膨胀量的关系,理论上两者呈线性关系,但实际上因为零件形状、结构等原因,两者并非线性关系,而是以20℃为标准,测量温度接近20℃,零件线膨胀量越小(绝对值);测量温度远离20℃,零件线膨胀量越大(绝对值)。因此我们在屏蔽罩测量时尽量在20℃或接近20℃环境温度下测量。以上结论可以解释我们实际测量工作中下列现象:夏季检查(零件没有在标准温度20℃或接近20℃下测量,而是本体温度在40℃甚至更高温度时测量)合格的零件,在冬季装配时不合格;或者冬季检查合格的零件(零件没有在标准温度20℃或接近20℃下测量,而是本体温度在0℃或更低温度下测量),在夏季装配时不合格。

4·3 解决措施

对线膨胀系数大的零件检查时,尽量在接近20℃环境温度下测量。如果在夏季、冬季测量零件时,一般情况下零件在外界环境下暴露时间较长,在检查时注意,不要零件一到检验现场就开始检查,而要放置一定时间,等零件温度接近20℃测量环境温度时,再开始测量。还有一种情况,对于刚加工完的零件,也不能立刻检查尺寸,同样也要放置一定时间,才能开始测量。这样避免温度变化给测量带来的不利影响,便于检查人员做出正确结论。

另外,温度变化引起零件的膨胀,在产品装配中也体现出来。因为户外高压电气产品现场温度变化幅度很大,-30℃~40℃甚至超过此范围,有可能在制造单位装配、试验合格的产品,运到用户现场因为环境温度变化的原因,有些零件膨胀导致配合松弛,严重者甚者脱落,这在高压电气产品中是不允许的,所以设计者在设计产品时一定考虑环境温度影响,而不能同一种产品适用于各种温度下运行,这是不科学的,而要根据安装现场温度,对于一些线膨胀系数大的零件公差作相应的调整,以避免温度变化引起零件膨胀,从而给整个产品带来不利影响。

5 结论

本文通过分析屏蔽罩在不同温度下的误差变化特性,讨论了温度变化对金属零件的误差影响程度,通过实例验证,得出了结论。检查人员在检查线膨胀系数大的零件时一定考虑温度对零件尺寸测量的影响,特别是在夏季、冬季测量零件时,不要茫然下结论,导致出现“假废品”和误判合格现象,给制造单位带来不必要的损失或给装配单位带来不必要的麻烦,影响产品性能及使用。同时检查人员懂得采取有效措施避免温度变化对测量结果的影响,保证测量结果正确性。另外设计人员根据产品安装环境,对部分零件尺寸公差做相应调整,以保证产品可靠性。