摘 要:本文以高壓電氣產(chǎn)品零件屏蔽罩為例,從理論和實(shí)際兩方面計(jì)算、分析、論證了溫度變化對(duì)線膨脹系數(shù)大的金屬零件的測(cè)量誤差影響程度,及溫度變化和零件測(cè)量誤差兩者的關(guān)系,從而對(duì)檢查員在實(shí)際檢查中采取有效措施避免溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,保證測(cè)量結(jié)果正確性起到指導(dǎo)作用;另外可對(duì)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)產(chǎn)品安裝環(huán)境對(duì)線膨脹系數(shù)大的金屬零件尺寸公差做相應(yīng)調(diào)整,保證產(chǎn)品可靠安全運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 引言

在實(shí)際機(jī)械零件檢測(cè)中,產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因很多,主要有因測(cè)量方法不完善引起的誤差、測(cè)量器具本身引起的誤差、主觀因素引起的誤差、客觀因素引起的誤差等。本文主要分析了溫度變化對(duì)線膨脹系數(shù)大的金屬零件引起的測(cè)量誤差,并給出了理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果比對(duì),得出溫度變化對(duì)線膨脹系數(shù)大的金屬零件的測(cè)量誤差影響程度,及溫度變化和零件測(cè)量誤差兩者的關(guān)系。

2 金屬線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

金屬材料線膨脹系數(shù)是指:金屬每升高1℃所增加長度與原來長度的比值,簡稱為線膨脹系數(shù)。它是衡量金屬材料熱膨脹大小的性能指標(biāo),線膨脹系數(shù)大的材料,它在受熱后膨脹就大,反之則小。依據(jù)《機(jī)械工程材料手冊(cè)》,線膨脹系數(shù)α的計(jì)算公式為

式中:δl—為測(cè)量誤差;l1—為被測(cè)長度;t2-t1—為溫度差。

在機(jī)械檢測(cè)中標(biāo)準(zhǔn)溫度為20℃,也就是t1=20℃,t2為測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度。

3 溫度變化對(duì)零件測(cè)量結(jié)果的影響

為了定量分析溫度變化對(duì)金屬材料線膨脹性能的影響程度,現(xiàn)以高壓電器產(chǎn)品中的屏蔽罩(圖1)為例予以說明。屏蔽罩在高壓電器產(chǎn)品中裝配位置分布在斷路器、隔離開關(guān)、內(nèi)部導(dǎo)體裝配部分及主母線部分,主要起導(dǎo)電和屏蔽作用。屏蔽罩中有一重要尺寸是熱壓配合尺寸,圖1中屏蔽罩的熱壓尺寸為φ109,材料為lf2。

為了測(cè)量出零件溫度變化引起的熱膨脹量,現(xiàn)比較五種溫度(0℃、10℃、20℃、30℃、40℃)下,同一個(gè)屏蔽罩的熱壓配合尺寸的理論尺寸測(cè)量誤差、實(shí)際尺寸測(cè)量誤差。

3·1 五種測(cè)量溫度下理論測(cè)量尺寸變化量

根據(jù)(1)式得出:

測(cè)量誤差δl=α·l1·(t2-t1)

依據(jù)《機(jī)械材料手冊(cè)》lf2的熱膨脹系數(shù)α=23·8×10-6k-1

(1)計(jì)算環(huán)境0℃時(shí)測(cè)量誤差

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

(2)計(jì)算環(huán)境10℃時(shí)測(cè)量誤差

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

(3)計(jì)算環(huán)境20℃時(shí)測(cè)量誤差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(20℃- 20℃) =0mm

(4)計(jì)算環(huán)境30℃時(shí)測(cè)量誤差

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

(5)計(jì)算環(huán)境溫度40℃時(shí)測(cè)量誤差

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

結(jié)合以上計(jì)算結(jié)果,我們對(duì)20℃測(cè)量合格零件(零件尺寸范圍在φ108·946~φ109mm),計(jì)算它在其它四種溫度0℃、10℃、30℃、40℃下對(duì)應(yīng)理論尺寸變化量,并計(jì)算在其它溫度下合格情況,結(jié)果見表1。

對(duì)表1計(jì)算結(jié)果作圖樣分析,如圖2所示。

從以上圖、表分析得出結(jié)論:

在20℃零件尺寸范圍在φ108·946—φ109mm,屬于合格零件,在其他四種溫度狀態(tài)0℃、10℃、30℃、40℃下不一定合格,而且溫度對(duì)膨脹性影響成線形關(guān)系。

3·2 五種溫度下零件的實(shí)際測(cè)量尺寸變化量

比較兩個(gè)零件在不同溫度下的尺寸值,并得出在不同溫度測(cè)量零件的合格情況。

對(duì)上表中零件的兩組尺寸作分布圖如圖3:

通過對(duì)兩個(gè)零件在不同溫度實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較分析,可以得出:在20℃合格零件,在其它溫度下測(cè)量不一定合格。而且偏離標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃越大,零件膨脹量越大,靠近標(biāo)準(zhǔn)溫度,膨脹量越小。

4 溫度變化對(duì)零件測(cè)量誤差影響程度的分析研究

4·1 溫度變化對(duì)零件尺寸的影響程度

由屏蔽罩理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量得出結(jié)論:同一個(gè)屏蔽罩在0℃和40℃,理論尺寸變化為0·1036mm;同一個(gè)屏蔽罩在0℃和40℃,實(shí)際測(cè)量尺寸變化為0·08mm。理論變化和實(shí)際測(cè)量基本吻合,從0℃到40℃,同一屏蔽罩尺寸變化量幾乎為零件尺寸允許公差(0~-0·054)mm的1·5~2倍。

同一屏蔽罩尺寸在0℃和20℃或40℃和20℃時(shí)測(cè)量,理論尺寸變化量(絕對(duì)值)為0·0518mm,實(shí)際測(cè)量尺寸變化量為0·04(絕對(duì)值)mm。理論變化和實(shí)際測(cè)量基本吻合。

4·2 溫度變化與膨脹量的關(guān)系

比較理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量中溫度變化與膨脹量的關(guān)系,理論上兩者呈線性關(guān)系,但實(shí)際上因?yàn)榱慵螤?、結(jié)構(gòu)等原因,兩者并非線性關(guān)系,而是以20℃為標(biāo)準(zhǔn),測(cè)量溫度接近20℃,零件線膨脹量越小(絕對(duì)值);測(cè)量溫度遠(yuǎn)離20℃,零件線膨脹量越大(絕對(duì)值)。因此我們?cè)谄帘握譁y(cè)量時(shí)盡量在20℃或接近20℃環(huán)境溫度下測(cè)量。以上結(jié)論可以解釋我們實(shí)際測(cè)量工作中下列現(xiàn)象:夏季檢查(零件沒有在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃或接近20℃下測(cè)量,而是本體溫度在40℃甚至更高溫度時(shí)測(cè)量)合格的零件,在冬季裝配時(shí)不合格;或者冬季檢查合格的零件(零件沒有在標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃或接近20℃下測(cè)量,而是本體溫度在0℃或更低溫度下測(cè)量),在夏季裝配時(shí)不合格。

4·3 解決措施

對(duì)線膨脹系數(shù)大的零件檢查時(shí),盡量在接近20℃環(huán)境溫度下測(cè)量。如果在夏季、冬季測(cè)量零件時(shí),一般情況下零件在外界環(huán)境下暴露時(shí)間較長,在檢查時(shí)注意,不要零件一到檢驗(yàn)現(xiàn)場就開始檢查,而要放置一定時(shí)間,等零件溫度接近20℃測(cè)量環(huán)境溫度時(shí),再開始測(cè)量。還有一種情況,對(duì)于剛加工完的零件,也不能立刻檢查尺寸,同樣也要放置一定時(shí)間,才能開始測(cè)量。這樣避免溫度變化給測(cè)量帶來的不利影響,便于檢查人員做出正確結(jié)論。

另外,溫度變化引起零件的膨脹,在產(chǎn)品裝配中也體現(xiàn)出來。因?yàn)閼敉飧邏弘姎猱a(chǎn)品現(xiàn)場溫度變化幅度很大,-30℃~40℃甚至超過此范圍,有可能在制造單位裝配、試驗(yàn)合格的產(chǎn)品,運(yùn)到用戶現(xiàn)場因?yàn)榄h(huán)境溫度變化的原因,有些零件膨脹導(dǎo)致配合松弛,嚴(yán)重者甚者脫落,這在高壓電氣產(chǎn)品中是不允許的,所以設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)一定考慮環(huán)境溫度影響,而不能同一種產(chǎn)品適用于各種溫度下運(yùn)行,這是不科學(xué)的,而要根據(jù)安裝現(xiàn)場溫度,對(duì)于一些線膨脹系數(shù)大的零件公差作相應(yīng)的調(diào)整,以避免溫度變化引起零件膨脹,從而給整個(gè)產(chǎn)品帶來不利影響。

5 結(jié)論

本文通過分析屏蔽罩在不同溫度下的誤差變化特性,討論了溫度變化對(duì)金屬零件的誤差影響程度,通過實(shí)例驗(yàn)證,得出了結(jié)論。檢查人員在檢查線膨脹系數(shù)大的零件時(shí)一定考慮溫度對(duì)零件尺寸測(cè)量的影響,特別是在夏季、冬季測(cè)量零件時(shí),不要茫然下結(jié)論,導(dǎo)致出現(xiàn)“假廢品”和誤判合格現(xiàn)象,給制造單位帶來不必要的損失或給裝配單位帶來不必要的麻煩,影響產(chǎn)品性能及使用。同時(shí)檢查人員懂得采取有效措施避免溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,保證測(cè)量結(jié)果正確性。另外設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品安裝環(huán)境,對(duì)部分零件尺寸公差做相應(yīng)調(diào)整,以保證產(chǎn)品可靠性。