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(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）

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(jí)要滿(mǎn)足CT4-7。鑄件在實(shí)際工況使用時(shí)，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(zhǔn)，并以準(zhǔn)確的基準(zhǔn)傳遞形式在制造、檢驗(yàn)、機(jī)加過(guò)程中合理應(yīng)用?；鶞?zhǔn)主要以鑄件劃線(xiàn)、基準(zhǔn)目標(biāo)、一面多孔/銷(xiāo)的形式存在。目前，國(guó)內(nèi)鑄件在基準(zhǔn)傳遞上多以鑄件劃線(xiàn)、鑄造特征的基準(zhǔn)形式存在，這種傳遞方式具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，但是基準(zhǔn)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(guó)外目前基準(zhǔn)傳遞多采用六點(diǎn)定位、一面兩孔的形式存在，這種基準(zhǔn)傳遞方式明確、重復(fù)性好、具有追溯性，但其對(duì)基準(zhǔn)要素精度要求高，會(huì)增加生產(chǎn)成本。文中對(duì)以不同基準(zhǔn)形式確定的鑄件坐標(biāo)系原理在使用時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)述，以期對(duì)鈦合金精鑄件在設(shè)計(jì)和后續(xù)加工基準(zhǔn)的應(yīng)用上有所裨益[1—7]。

1 基準(zhǔn)的表現(xiàn)形式

基準(zhǔn)是為了限制公差帶的自由度，限制產(chǎn)品的坐標(biāo)系，是零件加工、鑄造中不可缺少的一部分。基準(zhǔn)的符號(hào)通常會(huì)在圖紙上表示為圖1所示的形式。

圖1 基準(zhǔn)特征Fig.1 Datum features

圖 1a所示符號(hào)可以直接標(biāo)注到零件的基準(zhǔn)特征上，基準(zhǔn)特征可以是平面、曲面、圓柱、孔、錐、槽等；圖1b所示符號(hào)是基準(zhǔn)目標(biāo)，是對(duì)支撐部位的定義，符號(hào)的下半部分是基準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)名稱(chēng)，上半部分代表了基準(zhǔn)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(zhǔn)支撐位點(diǎn)或是線(xiàn)接觸。

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

圖2 基準(zhǔn)圖樣Fig.2 Datum pattern

2 鑄件劃線(xiàn)基準(zhǔn)

鑄件劃線(xiàn)是鑄造及機(jī)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(xiàn)工具劃出作為基準(zhǔn)點(diǎn)、線(xiàn)的過(guò)程，因此鑄件的劃線(xiàn)生成的基準(zhǔn)是基準(zhǔn)的特殊表現(xiàn)形式。然而，對(duì)于劃線(xiàn)的基準(zhǔn)要求是線(xiàn)條清晰均勻，定型、定位尺寸準(zhǔn)確。由于劃線(xiàn)的線(xiàn)條有一定寬度，一般在零件或鑄件表面上劃線(xiàn)，線(xiàn)寬精度范圍可以達(dá)到0.18～0.22 mm。在后續(xù)的加工中，通過(guò)找正基準(zhǔn)線(xiàn)、點(diǎn)來(lái)確定鑄件的坐標(biāo)系進(jìn)行加工，而通常情況下，加工的精度不能完全由劃線(xiàn)確定，而是在加工過(guò)程中由測(cè)量來(lái)保證。由于劃線(xiàn)生成基準(zhǔn)是看得到卻觸摸不到的基準(zhǔn)形式，在鑄件加工后劃線(xiàn)基準(zhǔn)也會(huì)隨之消失，而在加工過(guò)程中不確定因素較多，會(huì)因線(xiàn)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(xiàn)具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是劃線(xiàn)簡(jiǎn)單快速、邊界尺寸線(xiàn)直觀(guān)；缺點(diǎn)是劃線(xiàn)寬度精度差，劃線(xiàn)確認(rèn)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(cè)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(jiàn)圖3。

圖3 某鑄件機(jī)加工余量線(xiàn)Fig.3 Machining allowance line of a casting

3 六點(diǎn)定位基準(zhǔn)

圖4 3-2-1原點(diǎn)的原理Fig.4 Principle diagram of 3-2-1 origin

六點(diǎn)定位原理是指約束工件在空間具有 6個(gè)自由度，也稱(chēng)3-2-1原理。6個(gè)自由度是指沿x,y,z三個(gè)直角坐標(biāo)系軸方向的移動(dòng)和繞這三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)。因此，要完全確定工件位置，就必須消除這6個(gè)自由度，通常用6個(gè)支撐點(diǎn)來(lái)限制工件的6個(gè)自由度，其中每個(gè)支撐點(diǎn)限制相應(yīng)的一個(gè)自由度。如下圖 4所示，基準(zhǔn)A1,A2,A3所形成的面控制長(zhǎng)方體的3個(gè)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(xiàn)控制了2個(gè)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(diǎn)即控制了沿Y軸方向的平移，詳見(jiàn)表1。圖4、表1中：A1,A2,A3,B1,B2,C1表示基準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)，x,y,z：坐標(biāo)軸；Tx,Ty,Tz：表示沿所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸平移；Rx,Ry,Rz表示繞所對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)；●表示所限制的自由度。

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

六點(diǎn)定位在應(yīng)用上要符合完全定位原理。六點(diǎn)定位對(duì)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(biāo)注上通常表現(xiàn)為圖1a和b的形式。在基準(zhǔn)支撐位置、大小的選擇上，通常點(diǎn)支撐應(yīng)用于小型精鑄件且基準(zhǔn)支撐點(diǎn)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(diǎn)，可以調(diào)整基準(zhǔn)圓柱支撐面積和是否凸起。

圖5 基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)形式Fig.5 Benchmark realization form

六點(diǎn)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是基準(zhǔn)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(diǎn)是鑄造件產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性較差時(shí)，基準(zhǔn)需要精修調(diào)整。

應(yīng)用典型：中小型精密鑄件見(jiàn)圖6（國(guó)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(guó)外航空鈦合金鑄件Fig.6 Foreign aviation titanium alloy castings

鑄件上的六點(diǎn)定位基準(zhǔn)是鑄件的工藝基準(zhǔn)，它承載著鑄件上所有的尺寸信息，因此在設(shè)計(jì)時(shí)基準(zhǔn)目標(biāo)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(shí)，基準(zhǔn)目標(biāo)一般情況下是定位基準(zhǔn)，只起到定位工件的作用，很多時(shí)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(zhǔn)目標(biāo)[22—23]。

4 一面兩孔基準(zhǔn)

孔槽定位在機(jī)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(jiàn)。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(gè)支撐面A1,A2,A3代表著第一基準(zhǔn)面的3個(gè)定位，B1和C1聯(lián)合建立了第二基準(zhǔn)面，B2在水平方向定義了第三基準(zhǔn)面，這個(gè)基準(zhǔn)框架的坐標(biāo)系原點(diǎn)建立在主定位銷(xiāo)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(zhǔn)形式，其中基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)孔鑄造工藝無(wú)法保證形狀和位置精度，因此基準(zhǔn)需要進(jìn)行精加工，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)基準(zhǔn)信息的形狀和位置尺寸提出要求，保障后續(xù)精加工時(shí)孔槽的精準(zhǔn)定位，同時(shí)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(zhǔn)形式一般最終是被保留的，國(guó)內(nèi)外的做法一般分為兩種，可以設(shè)計(jì)在零件使用時(shí)不干涉的鑄造結(jié)構(gòu)位置，如圖 8a，也可以設(shè)計(jì)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(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是基準(zhǔn)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(diǎn)是基準(zhǔn)需要精加工。

應(yīng)用典型：一面兩孔的定位形式多見(jiàn)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(zhǔn)）。

5 結(jié)語(yǔ)

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(duì)后續(xù)的加工裝配起到至關(guān)重要的作用。鑄件基準(zhǔn)的確定是鑄件與零件尺寸傳遞的紐帶，確認(rèn)好、使用好鑄件基準(zhǔn)是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)?？v觀(guān)國(guó)外，像法國(guó)SNECMA、美國(guó)GE和Honeywell公司、英國(guó)Rolls-Royce和Airbus公司、比利時(shí)宇航公司等，在鑄件基準(zhǔn)的傳遞上多以六點(diǎn)定位、一面兩孔的基準(zhǔn)形式存在；國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院所、鑄造廠(chǎng)在鑄件基準(zhǔn)的傳遞上多以劃線(xiàn)、鑄造特征的基準(zhǔn)形式存在[28]。

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

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

2) 六點(diǎn)定位基準(zhǔn)的傳遞形式，重復(fù)定位性好、鑄件尺寸狀態(tài)追溯性強(qiáng)、基準(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)，適用于中大型箱體、回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)鑄件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 計(jì)青山, 閆獻(xiàn)國(guó). 鑄件基準(zhǔn)與零件質(zhì)量成本[J]. 機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2003(5): 24—25.JI Qing-shan, YAN Xian-guo. Casting Benchmark and Parts Quality Cost[J]. Standardization and Quality of Mechanical Industry, 2003(5): 24—25.

[2] ISO 1101——2004, 產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)[S].ISO 1101——2004, Version of Product Geometry Specification (GPS)[S].

[3] 王廷強(qiáng). GD & T基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2013.WANG Ting-qiang. Foundation And Application of GD&T[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2013.

[4] 陳澤民. 公差與配合[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版, 2014.CHEN Ze-min. Tolerance and Coordination[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 2014.

[5] 王曉慧. 尺寸設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2004.WANG Xiao-hui. Theory And Application of Dimension Design[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2004.

[6] 大連工學(xué)院工程畫(huà)教研室. 機(jī)械制圖[M]. 北京: 人民教育出版社.Engineering Drawing Teaching and Research Office of Dalian Institute of Technology. Mechanical Drawing[M].Beijing: People Education Publishing Press.

[7] 王喜力. 談?wù)劵鶞?zhǔn)和基準(zhǔn)體系[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,1981(3): 29—38.WANG Xi-li. Talk About Benchmarks and Benchmarking Systems[J]. Aviation Standardization And Quality,1981(3): 29—38.

[8] 渠濤. 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基準(zhǔn)優(yōu)化[J]. 鑄造技術(shù), 2015,29(10): 274—275.QU Tao. Base optimization in casting structure design[J].Foundry Technology, 2015, 29(10): 274—275.

[9] 趙淑麗, 云霄. 基準(zhǔn)的選擇在幾何量測(cè)量中的重要用作[J]. 汽車(chē)工藝與材料, 2005(6): 39—41.ZHAO Shu-li, YUN Xiao. The Base Selection is Important in the Measurement of Geometry[J]. Automobile Technology and Materials, 2005(6): 39—41.

[10] 龔江帆. 基于產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范的三維公差設(shè)計(jì)[D].南京: 南京航空航天大學(xué), 2015.GONG Jiang-fan. 3-D Tolerance Design Based on the Dimensional and Geometrical Product Specification and Verification[N]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015.

[11] 李向前. 基于新一代 GPS的形狀公差規(guī)范設(shè)計(jì)方法研究[D]. 桂林: 桂林電子科技大學(xué), 2010.LI Xiang-qian. Research on the Design Method of the Shape Tolerance of the New Generation GPS[D]. Guilin:Guilin University of Electronic Science and Technology,2010.

[12] 匡兵, 黃美發(fā), 鐘艷如. 尺寸公差和形位公差混合優(yōu)化分配[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2008, 14(2): 398—402.KUANG Bing, HUANG Mei-fa, ZHONG Yan-ru. The Distribution of Tolerance of Dimension Tolerance and Form Bit Tolerance[J]. Computer Integrated Manufacturing System, 2008, 14(2): 398—402.

[13] 楊將新, 徐旭松, 曹衍龍, 等. 基于裝配定位約束的功能公差規(guī)范設(shè)計(jì)[N]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(2): 1—8.YANG Jiang-xin, XU Xu-song, CAO Yan-long, etc. Design of Functional Tolerance Specification Based on Assembly Positioning Constraint[N]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(2): 1—8.

[14] 黃浩雄. 淺探零件圖中尺寸標(biāo)注的“合理性”[J]. 新課程學(xué)習(xí), 2011(11): 8—10.HUANG Hao-xiong. The "rationality" of Dimensioning in the Part Drawing of the Part of Shallow Exploration [J].New Course Study, 2011(11): 8—10.

[15] 渠濤, 汪洋, 柳洋. 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基準(zhǔn)選擇探討[J].鑄造技術(shù), 2016, 37(5): 1066-1068.QU Tao, WANG Yang, LIU Yang. Discussion on Selection Batum in Casting Design[J]. Foundry Technology,2016, 37(5): 1066—1068.

[16] 王曉慧. 論鑄件尺寸設(shè)計(jì)原則[J]. 鑄造, 2001, 50(5):278—291.WANG Xiao-hui. On The Principle of Marking Castings Dimensions[J]. Casting, 2001, 50(5): 278—291.

[17] 趙清華. 定位基準(zhǔn)理想位置的選取[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化, 2005(2): 16.ZHAO Qing-hua. Selection of Positioning Base Ideal Location [J]. Agricultural Mechanization and Electrification,2005(2): 16.

[18] 卞亞峰, 王曉慧, 許小龍. 淺析鑄件毛坯尺寸標(biāo)注基準(zhǔn)的合理選擇[J]. 機(jī)械制造, 2013, 51(582): 65—67.BIAN Ya-feng, WANG Xiao-hui, XU Xiao-long. Reasonable Selection of the Benchmark for the Size Marking of Casting Blank[J]. Mechanical Manufacturing, 2013,51(582): 65—67.

[19] 趙文霞. 淺談機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的基準(zhǔn)選擇與應(yīng)用[J].職業(yè), 2016, 1(3): 140—141.ZHAO Wen-xia. Discussion on Benchmark Selection And Application in Mechanical Design And Manufacturing[J]. Occupation, 2016, 1(3): 140—141.

[20] 王建英. 復(fù)雜鑄件的劃線(xiàn)基準(zhǔn)選擇及方法[J]. 金屬加工, 2017(15): 56—57.WANG Jian-ying. Selection And Method of Marking of Complex Castings[J]. Metal Processing, 2017(15):56—57.

[21] 牛健. 毛坯尺寸基準(zhǔn)的理論與應(yīng)用研究[D]. 太原: 太原科技大學(xué), 2011.NIU Jian. Theoretical and Applied Research on the Standard of Blank Size[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Science and Technology, 2011.

[22] 郭萬(wàn)川, 梅碧舟. 六點(diǎn)定位原理及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械,2007, 34(3): 49—52.GUO Wan-chuan, MEI Bi-zhou. The Principle of Six Point Positioning and Its Application[J]. Machinery, 2007,34(3): 49—52.

[23] 董鋒. 關(guān)于完善六點(diǎn)定位理論的研究[J]. 山東工程學(xué)院學(xué)報(bào), 1995, 62(9): 64—66.DONG Feng. A Stduy on Improving Principle of Six-points Fixing[J]. Journal of Shandong Institute of Engineering, 1995, 62(9): 64—66.

[24] 孫千里, 沈鑫剛. "一面兩孔"定位銷(xiāo)實(shí)用設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2010, 29(12): 1703—1705.SUN Qian-li. SHEN Xin-gang. Practical Design Method And Structure of "one Side and Two Holes"[J]. Mechanical Science and Technology, 2010, 29(12): 1703—1705.

[25] 余亮. 一面兩孔定位的裝配公差分析方法[N]. 杭州:杭州電子科技大學(xué), 2016.YU Liang. The Assembly Tolerancy Analysis Method of the Part Location with One Surface and Two Pins[N].Hangzhou: Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University, 2016.

[26] 張俊俊, 王基生. 一面兩孔定位精度的概率設(shè)計(jì)[J]. 西南工學(xué)院學(xué)報(bào), 1996(3): 46—49.ZHANG Jun-jun, WANG Ji-sheng. Probability Design of Two-hole Positioning Accuracy[J]. Journal of Southwest Institute of Technology, 1996(3): 46—49.

[27] 司堯華, 劉鵬. 機(jī)械設(shè)計(jì)圖樣中回轉(zhuǎn)體類(lèi)零件基準(zhǔn)的選擇[J]. 機(jī)床與液壓, 2004(8): 159—160.SI Yao-hua , LIU Peng. The Selection of the Base of the Rotary Body Parts in the Mechanical Design Pattern[J].Machine tool and Hydraulic Pressure, 2004(8): 159—160.

[28] 孫念明, 孫井泉. 框架式鈦合金鑄件加工技術(shù)探析[J].中國(guó)市場(chǎng), 2017(9): 177—178.SUN Nian-ming, SUN Jing-quan. Analysis on the Processing Technology of Frame Titanium Alloy Casting[J].China Market, 2017(9): 177—178.