这是金属加工（mw1950pub）发布的第17402篇文章
编者按
针对圆柱件直径精度受温度影响这一现象，分析了可能的影响因素。研究了温度变化对精度的影响机理，还建立了数值模型，计算了温升对精度的影响结果。对众多圆柱件直径的检测数据进行归纳分析，得出了圆柱件直径精度与温度变化的规律，并且提出了圆柱件直径精度在不同温度下的补偿量。
01
序言
某大型圆柱构件的直径是其关键指标，此指标对产品性能影响较大。该构件精度要求高，这对成形和检测都提出了很高要求。然而，大型结构件由于受工件材料自身属性、加工设备以及厂房环境温差等因素的影响，容易出现超差问题。并且一年四季温差跨度较大，钢材热胀冷缩会影响整体尺寸。
本文对大型圆柱件的实测数据进行了分析，同时利用 Ansys 展开了仿真计算。在此基础上，设计出了大型圆柱件直径加工的温度补偿措施，从而解决了因直径受温度影响出现热胀冷缩而导致超差的问题。
02
现象分析
2.1 理论计算
热胀冷缩是一切物质所固有的属性，固体、液体和气体都具备这种特性。热胀与冷缩是一个可逆的过程，加热时会膨胀一定程度，当恢复到原来的温度时，又会收缩至原来的长度和体积。不同的物质，其热胀冷缩的程度各不相同，比如各种金属材料的热胀冷缩率相对较大，而陶瓷、玻璃、水泥以及瓷石等各种非金属材料的热胀冷缩率则相对较小。各向同性的材料，其物体的长、宽、高这些线性尺寸的膨胀系数是一致的。《中国航空材料手册（第 2 版） 第 1 卷 结构钢 不锈钢》[3]规定的不锈钢线性膨胀系数α在表 1 中有所体现，在直角坐标系下的温变曲线呈图 1 所示的样子。
表1不锈钢的线性膨胀系数
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由此可知，不锈钢在不同温度下，其线性膨胀系数是不一样的，并且变化趋势呈现近似线性变化。以 25℃时线性膨胀系数 16.5×10-6/℃作为基准，对圆柱件的直径精度变化进行理论计算以及数值模拟。
圆柱件的材料是 0Cr18Ni9 不锈钢。其截面如图 2 所呈现。当环境温度发生变化时，这种材料会依据温度的改变而出现热胀冷缩的现象。此现象会导致圆柱件的直径发生变化。按照圆柱件的使用要求，它的精度等级通常被控制在 IT7 级。
c）温度降低时所表现出的变化趋势。
图2截面及热胀冷缩变化趋势示意
圆柱件的生产环境温度与检测环境温度存在较大差异。在夏季进行生产时，厂房的最高温度能够达到 43℃。而在冬季，最低温度则可以达到 6℃。温度跨度达到了 37℃。对于不同特征尺寸的圆柱件而言，在不同的温差（以 20℃为基准）下，其变化量见表 2。以 20℃作为基准，向上变化了 17℃，向下变化了 14℃。从不同直径的变化量与公差等级占比数据来看，当直径达到 120mm 时，向上变化的量与向下变化的量总和超过了 100%。这意味着即便加工过程中没有误差，在温度发生变化时，直径的精度也会超出 IT8 级的要求。厂房空间开阔，这导致控制厂房温度的成本高且难度大。所以钢结构圆柱规格，在加工过程中增加温度补偿，这样就能保证零件在不同温度下都合格，这种方式既经济又便捷。
表2温度变化对不同直径圆柱件的影响
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利用 ANSYS 软件来建立圆柱件直径模型，接着施加温度载荷，这样就能够模拟在温度发生变化时圆柱件的变形量。圆柱件的有限元模型如图 3 呈现出来。其材料具有特定属性，杨氏模量为 200GPa，泊松比是 0.3，热膨胀系数为 16.5×10-6/℃。
图3圆柱件有限元模型
热仿真时，初始温度设定为 25℃，环境温度为 10℃。对约束支角进行垂向位移约束，将模拟圆柱件的直径放置在测量平台上。计算结果显示，在环境温度从 25℃降低到 10℃的过程中，圆柱件的内径缩小了 0.123mm。
2.3 实测数据验证
测量时，将圆柱件的直径进行了分段，具体情况见图 4。用于测试的设备是同一台激光跟踪仪。两组数据分别是在 9 月和 12 月获得的。9 月时厂房的平均温度约为 26℃，12 月的平均温度约为 11℃钢结构圆柱规格，两者温差为 15℃。实测数据见表 3。
图4测量分段示意
表3实测数据 （单位：mm）
从表 3 能够得知，圆柱件直径在各个截面的尺寸变化处在 0 到 0.2 毫米之间。数据表明，12 月份的直径总体上比 9 月份稍微有所缩小。从缩小的程度来看，与温度影响的仿真计算值是相符合的。与此同时，对另外 18 个圆柱件在不同温度下的直径测量数据进行了统计分析，两次测量的结果分别如图 5 和图 6 所呈现。结果显示，与高温环境的测量结果相比，在低温环境的测量结果里，圆柱件的平均直径普遍变小了，其量级大概在 0.1mm 左右。两次测量最大的不同之处在于环境温度有较大变化，并且温度影响的理论分析值与实测值基本是相符合的。由此可以确定，环境温度的变化对圆柱件的直径精度有着较大的影响。
图5两次测量最大内径分布情况
图6两次测量最小内径分布情况
03
补偿措施
基于上述分析结果，建议在生产圆柱件时进行温度补偿。因为生产环境温度不同，所以要选择不同的尺寸公差范围。这样做的目的是，当产品处于常温时，其尺寸精度能够满足技术指标。温度补偿的方法是，依据不锈钢的线性膨胀率，在生产时对尺寸公差带进行相应的增减，以保证生产的圆柱件在同一温度下具有一致性。从生产厂房的环境温度方面来看，冬季时最低温度能达到 8℃，夏季最高温度能达到 42℃。按照 5 至 45℃的温度范围，在任何一个温度下生产出的圆柱件，在相同温度下的状态应当是一致的。选取常温 25℃的状态当作基准状态，依据此基准，应当根据生产时的环境温度，对圆柱件的尺寸公差控制进行适当调整，公差带的变化情况如图 7 所示。公差带宽保持不变，只是随着温度的变化而发生了平移。在不同的生产环境温度下，需要对生产控制指标进行适当的调整。通过这样的方式，能够使在不同环境温度条件下生产的圆柱件具有一致性。
图7公差带随温度变化情况示意
04
结束语
通过理论仿真分析以及对大量实测数据进行归纳总结，得出了温度变化对圆柱件直径精度产生影响的规律，并且实测数据与理论计算较为吻合。在圆柱件的生产过程中，需要依据生产的环境温度来进行公差带的调整，这样就能保证在不同环境温度条件下生产的圆柱件具有一致性。
参考文献：
童春桥在 2020 年第 11 期的《金属加工（冷加工）》杂志上探讨了大型航天结构件加工的温度补偿技术。该技术主要用于大型航天结构件的加工过程中，以对加工过程中的温度变化进行补偿，确保加工精度和质量。在该期杂志中，详细介绍了温度补偿技术的原理、应用方法以及实际案例等内容，为大型航天结构件的加工提供了重要的技术支持。
刘荣坤、李家军以及冷压林等人进行了关于温度对钢结构模块尺寸影响及修正分析的研究。该研究成果发表于《海洋工程装备与技术》2019 年第 6 卷第 2 期，其页码为 544 至 547 页。
《中国航空材料手册》编辑委员会编写了《中国航空材料手册：第 1 卷 结构钢 不锈钢》这本书。这本书于 2013 年由清华大学出版社出版。其出版地点在北京。
《金属加工（冷加工）》2023 年第 9 期的 60 到 62 页刊登了本文，作者有海装驻北京地区第三军事代表室的蓝仁恩，还有北京特种机械研究所的邓科、于殿君、袁慧君以及北京特种机械研究所和北京理工大学的周成康，原标题为《环境温度对圆柱件直径尺寸影响分析及补偿措施》。
