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在現(xiàn)代精密測試與精密加工中,加工、測試技術(shù)不斷提高與完善,一些常見的影響機械加工精度與測量精度的因素已處于良好的控制之下,而熱變形引起 的測量誤差和加工誤差,由于溫度影響的廣泛性和對機械零件受熱變形了解的不全面、不徹底,已成為影響提高測量精度和加工精度的主要因素,對于高精度的加工 和測量,溫度變化引起的誤差占總誤差的50%以上。因此,準(zhǔn)確確定機械零件的熱變形對提高測量精度和加工精度非常重要。
對于機械零件受熱變形,其傳統(tǒng)的計算方法完全基于下述的熱膨脹計算公式
式中 δl——被測長度的熱變形量
α、δt、l——分別為構(gòu)成被測對象的材料線膨脹系數(shù)、被測對象溫度變化量、被測長度
事實上,公式(1)只是近似的熱膨脹計算公式,在計算零件受熱變形時有許多不足。按照公式(1)進行零件熱變形計算,當(dāng)精度要求不高時,基本能 夠滿足要求,但對于高精度的測試技術(shù),由于公式自身的近似性及被研究對象的復(fù)雜性,其計算精度成為影響溫度誤差修正的重要因素。對于實際的機械零件,由于 其構(gòu)成材料不是理想的,因此它的熱變形與材料的熱膨脹并不完全一致。在得到多項國家自然科學(xué)基金的資助下,筆者系統(tǒng)和全面地研究了溫度對機械零件受熱變形 的影響。通過研究發(fā)現(xiàn),對于機械零件的熱變形,除了受材料熱膨脹影響之外,還受到其它多種因素的影響。
1 影響線膨脹系數(shù)的因素分析
1.1 溫度的影響
溫度對機械零件熱變形的影響表現(xiàn)在溫度對線膨脹系數(shù)的影響上。傳統(tǒng)上在計算零件的熱變形時材料的線膨脹系數(shù)被認(rèn)為是固定不變的,但事實上它是隨 溫度的變化而變化的。例如,純鋁在-100℃左右時線脹系數(shù)為20×10-6/℃,在室溫下約為24×10-6/℃,而在+100℃時約為27×10-6 /℃。因此在高精度的誤差修正技術(shù)中對熱變形的誤差修正必須考慮溫度引起線膨脹系數(shù)變化的影響。
1.2 合金元素的影響
在工業(yè)生產(chǎn)中使用的金屬材料大多數(shù)屬于合金材料,合金中合金元素的種類和合金元素的數(shù)量大大地影響合金材料的膨脹系數(shù)。表l給出了幾種鑄鋁合金的線膨脹系數(shù)與合金成分及數(shù)量的關(guān)系。
從表1中可以看出,材料的合金成分和數(shù)量對膨脹系數(shù)的影響是非常顯著的,因此在準(zhǔn)確計算零件的熱變形時必須準(zhǔn)確掌握零件材料的線膨脹系數(shù)。
另外,合金元素對熱膨脹系數(shù)的影響還與合金元素的結(jié)合方式有關(guān)。以兩種元素形成的二元合金為例,若兩元素固態(tài)下不互溶,又不形成化合物,則合金 的膨脹系數(shù)隨組元濃度呈線性變化;當(dāng)兩元素能夠形成固溶體,則合金的膨脹系數(shù)比兩元素的膨脹系數(shù)按算術(shù)規(guī)律計算的數(shù)值要低一些;若形成有序固溶體,隨著合 金有序化程度的增加,合金線膨脹系數(shù)比固溶體線膨脹系數(shù)要下降一些;若兩元素形成化合物,則因元素呈嚴(yán)格的規(guī)律排列,其原子間相互作用比固溶體原子間的作 用要大得多,因此,化合物的膨脹系數(shù)比固溶體的膨脹系數(shù)有較大的下降。
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