付云飞

（昆明船舶设备研究试验中心，昆明 650051）

随着现代科技的发展，人们对机械制造和加工精度的要求越来越高。但是因为机械零件在制造和加工中，容易受温度变化影响，导致其配合精度和位置精度降低[1]。由于热变形误差影响巨大，现在已成为人们研究的重点。经过多年技术发展，目前机械精度有了很大提高，但是测量精度并没有跟上机械精度技术的发展[2]。所以，伴随着人们对机械零件的要求越来越高，检测技术提升与发展势在必行。

1 机械零件温度影响基础理论

1.1 热膨胀理论

所谓“热膨胀”是指在温度改变条件下，物体出现膨胀的现象，一般情况下是指外界压强恒定的状态下，物质体积随着温度的升高而变大的现象。其中原子的热震动是造成热膨胀的主要原因，当原子发生热震动现象时，如果原子之间平衡位置与相互作用力关系呈线性关系，那么表明平衡位置两侧位移距离相等、受力相等，温度变化对原子振动振幅产生了影响，且对原子距离没有影响，原子的中心位置应该保持不变[3]。但很明显，在这种情况下，振动导致零件出现热膨胀现象，这就表明了原子的位移与原子间作用力不是呈线性关系的。

用准谐振近似理论对零件的热膨胀现象进行解释，即原子能够按照一定的几何形状结合成稳定晶体，因为原子之间的这种结合力并不是简单的相互吸引或者相互排斥，而是两者兼有。因此在实际的机械零件中，材料中的斥力势能、引力势能、平衡参数等常数会随着材料结构、晶体结构、组成晶体的元素的改变而改变。除此之外，为了能够更加准确地了解热膨胀现象，还需要对材料各项参数进行分析研究。

1.2 热弹性理论

在进行机械材料研究时，研究者常常把应力的产生归结到外力的作用，但是外力并不是应力产生的唯一因素，温度也是应力产生的一大因素。而上面提到的热膨胀现象只是对温度变化进行考虑，并没有将其他条件考虑在内。当组成零件的材料不同时，将会抑制材料的自由膨胀[4]。对于不同材料组成的零件，相邻部分会由于温度分布差异造成应力，即使是零件材料相同，内部的温度场也并不相同，各部分的膨胀程度也会有很大差异。

一般来说，造成热应力的有外部、内部和相互三种变形约束。所以，热应力分析要同时考虑材料的性质与温度关系以及热力学相关知识。大部分情况下，需要对热与力之间的作用进行综合研究，这类问题综合起来就是非耦合热弹性问题，一般能够通过热传导方程进行推导。

2 基于温度影响的机械零件检测技术要点分析

2.1 检测技术分类

2.1.1 无损检测技术

目前无损伤检测技术是机械零件检测中应用较多的一种方法，通过合理应用无损检测技术，能够很好地实现机械零件缺陷检测目标，该方法在机械零件检测中发挥着重要作用。

与其他检测技术不同，无损检测技术不仅能够有效控制机械零件的质量，还可以有效防止机械零件在检测过程中发生损坏，有效地提升了检测安全性，保证了机械零件的完整性。无损伤检测技术在机械零件维修方面发挥重要作用，成为维修工艺的主要技术。

虽然相比其他检测技术，无损检测技术受温度的影响较小，但并不意味着没有影响，在一定程度上，温度还是会对检测结果产生一定的影响，尤其进行在线检测时，需要采取一定的方式消除温度造成的检测误差。

2.1.2 超声波检测技术

除无损检测技术外，超声波检测技术在机械零件检测中应用也是非常广泛，是非常重要的一种检测方式。超声波检测技术主要是应用超声波对机械零件进行检测，它的主要特点是性能优良，检测速度快，同时对零件无损害。但是超声波检测技术仍然存在一定的弊端，最主要的一项就是机械零件对超声波检测仪器性能要求过高。一般情况下，使用超声波检测技术进行检测，要对探测仪器频率进行严格控制，使其处于2～2.5Hz范围内。另外晶片直径尺寸也是需要控制的重要指标，厚度控制在28mm以上。

在实际检测过程中，还应该特别注意的一点是超声波检测设备的使用环境。由于超声波检测设备本身精密度较高，所以在检测过程中，要保持检测设备的运行环境稳定，从而使最终检测结果精准、可信。在所有影响检测结果的因素中，温度影响是最为关键的一项，也是本文研究的重点。

2.2 提高检测精度的热误差补偿技术

2.2.1 热误差补偿技术介绍

国内外大部分专家将温度补偿技术分为隔离热源、降低热源影响和温度误差数学模型三种，其中隔离热源的方法需要建立恒温室，成本较高，而且不适合应用于在线检测的情况。

温度误差的数学模型通过温度采集点的设置，根据测头测量的数据，计算出偏移量，这种方法存在的问题是外界因素对检测结果的影响较大，许多因素都会对检测造成影响，例如震动、气流以及机床运行等，产生的温度梯度将会对检测结果造成重大影响。此外在进行热变形计算时，数学模型要求计算量非常大，基本很难给出温度补偿的数学模型。另外，温度的多节点采集系统和补偿算法的复杂性都给测量机提出了更高的要求，不仅成本高，还无法保证测量精度，不适合在线检测的情况。

而基于双环法的温度补偿，在进行温度模型建立时，可以根据误差得到相应的偏转量，再通过实物测量对机械零件热变形进行误差补偿，就能成功实现机械零件的在线检测。2.2.2 借助双环法实现温度误差补偿

采用双环法进行温度误差补偿的检测时，首先需要建立数学模型，补偿热变形误差。热误差的来源受多方面因素影响，如测量机测头温度变化、工件热变形、结构热变形等，其中最主要的误差来源是测量机的结构热变形。为了实现热变形误差的补偿，需要对测量轴进行校准，并对回转体轴线进行相对位置校准。一般来说，回转体的测量很短，因此可以忽略其热变形误差，建立基本模型。对于零件造成的形位误差，由于回转轴线和测量架之间的热变形对测量中心线影响不大，所以可以不对形位误差进行补偿，用最小二乘法进行拟合，然后进行中心线测量，并最终建立完整的温度补差模型。

3 结语

综上所述，零件检测技术在保证机械零件精密度方面起到了重要作用，而由于温度对检测结果的影响，需要采取相应的热误差补偿技术保证测量结果的精确。本文对该问题进行了详细研究，发现温度热误差补偿技术能够有效对热变形误差进行处理，使机械零件检测结果的可靠性得到了保证。