在现代精密测试与精密加工中,加工、测试技术不断提高与完善,一些常见的影响机械加工精度与测量精度的因素已处于良好的控制之下,而热变形引起 的测量误差和加工误差,由于温度影响的广泛性和对机械零件受热变形了解的不全面、不彻底,已成为影响提高测量精度和加工精度的主要因素,对于高精度的加工 和测量,温度变化引起的误差占总误差的50%以上。因此,准确确定机械零件的热变形对提高测量精度和加工精度非常重要。

　　对于机械零件受热变形,其传统的计算方法完全基于下述的热膨胀计算公式

　　式中 δl——被测长度的热变形量

　　α、δt、l——分别为构成被测对象的材料线膨胀系数、被测对象温度变化量、被测长度

　　事实上,公式(1)只是近似的热膨胀计算公式,在计算零件受热变形时有许多不足。按照公式(1)进行零件热变形计算,当精度要求不高时,基本能 够满足要求,但对于高精度的测试技术,由于公式自身的近似性及被研究对象的复杂性,其计算精度成为影响温度误差修正的重要因素。对于实际的机械零件,由于 其构成材料不是理想的,因此它的热变形与材料的热膨胀并不完全一致。在得到多项国家自然科学基金的资助下,笔者系统和全面地研究了温度对机械零件受热变形 的影响。通过研究发现,对于机械零件的热变形,除了受材料热膨胀影响之外,还受到其它多种因素的影响。

　　1 影响线膨胀系数的因素分析

　　1.1 温度的影响

　　温度对机械零件热变形的影响表现在温度对线膨胀系数的影响上。传统上在计算零件的热变形时材料的线膨胀系数被认为是固定不变的,但事实上它是随 温度的变化而变化的。例如,纯铝在-100℃左右时线胀系数为20×10-6/℃,在室温下约为24×10-6/℃,而在+100℃时约为27×10-6 /℃。因此在高精度的误差修正技术中对热变形的误差修正必须考虑温度引起线膨胀系数变化的影响。

　　1.2 合金元素的影响

　　在工业生产中使用的金属材料大多数属于合金材料,合金中合金元素的种类和合金元素的数量大大地影响合金材料的膨胀系数。表l给出了几种铸铝合金的线膨胀系数与合金成分及数量的关系。

　　从表1中可以看出,材料的合金成分和数量对膨胀系数的影响是非常显著的,因此在准确计算零件的热变形时必须准确掌握零件材料的线膨胀系数。

　　另外,合金元素对热膨胀系数的影响还与合金元素的结合方式有关。以两种元素形成的二元合金为例,若两元素固态下不互溶,又不形成化合物,则合金 的膨胀系数随组元浓度呈线性变化;当两元素能够形成固溶体,则合金的膨胀系数比两元素的膨胀系数按算术规律计算的数值要低一些;若形成有序固溶体,随着合 金有序化程度的增加,合金线膨胀系数比固溶体线膨胀系数要下降一些;若两元素形成化合物,则因元素呈严格的规律排列,其原子间相互作用比固溶体原子间的作 用要大得多,因此,化合物的膨胀系数比固溶体的膨胀系数有较大的下降。