袁克非,晏 亮,古卫鹏
(1.武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430205;2.北京航天时代激光导航技术有限责任公司,北京 100094)
惯性测量组合(全文简称“惯组”)主要用于船舶、航空等领域,为搭载设备提供姿态和位置信息。因此,要求惯组坐标系应与搭载设备坐标系重合,同时具备较高的稳定性,并且对温度变化不敏感。
实际应用过程中,通过将惯组水平基准与方位基准面紧靠搭载设备的水平基准与方位基准靠面,实现两者之间坐标系关系传递,该精度的实现关键点主要依靠水平与方位基准面形位公差来保障。随着机械加工水平的日益提升,初始加工水平已经完全可以满足设备精度传递需求。根据实际工况需求,惯组出厂前需完成多项试验。其中,高低温循环试验为必须完成项。惯组设备外壳体基准面形位公差的稳定性,决定其是否能够满足上述性能。
镁合金是目前工程材料中最轻的金属结构材料,对其在高低温环境中稳定性进行研究,对惯组设备轻量化设计具有重要意义。5A06 铝合金作为一种高强度Al-Mg 合金,密度介于镁合金与不锈钢之间,在惯组设备结构件材料选用时具有极大的优势。022Cr17Ni12Mo2 不锈钢具备优良的防腐性能,在海洋领域中是惯组设备外壳的优选材料。
研究选用5A06 铝合金、ZM-6 镁合金和022Cr17Ni12Mo2 不锈钢作为样件材料,均为惯组设备外壳体常用选材。因此,研究高低温循环对这三种材料基准面形位公差的影响,能够为惯组基准面材料选用设计提供参考依据。
本试验采用5A06 铝合金、ZM-6 镁合金和022Cr17Ni12Mo2 不锈钢材料样件各6 件,规格均为30 mm×35 mm×50 mm,每件试样表面有三个加工测量基准面,尺寸分别为35 mm×50 mm、35 mm×50 mm和30 mm×50 mm。铝合金样件编号为试样L,6 件样件编号分别为L-1、L-2、L-3、L-4、L-5 和L-6;镁合金试样编号为试样M,6 件样件编号分别为M-1、M-2、M-3、M-4、M-5 和M-6;不锈钢试样编号为试样B,6 件样件编号分别为B-1、B-2、B-3、B-4、B-5和B-6。
选用5A06 铝合金试样L、ZM-6 镁合金试样M和022Cr17Ni12Mo2 不锈钢试样B,来考察不同材料加工基准面在高低温循环试验前后基准面形位公差的变化。通过同种材料的6 件样件,降低测量误差的影响因素。
采用三坐标仪器对各样件高低温循环前后基准面的平面度、平行度和垂直度公差数据进行测量,试验选用青岛海克斯康生产的JLOBAL091208 型三坐标进行数据测量,设备测量精度为2 μm,基准块形位公差测量如图1 所示。
图1 基准块形位公差测量
高低温循环试验选用广州五所环境仪器有限公司生产的QT0570W10 生产的温箱,该设备温控范围为-70~150 ℃,基准块温循试验如图2 所示。
图2 基准块形温循试验
高低温循环试验采用惯组设备常用条件,试验条件如表1 所示,通过温箱完成样件高低温循环试验,温度循环试验应力参照如图3 所示。
表1 温度循环试验条件
图3 温度循环试验应力参照图
5A06铝合金试样L、ZM-6镁合金试样M和022Cr17Ni12Mo2 不锈钢试样B 采用统一规格,试验测量基准面如图4 所示,图中标注基准面A、B 和C为本次试验测量对象。样件高低温循环试验前形位公差实测数据如表2 所示。
表2 样件高低温循环试验前形位公差实测数据 单位:mm
图4 样件测量基准面示意(单位:mm)
铝合金L 试样高低温循环试验前,所有形位公差实测数据统计如图5 所示。镁合金M试样高低温循环试验前,所有形位公差实测数据统计如图6 所示。不锈钢B 试样高低温循环试验前,所有形位公差实测数据统计如图7 所示。
图5 铝合金L 试样高低温循环试验前实测数据
图6 镁合金M 试样高低温循环试验前实测数据
图7 不锈钢B 试样高低温循环试验前实测数据
试验中,将所有样件放置于同一个温箱中,进行高低温循环试验。完成高低温试验后,用三坐标测量试验样件形位公差,测量结果记录如表3 所示。
表3 样件高低温循环试验后形位公差实测数据 单位:mm
铝合金L 试样高低温循环试验后,所有形位公差实测数据统计如图8 所示。镁合金M试样高低温循环试验后,所有形位公差实测数据统计如图9 所示。不锈钢B 试样高低温循环试验后,所有形位公差实测数据统计如图10 所示。
图8 铝合金L 试样高低温循环试验后实测数据
图9 镁合金M 试样高低温循环试验后实测数据
图10 不锈钢B 试样高低温循环试验后实测数据
对比三种试验样件可知,试验后,各样件基准面平面度、基准面之间的形位公差整体向更加优良的趋势变化。高低温试验循环前后,三种材料试样中022Cr17Ni12Mo2 不锈钢各样件形位公差波动最小,经历高低温循环试验后形位公差稳定性最高。
高低温循环试验前后,三种材料试样中,形位公差稳定性排序为022Cr17Ni12Mo2 不锈钢最优,5A06铝合金次之,ZM-6 镁合金最次,该结果与三种材料力学性能吻合。
以铝合金试样L、镁合金试样M和不锈钢试样B为样件,通过高低温循环试验,研究高低温循环对这三种材料基准面形位公差的影响,得出如下结论:
1)高低温循环试验后,三种不同材料样件形位公差整体朝着更优的趋势变化。
2)高低温循环试验前后样件平面度变化相对稳定,垂直度以及平行度波动较大。
3)三种不同材料样件中,不锈钢样件基准面形位公差测量值最为稳定,铝合金与镁合金试验前后两者波动幅度接近。
4)试验验证了铝合金或镁合金材质作为设备外壳体基准面时,经受高低温环境时能够满足外壳体基准面使用需求。
5)本试验验证了铝合金或镁合金基准面无腐蚀因素使用环境下,能够替代不锈钢使用,为惯组箱体轻量化设计提供依据。
研究结果可为惯组外壳体选用不同材料时的安装基准面提供设计和生产依据,实现惯组设备轻量化。