基于HB 6103的钛合金铸造图纸尺寸标注案例分析

刘泗溢，杜海军，王本志，张军威，田智星

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司，北京 100094；2. 中国航发北京航空材料研究院铸钛中心，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095）

HB 6103—2004（文中简称航标）是中华人民共和国航空行业铸造公差标准，对铸件尺寸公差和机械加工余量作了规定，尺寸公差是独立的，没有基准约束。例如，铸造一根芯棒，航标可以限定芯棒的直径公差，不限制其圆柱度；铸造一个平板，航标可以限定平板的厚度公差，不限制其平面度。在实际的铸件上也是同样的道理，可以限制其产品上每个尺寸的尺寸公差，不限制尺寸要素之间的空间位置关系，因此，不管是航标HB 6103—2004，还是欧标IS 8062：1994，它们均无法规定产品尺寸的使用属性[1—4]。

目前，铸件设计过程中，在铸件图纸上仅标注铸件尺寸公差，导致铸件图纸在尺寸在标注上信息表达不全，关键几何尺寸不描述，未能充分、准确地表达铸件的各种要求。根据这类图纸进行铸件开发时，测量工程师无法依据图纸要求正常检测铸件尺寸，通常需要铸造工程师和设计师进行多次沟通，才能了解设计师的真正意图，增加铸件开发难度、周期。

合理使用航标HB 6103中铸造尺寸公差，对于铸件的开发至关重要。在下面内容中将举例铸件研发过程中图纸尺寸标注和尺寸检验方法的实际案例，通过案例图样进行总结分析，解析铸造尺寸公差标注与尺寸测量上的分歧、矛盾和差异。

1 产品几何公差（GD&T）介绍

1.1 GD&T来源

几何公差在20世纪30年代被提出来，经过不断地完善和改进，是一代又一代工程师和专家们在理论和实践中总结出来的人类智慧结晶。根据国外统计，正确的使用几何公差会使研发、生产的质量水平提高15%～20%。

几何公差的产生，是因为随着生产技术和检测技术的提高，尺寸公差系统已经不能充分表达设计意图，设计者迫切需要一种能够精确逻辑的工程语言来表达设计意图。而尺寸公差这种工程语言很难将创造性复杂的结构产品表达清楚，并被其他人准确理解，设计者定义的尺寸公差通常会因制造者或检测者不同而有着不同的理解，会导致不能精确传达设计意图[5]。

1.2 尺寸公差的表达

线性尺寸，简称尺寸，是指两点之间的距离，如直径、半径、宽度、深度、高度等在图纸标注中常见的线性尺寸有图1所示的4种表达方式。

一个理想的尺寸或是定位尺寸就是公称尺寸，也被成为理论尺寸，被包含在矩形框内在图样上表达出来，是并非需要检测的尺寸，见图 1a。参考尺寸在图样中被标注在括号内，通常是尺寸链中作为工艺参考的验证尺寸，一般为尺寸链中的冗余尺寸，同样不需要检测，见图 1b。当公称尺寸后有公差，就是尺寸公差，见图1c，这样的尺寸需要检验。在图1d中，这样的尺寸出现在零件图中通常没有特殊要求，不需要检测，甴生产设备保证精度。当出现在铸图中，其公差参考一般技术要求中的规定，例如航空铸件引用的是 HB 6103—2004[6—9]。

图1 尺寸公差表达方式Fig.1 Expression of dimensional tolerance

2 HB 6103—2004铸造尺寸公差在应用中的案例分析

目前世界铸造行业内的铸造公差主要分为欧标IS 8062：1994、中国航空行业标准HB 6103—2004，还有些航空品制造商有着自己的铸造公差标准。对于铸件尺寸公差而言，这几种标准表达的均是随着铸件基本尺寸的增加其铸件尺寸公差随之增大，以 HB 6103—2004为例，铸件尺寸公差等级共分为16级[10]。标准中的图样示例均说明其定义的尺寸要素是直径、半径、宽度、深度、高度等，因此，铸造尺寸公差定义的是铸件基本尺寸[11]，它是独立尺寸，没有基准的约束，因此按照航标执行产品测量时，只能针对铸件尺寸公差部分进行检测。

在实际应用中，国内的钛合金铸件在尺寸检测时通常使用几何公差验证尺寸公差，导致产品测量后结果不合格，主要归纳为以下几类（下文所有图样示尺寸公差执行HB 6103—2004 CT7级）。

2.1 线性尺寸被作为位置尺寸测量

图纸分析：图 2a中的尺寸链是铸件尺寸图纸标注。分析图纸可以知，尺寸链上的Xmax=205+1.5=206.5，Xmin=205-1.5=203.5。其中A基准标注无测量上的意义，因为尺寸公差不受基准约束。

使用图 2a所示图纸进行尺寸测量时，会有两种测量方法：

1) 使用量具法直接测量2个平面直接的距离。

2) 以A基准找正，以基准平面A为起点对, , ①①③号尺寸进行测量，均采用尺寸公差作为几何公差使用，其公差分配如图2b所示。

图2 线性尺寸Fig.2 Linear size

测量方法案例分析：

第1种测量方案，采取直接测量。虽然这种测量方式符合图纸要求，但公差累计时，尺寸链上的X=Xmax-Xmin=2.5，若以基准进行线性加工，且平面1是加工量为2.5的加工面，可能会影响零件的加工。

图3 测平面放大后测量示意图Fig.3 Magnification diagram of plane

第2种测量方案，见图3。使用基准进行测量，避免了公差累计，在一定程度上也可以满足加工需求，但是却违背了图纸和测量要求：其一，图纸中要求其尺寸公差按航标执行，并未要求几何公差，因此没有引用基准测量的条件；其二，即便是使用基准进行测量，铸件尺寸公差不等同于几何公差，两者之间有着本质差异，区别在于几何公差在使用基准时，基准以基准模拟体的形式被引用，基准和公差带分布见图 3a。铸件尺寸公差使用独立原则即两点法进行测量，见图3b，例如 ① , ① , ③是3处测量的实际测量结果。后续案例不再进行相同点的阐述[12]。

2.2 形状尺寸被作为位置尺寸测量

2.2.1 案例 1

图纸分析：在图 4a中，尺寸标注方式经常会被标注在铸件图上，图中尺寸按照航标HB 6103之CT7要求分配尺寸公差，明确了A和B基准。

测量方法：

图4 某产品侧视图Fig.4 Side view of product

使用图 4a的图纸进行尺寸测量时，根据铸件的结构特点及经验会有2种测量方法。

1) 直接按照图纸标注测量，例如使用卡尺测量①, ① ,①号直径，使用高度尺测量③, ③号，只测量形状尺寸不考虑其位置尺寸。

2) 为兼顾后续正常加工，需参考基准对相关尺寸进行测量。考虑位置尺寸，其中几何公差按尺寸公差进行测量，几何公差分布见图4b。

测量方法案例分析：

第1种测量方案，采取直接测量。这种测量方式符合图纸要求，当①, ①号尺寸没有几何尺寸约束时，虽然尺寸公差符合要求，但尺寸位置发生偏移时，可能会出现图5中的情况。

第2种测量方案，使用基准进行测量，存在以下问题：首先，测量时没有引用基准的技术条件；其次，几何公差按尺寸公差进行测量，产品尺寸合格率下降[13—15]。

2.2.2 案例2

图5 位置扭曲实例Fig.5 Position movement

图6 图纸示意图Fig.6 Diagram of drawing

图纸分析：图 6a的标注方式经常出现在铸件图纸中，需要正确理解。首先带框尺寸是定位性描述尺寸，根据航标中5.7.2规定是需要机械加工的要素，其中心位置尺寸在划线检查时不给公差，因此定义为理论尺寸。图6b线性方向都赋予了公差，也是图纸常见的标注方式。

对于该产品而言，图纸中最关键的尺寸应该是零件加工后内孔壁到外边界的壁厚尺寸。根据图6b图纸的标注方式，测量时一般会有两种测量方法：

1) 不考虑其位置尺寸，使用R规直接测量图纸标注尺寸R20，找到R20实际圆心，将图中, , ①①③号尺寸赋予尺寸公差进行测量。

2) 使用基准对相关尺寸进行测量，以A和B基准对R20理论圆心位置进行划线，测量理论圆心距离R20外边界的距离，公差按照±0.41进行判定。

测量方法案例分析：

第1种测量方案采取直接测量。测量方式符合图纸要求，但铸造R角形状误差大，R20的实际圆心位置难以确认，导致, , ①①③号尺寸难以测量。若R20圆心位置放生偏移，后续按基准机械加工时，可能会导致图7所示的情况，可能会影响零件的使用。

图7 位置扭曲实例Fig.7 Position movement

第2种方法按照基准位置进行测量。其一，该测量方式不符合图纸要求；其二，在尺寸测量时引入基准，不符合HB 6103对铸件尺寸公差定义；其三，在测量R20时，将尺寸公差带按几何公差带使用，公差带混淆。

图8 图纸标注Fig.8 Annotation of drawing

为正确使用HB 6103对铸件图纸标注，采用图8所示的标注方式，引入基准系对R20进行定义。首先，R20是尺寸公差，按照HB 6103进行公差标注；其次，考虑零件在使用时，关键尺寸是零件加工后内孔壁到外边界的壁厚尺寸，因此可以使用面轮廓度或者位置度的语言来表述，使用轮廓度时可以使用不等公差带控制壁厚，在使用位置度时可以使用 LMC（最小实体尺寸）控制壁厚。但是定义几何公差X时，需要设计者根据产品的使用工况合理定义公差带。

2.3 角度尺寸测量

图纸分析：图 9a的角度标注并没有给定公差，航标中没有规定角度公差，如何判定铸件尺寸合格，图9c图纸给定了角度公差，如何判定铸件尺寸合格。

测量方法：直接测量，例如使用角度尺，以A基准对齐测量，见图9b所示，当无公差要求时检验不进行尺寸判定，只需测量实际角度。

测量案例分析：图9b示例说明，由于铸造表面形状误差较大，很难直接判断被测要素的实际位置。由图9c示例可以看出，当L2>>L1时，被测对象位置轻微偏移其角度就会出现很大波动，这体现了角度公差测量的局限性。因此，在铸件产品中角度关系应当有效表达，以消除图9b和c因测量、结构等测量不确定性因素造成的影响。

图9 角度测量示意图Fig.9 Diagram of angle measurement

解决方案：可以使用几何公差的语言，如面轮廓度或位置度来表达，见图 10，通过公差带X可以知道，可以同时包容被测要素的位置和形状。同样定义公差带X时，要求设计师根据产品的使用工况确认。

图10 面轮廓度公差带示意图Fig.10 Tolerance zone of surface profile

3 总结

尺寸公差和几何公差是图纸语言的天平，在图纸语言的表达上缺少任意一方，都会使图纸设计失衡导致表达不准确，同时得到如下结论。

1) 在铸件图纸标注尺寸时不能过于依赖 HB6103。

2) 合理标注铸件图纸尺寸，避免尺寸公差等同于几何公差使用。

3) 产品设计者应根据产品的使用工况，合理定义几何公差带。

参考文献：

[1] ISO 1101—2004, 中文版产品几何技术规范(GPS)[S].ISO 1101—2004, Product Geometry Specification(in Chinese)[S].

[2] ISO 14405—1: 2010, Linear Dimensional Tolerance[S].

[3] ISO 8062:1994, Casting Dimension Tolerance[S].

[4] HB 6103—2004, 铸件尺寸公差和机加工余量[S].HB 6103—2004, Casting Size Tolerance and Machining Allowance[S].

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[7] GB/T 17851—2010, 产品几何技术规范(GPS)几何公差[S].GB/T 17851—2010, Geometric Tolerances of Product Geometric Specifications[S].

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[9] GB/T 1182—2008, 产品几何技术规范(GPS)几何公差[S].GB/T 1182—2008, Geometric Tolerances of Product Geometric Specifications[S].

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