曲軸軸徑專用測量工具的設計與應用

甘文輝

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

曲軸軸徑專用測量工具的設計與應用

甘文輝

（上海日野發動機有限公司，上海201401）

簡要介紹P11C六缸發動機曲軸加工過程中軸徑的在線測量方法及其專用檢具（梯形卡規）的設計。并使用埃帝科曲軸綜合測量儀測量曲軸，其測量數據和檢具測量數據進行對比分析，為檢具準確性的確認提供了依據。檢具操作簡單，滿足了現場快速測量的需要，測量數據直接可指導加工機床的精度調整。

曲軸 軸徑 專用測量工具 設計

1 前言

機體、缸蓋、曲軸、連桿、凸輪軸統稱為發動機五大關鍵零部件（5C部品），此五大關鍵零部件的加工精度會直接影響到發動機的動力性和可靠性等重要性能。而曲軸是發動機上的主要運動件，又是傳遞動力的主要零部件，工作條件非常惡劣，更直接影響到發動機的大修壽命。由于曲軸產品本身設計精度高，加工精度高，在線大批量生產時，選用即能保證測量精度高、又方便快捷且成本低廉的測量方法是個非常值得考慮的課題。上海日野發動機有限公司生產的P11C型柴油發動機是排量為10.52 L的六缸發動機，其曲軸主要由七個主軸徑和六個連桿軸徑構成，本文就軸徑的在線測量工具和測量方法進行探討。

2 常用的軸徑檢測方法及其優缺點

2.1 卡鉗法

很多年前，對于要求不高的軸徑，常用外卡鉗＋鋼直尺進行測量，這在車削粗加工用的較多。這種方法只有具有豐富實踐經驗的人才能相對測得準確些，一般情況下誤差較大，效率低，目前已很少使用。

2.2 通用量具法

通用量具在機械制造行業較為常用，如游標卡尺、外徑千分尺、三溝千分尺、五溝千分尺、杠桿千分尺等等。方法如下：

（1）首先計算安全裕度。在國家標準GB/T 3177－2009《產品幾何技術規范（GPS）光滑工件尺寸的檢驗》中對安全安全裕度作出了說明。因為

任何測量結果都存在誤差，所以測量結果等于公差極限或雖然在公差范圍內但很接近時，并不能證明其真值在公差范圍內。國標要求在判斷產品合格與否時將軸或孔的公差帶兩頭均內縮一個尺寸，這個尺寸就是“安全裕度”，如圖1所示。圖中LML和MML分別為最小實體極限和最大實體極限，A為安全裕度。國標規定安全裕度為公差帶寬度T的1/10。在常用公差等級6～11級范圍內，根據安全裕度選用計量器具時，可有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔選擇，國標要求優先選用Ⅰ檔，此時，所選用計量器具的測量不確定度應不大于0.9A，如選用Ⅱ檔或Ⅲ檔，則所選用計量器具的測量不確定度分別為1.5A和2.3A。

來稿日期：2012-11-27

圖1 安全裕度

（2）測量應在不少于兩個截面上進行，其中的每個截面應取互相垂直的兩個方向測量。

（3）取最大的讀數值作為被測軸徑的測得值。

該測量法的優點是操作簡便，環境適應性好，但測量精度中等，適合用于測量中等準確度的軸徑。

2.3 比較儀法

一些精度要求較高的軸徑，可選用千分表、杠桿千分表、扭簧比較儀、光學比較儀、電子量儀、氣動量儀與量塊或標準圓柱進行比較測量。方法如下：

（1）先按公差的1/10算出安全裕度，則所選用的比較儀的不確定度應不大于安全裕度的0.9倍。如公差特別小，無合適的比較儀可選用，也可取安全裕度的1.5倍或2.3倍。

（2）選用1級量塊組合成被測直徑的理想尺寸。

（3）將量塊組適當放置在0級平板或比較儀工作臺上，調節比較儀，使讀數系統對零。

（4）取下量塊組，將被測軸徑置于工作臺與測頭之間進行測量，使軸在工作臺上滾動，讀數由小變大，到某一個數值時又由大變小，讀取轉折時的這個數值。測量的截面不得少于兩個，每個截面測互相垂直的兩個方向。

（5）將讀數與量塊組尺寸的代數和作為軸徑的測得值。

（6）使用氣動量儀作比較儀時，用標準圓柱代替量塊組。

該測量法的優點是測量精度高，準確度高，缺點是測量環境要求高，測量人員的專業性強，測量效率低，并且受工件測量位置和裝夾方式制約。

2.4 光隙法

利用刀口形樣板直尺與量塊組測量軸徑的方法稱為光隙法[1]，如圖2所示。測量方法如下：

（1）選取一組量塊，使量塊組的尺寸h大于軸徑尺寸d約1～2 μm。

（2）將量塊組黏合在檢驗平板上，并置被測軸徑于量塊組附近，刀口形樣板直尺貼合在量塊的工作面上，樣板直尺的刀口在另一端與軸徑之間形成光隙。

（3）若光隙透過的光線呈藍色，縫寬約0.8 μm；如呈紅色，縫寬約1.5 μm；如呈白光，則縫寬大于2.5 μm，此時應適當減少量塊組尺寸，重新測量。

（4）若樣板直尺刀口與軸徑母線恰好接觸，刀口與量塊之間且無光線透過，說明軸徑尺寸d=h。

（5）當樣板直尺刀口與軸徑母線接觸，而刀口與量塊工作面不能完全接觸，在離軸徑較近的刀口與量塊之間透出光線，說明量塊組偏小，則需重新組合量塊組再進行測量。

圖2 光隙法

該測量法的優點是測量測量精度高，準確度高，缺點是測量環境要求高，測量人員的專業性強，測量效率低，并且受工件測量位置和裝夾方式制約。

2.5 精密測量設備測量法

包括三座標測量機、埃帝科曲軸綜合測量儀、

圓度測量儀等精密測量設備，此類精密測量設備經過軟件編程后，可以直接測量并得到測量值。

該測量法的優點是測量精度高，準確度高，測量結果直觀，缺點是測量設備購置、維護成本高，要有專業測量人員，并且受工件測量位置和裝夾方式制約。

3 專用檢具（梯形卡規）的設計

3.1 測量原理的數學模型

為準確快速地測量出未知圓的外徑尺寸，設定一個理想圓作為基準圓，選取一個固定夾角，將該固定夾角分別和基準圓、被測圓相切，通過計算可得出被測圓與基準圓之間的偏差值。如圖3所示，設基準圓外徑為Φd0，被測圓的外徑為Φd，固定夾角為β，根據圖3中幾何關系計算：

根據直角三角形A0B0O和直角三角形ABO，可以得到

可得：d? d0=x ×2sin β/2

令k = 2sin β/2，?d = d?d0，即得

β=2arcsin k/2

?d = d ? d0=x× k

圖3 數學模型

同心圓Φd0和Φd，圓心為O；固定夾角β分別與兩同心圓Φd0、Φd相切，切點分別為B0和B；被測圓外徑Φd與基準圓外徑Φd0的偏差為：△d=Φd-Φd0。當k取不同的值時，代入公式計算β、△d，可得表1的結果。

表1 不同k值下的計算結果

可見當取固定夾角β=60°時，k=1，圓外徑偏差為

3.2 測量方法的構思設計

根據上述的數學模型，可以應用于自制專用檢具——梯形卡規的原型設計，作為軸徑的專用測量檢具。設計自制梯形卡規時，指導思想是，按照圖紙要求，既要取得被測軸徑的最大測量范圍，又要能直接獲得被測軸徑的實際偏差值。根據數學模型計算，選取k=1，即固定夾角β=60°時，△d=Φd-Φd0=x，也就是說可直接獲得被測軸徑的實際偏差值。通過梯形其它參數的合理設計，就完全可以設計出符合實際需要的梯形卡規。設計模型如圖4所示，假設梯形卡規測量的最大直徑為Φdmax，最小直徑為Φdmin,梯形槽頂寬為L，梯形槽高度為H，根據圖4中幾何關系計算：

可以得到

分別可獲得角度α，梯形槽頂寬L，梯形槽高度H。

3.3 專用檢具——梯形卡規實際設計

Φdmin=Φ89.50分別代入上述計算公式，計算可得到：梯形槽頂寬為L=51.7，梯形槽高度為H=33.6，實際制作梯形卡規取值為梯形槽頂寬為L≈51，梯形槽高度為H≈34，固定夾角β=60°。

圖4 測量直徑范圍設計模型

自制專用梯形卡規結構示意圖[2]，如圖所5示，其結構簡單，主要由梯形座、表套、千分表等組成。

圖5 梯形卡規結構圖

實際測量時，應先制作一個Φd=Φ90的標準軸頸，在梯形卡規上裝配好千分表。測量前，如圖6所示，先通過千分表校準標準軸頸的“零位”后，然后對被測曲軸主軸徑進行測量，千分表上的讀數，便是被測曲軸主軸徑的實際偏差值。在線隨機抽取5根曲軸，對此5根曲軸的7個主軸頸分別使用埃帝科曲軸綜合測量儀和專用梯形卡規進行實際測量，對兩種方法所測得數據進行比較分析，兩者測量所得數據非常接近，兩者的誤差最大為0.001 mm，小于產品公差的十分之一，可以認為自制專用梯形卡規完全能夠滿足生產現場在線檢測精度，能有效保證曲軸主軸頸的加工質量。

圖6 測量方法

4 結束語

隨著加工設備水平的提高，加工工藝對在線檢測提出了更高的要求。工序間測量需要專用檢具快速準確地完成生產對測量的要求，達到工序質量控制的目的。通常大批量的在線檢測軸徑的方法，常見的是通止卡規，但通止卡規只是判斷被測軸徑是否合格的“定性”方法。而用梯形卡規檢測軸徑，則是能獲得被測軸徑實際偏差值的“定量”方法，其測量數據直接可指導加工機床的精度調整，也便于統計分析控制，使得測量數據具有警示和預防功能。

梯形卡規經實際使用，操作方便、準確可靠，效果良好，不受場地和裝夾方式限制，很好地解決了在線加工中軸徑的快速測量問題。而且梯形卡規結構簡單，制造容易，并且制做成本低，很適用于批量生產中的軸徑測量。

將梯形卡規的梯形夾角或指示表進行更換設計，其測量方法可延伸為軸類、球類的測量使用，還可應用于常用通止塞規的周期校準檢定。

1梁子午主編．檢驗工實用技術手冊[M]．南京：江蘇科學技術出版社，2004．

2劉興富．簡易卡規比較測量儀[J]．計量技術，2009（09）.

Design and Application of Machining Crankshaft Axis Special Measuring Tool

Gan Wenhui
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

Mmeasurement method and design of a special measuring tool was introduced in brief for the axis measurement of machined crankshaft of P11C six cylinders engine.The axis measurement of machined crankshaft by using the measuring tool was compared and analyzed by means of Adcole crankshaft measuring machine.The result provided a basis for validating the accuracy of the measuring tool.The tool is easy to operate and time-saving.And the data obtained from the measuring tool can be used to adjust crankshaft machining tool.

crankshaft,axis,special measuring tool,design

甘文輝（1975-），男，工程師，主要研究方向為發動機制造過程質量控制管理與制造測量技術。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.010