一種基于刀口測(cè)頭的內(nèi)尺寸測(cè)量方法研究

曾燕華，傅云霞，張波，唐冬梅

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海201203)

0 引言

近年來(lái)，隨著精密機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種精密零部件形狀越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)測(cè)量技術(shù)有了更高要求，尤其是對(duì)一些特殊的柱面內(nèi)尺寸的測(cè)量，如:各種花鍵環(huán)規(guī)的跨棒距、精密V 型導(dǎo)軌副內(nèi)間距及各種復(fù)雜零件的柱面內(nèi)尺寸等。

萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀是一種廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量領(lǐng)域的精密儀器，它既可以對(duì)各種外尺寸進(jìn)行直接測(cè)量和比較測(cè)量，還可使用內(nèi)測(cè)鉤進(jìn)行內(nèi)尺寸的比較測(cè)量［1］。外測(cè)頭形式主要有球面測(cè)頭，平面測(cè)頭和刀口測(cè)頭，其中刀口測(cè)頭用于各種圓柱面外尺寸的直接測(cè)量。但是在各種柱面內(nèi)尺寸測(cè)量中，其內(nèi)測(cè)鉤形式為球測(cè)頭，在測(cè)量時(shí)由于被測(cè)柱面與測(cè)鉤測(cè)球大小相當(dāng)而使尋找轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過(guò)程十分困難，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。我們常采用量塊組合填塞方法或影像測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，但是采用量塊組合填塞方法［2］測(cè)量效率低，量塊損耗大，且往往受測(cè)量人員的熟練程度的影響;而影像測(cè)量法則只能反映被測(cè)件表面的狀況，不能整體的反映被測(cè)量的實(shí)際情況。鑒于以上測(cè)量方法的不足，本項(xiàng)目在利用現(xiàn)有測(cè)長(zhǎng)儀的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)和加工內(nèi)測(cè)鉤，將原有的球測(cè)頭改成平面測(cè)頭與刀口測(cè)頭的組合，研究新型內(nèi)測(cè)鉤的測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)柱面等特殊形式的內(nèi)尺寸測(cè)量。

1 內(nèi)測(cè)鉤的組成與工作原理

用于內(nèi)柱面尺寸測(cè)量的內(nèi)測(cè)鉤(如圖1所示)，其主測(cè)鉤的結(jié)構(gòu)采用常規(guī)內(nèi)測(cè)鉤形式，但在測(cè)頭安裝位置采用與測(cè)頭座間隙配合的通孔設(shè)計(jì)，并在測(cè)鉤底部使用螺釘鎖緊方式。測(cè)頭則采用刀口與平面組合測(cè)頭形式(如圖2所示)，單個(gè)測(cè)頭全長(zhǎng)為6.5 mm，內(nèi)側(cè)測(cè)頭使用刃寬0.3 ～0.5 mm 刀口測(cè)頭，外側(cè)使用φ5 mm 小平面測(cè)頭，測(cè)頭座直徑為φ3 mm，測(cè)頭頭部采用G6X 硬質(zhì)合金銀焊而成，然后使用專用組合研磨夾具對(duì)一組測(cè)頭的兩個(gè)平面進(jìn)行研磨，研磨后的測(cè)頭組平面度≤0.1 μm，刀口與小平面的平行度≤0.3 μm。該組合測(cè)頭通過(guò)測(cè)頭座與測(cè)鉤緊固，安裝時(shí)注意刀口測(cè)頭安裝應(yīng)保持基本水平［3］。測(cè)量時(shí)，平面測(cè)頭使用外尺寸測(cè)量方式接觸，調(diào)整兩測(cè)頭平面平行，然后使用專用的一對(duì)60°量爪將特定的一對(duì)量柱與量塊組合，成為被測(cè)量?jī)?nèi)尺寸比較標(biāo)準(zhǔn)器具，使用比較法測(cè)量，從而獲得相應(yīng)的內(nèi)尺寸測(cè)量值(根據(jù)單個(gè)測(cè)頭的尺寸，可以確定測(cè)量尺寸L ＞13 mm)。

圖1 改進(jìn)的內(nèi)測(cè)鉤

圖2 刀口平面組合測(cè)頭

2 測(cè)量方法及步驟

在進(jìn)行柱面內(nèi)尺寸測(cè)量之前，先根據(jù)被測(cè)件的尺寸選用相應(yīng)的量塊組合(組合數(shù)量一般不超過(guò)3 塊)，與對(duì)應(yīng)于柱體部分尺寸的量棒組成的標(biāo)準(zhǔn)尺寸用專用的60°量爪組合安裝在量塊夾具(如圖3所示)上，記錄量塊組合實(shí)際值l，將夾具用壓板平壓在測(cè)長(zhǎng)儀的工作臺(tái)上，轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)手柄，將工作臺(tái)下降至便于安裝測(cè)鉤的位置。然后將事先固定好平面刀口組合測(cè)頭的一對(duì)測(cè)鉤安裝在頭座阿貝頭測(cè)桿和尾桿上，使測(cè)鉤以其弧形槽對(duì)齊，并使測(cè)鉤內(nèi)側(cè)的刀口測(cè)頭基本位于水平且與測(cè)量軸線相互垂直，鎖緊緊固螺釘。

圖3 專用60°量塊組合夾具

測(cè)量時(shí)，應(yīng)先對(duì)專用內(nèi)測(cè)鉤進(jìn)行標(biāo)定工作(如圖4所示)。首先，將測(cè)長(zhǎng)儀調(diào)整為外尺寸測(cè)量方式，使兩相對(duì)平面測(cè)頭以一定的測(cè)量力接觸，調(diào)整測(cè)長(zhǎng)儀尾桿上的水平和垂直調(diào)整螺釘，找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)(最小值)，以使兩平面測(cè)頭平行。此時(shí)，由于刀口測(cè)頭與平面測(cè)頭是配對(duì)研磨且平行度≤0.3 μm，因此也保證了刀口測(cè)頭的平行度。拉開(kāi)兩測(cè)頭，將測(cè)長(zhǎng)儀調(diào)整為內(nèi)測(cè)頭測(cè)量方式，上升工作臺(tái)，使測(cè)鉤上的刀口測(cè)頭伸入量塊與量棒組合的內(nèi)尺寸測(cè)量位置，移動(dòng)測(cè)桿，使刀口測(cè)頭與內(nèi)測(cè)的量棒以一定的測(cè)量力接觸，調(diào)整測(cè)長(zhǎng)儀工作臺(tái)水平與垂直擺動(dòng)，找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)(最小值)，然后將儀器顯示器置零。零位校準(zhǔn)后，將量塊取下，將被測(cè)件以同樣的方式固定于測(cè)長(zhǎng)儀的工作臺(tái)上，同樣方法使刀口測(cè)頭與被測(cè)件柱面接觸，調(diào)整臥式測(cè)長(zhǎng)儀工作臺(tái)，使儀器示值為最小，讀取儀器示值Δ，加上零位校準(zhǔn)用量塊的實(shí)際值l，可以獲得被測(cè)量值L=l+Δ。實(shí)際測(cè)量時(shí)，可采用在多個(gè)位置測(cè)量求平均值的方法確定最佳測(cè)量值。

圖4 刀口式內(nèi)測(cè)鉤標(biāo)定示例圖

3 測(cè)量實(shí)例及測(cè)量結(jié)果分析

在測(cè)量實(shí)例的選擇上，選用了漸開(kāi)線花鍵環(huán)規(guī)作為測(cè)量對(duì)象，這是因?yàn)闈u開(kāi)線花鍵是機(jī)械結(jié)構(gòu)中普遍使用的重要聯(lián)結(jié)部件，漸開(kāi)線花鍵量規(guī)是用于其生產(chǎn)線上的主要標(biāo)準(zhǔn)器具，而跨棒距［4］(也稱M 值)則是控制齒形的重要參數(shù)之一，因此其測(cè)量值的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到各種機(jī)械類產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。

將所設(shè)計(jì)的專用內(nèi)測(cè)鉤安裝在一臺(tái)最大允許誤差為±(0.3 +2L/1000)μm(L 單位:mm)的萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀上，采用上述方法對(duì)不同尺寸的漸開(kāi)線花鍵環(huán)規(guī)跨棒距進(jìn)行測(cè)量，其不確定度因素除了來(lái)源于測(cè)量重復(fù)性外，主要來(lái)源于量塊與量棒組合的標(biāo)定過(guò)程及儀器的示值誤差，因此以M=29.410 mm 的漸開(kāi)線環(huán)規(guī)為例，在(20±0.3)°C 的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)量，根據(jù)表1中測(cè)量不確定度評(píng)定［5］可以得到該測(cè)量方法的測(cè)量不確定度為U=1.5 μm(k=2)。

表1 本文所述方法的測(cè)量不確定度一覽表

此外，在測(cè)量時(shí)，為了方便量棒與被測(cè)花鍵環(huán)規(guī)的齒槽緊密貼合，設(shè)計(jì)一套差動(dòng)式的環(huán)規(guī)鎖緊安裝機(jī)構(gòu)(如圖5所示)，這樣不但減小了因量棒安裝不緊密或變形而引入的測(cè)量誤差，而且也使得測(cè)量方便快捷。表2 給出了4 種不同尺寸的漸開(kāi)線花鍵環(huán)規(guī)跨棒距的測(cè)量結(jié)果及其重復(fù)性，表欄目中4 組數(shù)據(jù)分別表示4種花鍵環(huán)規(guī)跨棒距理論值和選用量棒。

圖5 差動(dòng)式花鍵環(huán)規(guī)鎖緊機(jī)構(gòu)

式中:Ai表示采用不同方法得到的測(cè)量結(jié)果;Ui表示對(duì)應(yīng)的測(cè)量不確定度。

表2 不同尺寸的漸開(kāi)線花鍵環(huán)規(guī)跨棒距測(cè)量結(jié)果 mm

當(dāng)| En| ＜1 時(shí)，即認(rèn)為對(duì)比結(jié)果滿意。表3 的測(cè)量比對(duì)結(jié)果顯示，本文所述測(cè)量方法能夠滿足相應(yīng)的內(nèi)尺寸測(cè)量要求。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果比對(duì)表

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種基于刀口測(cè)頭的內(nèi)尺寸測(cè)量方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及與DKD 實(shí)驗(yàn)方法的比對(duì)，證明了在萬(wàn)能測(cè)長(zhǎng)儀上采用刀口平面組合測(cè)頭替代傳統(tǒng)的球測(cè)頭的內(nèi)尺寸測(cè)量機(jī)構(gòu)的有效性。該方法不受人為因素影響，能快速、全面、準(zhǔn)確的測(cè)量各種柱面內(nèi)尺寸，彌補(bǔ)并克服了測(cè)長(zhǎng)儀在內(nèi)尺寸測(cè)量上的不足和局限性。

［1］張?zhí)┎?幾何量檢測(cè)1000 問(wèn):工程測(cè)量(下冊(cè))［M］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T3478.5-2008 圓柱直齒漸開(kāi)線花鍵(米制模數(shù)齒側(cè)配合)第5 部分:檢驗(yàn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］趙沛征.測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)頭錯(cuò)位對(duì)內(nèi)尺寸測(cè)量的影響［J］.計(jì)量技術(shù).2008(08):39-41.

［4］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 5106-2006 圓柱直齒漸開(kāi)線花鍵:量規(guī)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［5］倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.