基于波面干涉技術測量高精度零件垂直度方法與修正技巧研究

黃俊

（湖南文理學院，湖南 常德 415000）

基于波面干涉技術測量高精度零件垂直度方法與修正技巧研究

黃俊

（湖南文理學院，湖南 常德 415000）

機械加工技術的提高，帶動了人們對零件加工精度的要求。要想獲得更高的精度，現場加工時需要采用更加準確的測量方法，以便獲得更加精準的測量數據。本文以高精度零件垂直度的現場測量為例，提出了基于波面干涉技術測量的方法進行垂直度測量，并且分析了測量誤差，對高精度零件垂直度的修正技巧進行了探討。

測量；高精度；垂直度；波面干涉技術

現代科學技術的迅速發展，對零件的材料、精度、幾何和力學特征都有非常高的要求，尤其是一些尖端科技行業，例如航天信息、微電子等。在有垂直度公差要求的零件加工中，對于一般的零件將誤差控制在要求范圍內即可，但對于高精度的零件則需要有效的控制誤差修正值的大小。人們通常采用三坐標測量機和自準直儀等設備來進行形位誤差的測量，用到的方法大多是激光測量的方法，但這些設備和方法局限性較大，采集的數據有一定的誤差，不足以準確的進行誤差修正和加工。

針對這些問題，本文提出了一種較為新穎的測量方法，采用波面干涉技術來測量高精度零件的垂直度，以便能夠獲取高精度零件垂直度誤差以及分布的準確數據，從而更好的進行高精度零件垂直度的修正。

1 高精度零件垂直度測量原理和分析方法

1.1 高精度零件內表面間垂直度的測量方法

目前采用形位誤差測量高精度零件垂直度中精度最高的方法是干涉測量，但是受到一些零件幾何形狀的限制，其內表面的垂直度不能直接進行干涉測量，可以采用高精度測量為前提，利用相移干涉法進行外表面垂直度誤差的測量，而內表面的平行度誤差則采用波面干涉的方式進行測量。

在測量的過程中首先需要對外表面的垂直度進行測量，然后在對外表面和其對應的內表面的平行度的誤差進行測量，最后將這一角度的外表面間的垂直度誤差進行修正，從而得到內表面間的垂直度誤差。

1.2 基于波面干涉技術的外表面垂直度測量原理

采用基于波面干涉技術的外表面垂直度測量時，需要對參考平面和被測平面之間的空氣間隙進行測量，利用這一方法進行測量的結果產生的誤差主要由被側面的面形誤差以及相對于標準參考平面的位置誤差構成。

對于外表面的垂直度測量，采用的方法是光路測量的方式，這一方法的主要原理是利用激光束穿過標準參考鏡頭，然后反射回干涉儀，從而形成了參考波面。零件外表面的垂直度誤差是根據測試波面和參考波面的圖像相比較，得到兩個面相對于基準角度的位置誤差。

計算零件外表面的垂直度誤差，需要建立直角坐標系，原點位置在被測角的定點位置，干涉儀的敏感方向為z方向，且需要滿足右手規則。建立好測量的系統直角坐標系之后，排除參考平面、被測對象、反射平面的面形誤差以及被測角度的垂直度誤差、反射平面和被測對象的位置誤差，就可以進行方程式的建立了。

設參考平面z=l，兩個反射平面的方程分別為m和n，其中n<0，被測零件相鄰的兩個面如果滿足z=x，那么假設z軸左側任意一點為B（x，y，z），于是可以得到參考波面和測試避免之間的光程差的方程式：

z軸右側任意一點C（x，y，z）(x<0)的光程差的方程式為：

如果被測零件精確度垂直度比較理想，那么得到的參考波面和測試波面的光程差的數值是相同的，得到的干涉圖像也是均勻的一片白色的光線。如果被測零件精確度垂直度不理想，那么得到的參考波面和測試波面的光程差的值也不同，得到的干涉圖像會呈現明暗相間的條紋狀。對干涉圖像進行分析可以得到被測零件相鄰兩個面相對于垂直基準角的角度誤差，也就是垂直度的誤差。

2 高精度零件垂直度測量方法及誤差分析

采用波面干涉技術對零件高精度垂直度進行測量一般采用的是標準4英寸的平面鏡頭，反射平面均采用一級平面平晶來滿足測量的精度，其中反射平面位置誤差和被測對象調整誤差的高階值比較小，對誤差有抑制作用，反射平面間的平行度誤差是該測量方式的決定性的誤差，需要通過進一步的處理進行消除。

3 高精度零件垂直度修正的技巧

在對高精度零件垂直度采用波面干涉技術進行準確的誤差測量之后，在對其垂直度進行修正的時候首先應該對其工藝進行分析，然后采用研磨的工藝進行誤差的修正。

3.1 對零件進行工藝分析

在對高精度零件進行垂直度修正之前，需要對零件進行工藝的分析，本文以圖1的高精度零件為例進行分析。

圖1 示例高精度零件

高精度零件如圖1所示，φ210 mm端面C和外錐面φd對軸心線A -B基準的形位公差要求很高，并且端面C與φd表面都要求粗糙度Ra 0.8 μm，所以需要對這兩個表面進行研磨以保證零件的高精度和粗糙度的要求。

具體的過程首先需要對普通外圓磨床砂輪端面進行修正，采用金剛石砂輪修整器將砂輪端面的中間消磨1.5～2 mm，將砂輪邊緣留10 mm左右寬度，并且對端面進行修正，將砂輪的外圓倒角調整為2×450以減少砂輪靠磨時的接觸面積，從而減少軸向壓力，提高整個研磨過程的系統剛性，提高零件的精度。其次，在試磨的過程中要確定磨床工作臺處于零的位置，加工零件錐度時磨床工作臺兩軌道需要相互垂直。第三步，采用手動進刀代替自動進刀進行靠磨，減小震動幅度，精磨端面的時候軸向切削量以0～0.04 mm為宜。第四步，加工好零件端面C之后，打表進行工件的檢測，根據檢測結果，再對零件進行細微的調整。

3.2 高精度零件垂直度的研磨工藝

該示例零件為回轉類零件，在加工的過程中需要以零件端面上任何一個以回轉中心為中心的圓，對回轉中心的跳動量為零。將零件和高精度平板接觸時，其基準A-B應與平板垂直，因此測出C面和平板的間隙值，也就是C面與A-B基準軸上的不垂直度。對零件進行精度分析可以知道，該零件經過第一次靠磨之后不垂直度為0. 075 mm，這表明磨床在靜態下其磨頭的運動軌道和工作臺的軌道是垂直的，因此，在靠磨的情況下，砂輪軸向受力，磨頭系統剛性比較差。砂輪如果參加切削的面積大，軸向力大，那么其偏移的角度也大，砂輪切入也就越深，不垂直度也越大。為了更好的增加高精度零件的垂直度，需要掌握好砂輪的修正寬度和軸向加工余量，并且，工作臺的調整后換算要精確，這樣才能有效的提高靠磨精度。

4 結語

綜上所述，采用波面干涉技術測量的方式可以對高精度零件垂直度誤差進行較為準確的測量，基于此誤差的測量可以較為精準的對零件高精度垂直度進行修正。在修正的過程中需要先對零件進行工藝的分析，再正確的采用研磨的工藝，找到基準測定平面進行修正。經過實踐表明，利用此方法在上端平面的修正值比較直觀和準確，在現場加工時為了獲得更好的誤差修正值和方向，采用普通外圓磨床加工高垂直高精度度要求的零件合格，達到了設計要求。該工藝方法，操作者都反映是一種操作方便、簡單可靠的加工方法。波面干涉測量的方法讓高精度零件垂直度修正更加精確，成功解決了高精度零件垂直度的測量和修正問題，并且具有一定的普遍性，對于其他角度的檢測也有一定的參考意義。

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