車(chē)削工件寬度尺寸在機(jī)精密檢測(cè)方法的研究

盛國(guó)棟

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 紹興 312000)

在制造業(yè)中，數(shù)控車(chē)削是數(shù)控加工中應(yīng)用最多的加工方法之一[1]。在數(shù)控車(chē)削加工中，所加工的工件類(lèi)型有很多種，工件結(jié)構(gòu)也有很多變化。隨著當(dāng)今科技水平的不斷進(jìn)步，工件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，零件的尺寸精度要求也越來(lái)越高[2]。現(xiàn)如今，車(chē)削加工中心、車(chē)銑復(fù)合加工中心等一些高端加工設(shè)備也越來(lái)越普及。相對(duì)應(yīng)的車(chē)削加工零件的輪廓也是越來(lái)越復(fù)雜，其精度要求也是越來(lái)越高，在實(shí)際加工中影響加工精度的因素錯(cuò)綜復(fù)雜[3]。想要保證工件高精度的加工要求，就需要使用相應(yīng)的高精度量具進(jìn)行在機(jī)測(cè)量。

在車(chē)削加工工件中，主要精度尺寸分為徑向尺寸和軸向尺寸兩種。其中徑向尺寸在機(jī)檢測(cè)較為簡(jiǎn)單。可以使用外徑千分尺、葉片千分尺、公法線千分尺等量具進(jìn)行直接檢測(cè)。而軸向尺寸的測(cè)量就相對(duì)復(fù)雜，不同類(lèi)型的軸向尺寸需要使用不同類(lèi)型的量具。常用的軸向尺寸測(cè)量量具有游標(biāo)卡尺、公法線千分尺、內(nèi)測(cè)千分尺等。而這些量具的使用必須保證兩個(gè)平面的測(cè)量點(diǎn)在同一直徑范圍上才能檢測(cè)。而加工中經(jīng)常遇到有一些寬度尺寸的兩個(gè)測(cè)量平面不在同一直徑范圍上(如圖1所示)，圖中L1、L2、L3這3個(gè)尺寸，其測(cè)量面都不在同一直徑范圍內(nèi)，這樣的尺寸在加工過(guò)程中無(wú)法使用直接檢測(cè)法檢測(cè)，也沒(méi)有合適的量具可以在直接測(cè)量的同時(shí)保證較高的測(cè)量精度。盡管羅太景等提出過(guò)關(guān)于多功能游標(biāo)卡尺的改進(jìn)措施[4]，但也不足以解決所有寬度尺寸的測(cè)量難題。遇到該類(lèi)尺寸，通常是需要把工件拆卸下來(lái)后通過(guò)高度尺或三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)[5]，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在機(jī)檢測(cè)。本文就此加工難題設(shè)計(jì)了一整套測(cè)量裝置和檢測(cè)方法，可以很好地解決寬度尺寸在機(jī)精密檢測(cè)的難題。

1 車(chē)削工件寬度尺寸精確測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

在數(shù)控車(chē)削加工中，杠桿百分表[6]、杠桿千分表等是常見(jiàn)的定位找正工具。在控制工件平行度和同軸度時(shí)，就需要用到杠桿百分表。杠桿百分表在檢測(cè)平行度時(shí)，可以通過(guò)平面壓表量的大小，很直觀地在表盤(pán)上讀取出壓表量。本文根據(jù)杠桿百分表的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出能結(jié)合機(jī)床測(cè)量寬度尺寸的測(cè)量裝置。其基本原理就是利用機(jī)床面板讀取機(jī)床移動(dòng)距離，利用杠桿表記錄壓表量，結(jié)合兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得出工件兩平面間的軸向測(cè)量距離，從而實(shí)現(xiàn)在機(jī)檢測(cè)。

如圖2所示，車(chē)削工件寬度尺寸精確測(cè)量裝置，是由磁性表座、連接桿、杠桿千分表等裝置組合而成。整個(gè)裝置是以磁性表座為基座，用連接桿和燕尾連接柄把杠桿千分表和基座連接在一起。

該檢測(cè)裝置的優(yōu)點(diǎn)有：(1)不受寬度尺寸測(cè)量面位置的限制，幾乎可以測(cè)量任何形式、任何位置的寬度尺寸。(2)該檢測(cè)裝置測(cè)量精度較高，配合使用杠桿千分表檢測(cè)，其測(cè)量精度可達(dá)到0.001 mm。(3)該檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)在機(jī)檢測(cè)，工件加工過(guò)程中無(wú)需拆卸，可實(shí)現(xiàn)加工余量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加工精度實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。

1.1 表座的選擇

磁性表座是整個(gè)測(cè)量裝置的基座。在檢測(cè)時(shí)是以磁性表座底面吸附到刀架側(cè)面上(如圖3)進(jìn)行測(cè)量裝置的定位。吸附力的大小也會(huì)影響到定位的精度和測(cè)量過(guò)程中的穩(wěn)定性。所以要選擇較大吸力的表座。同時(shí)，要保證表座地面的吸附面平整，使測(cè)量裝置定位可靠。

1.2 連接桿的選擇

測(cè)量裝置的連接桿是固定磁性表座和杠桿千分表的主要支撐單元。其支撐桿的穩(wěn)定性直接影響到檢測(cè)時(shí)的測(cè)量精度。如果使用較細(xì)小的連接桿或者直接使用萬(wàn)向磁性表座的連接桿，會(huì)導(dǎo)致千分表和磁性表座的連接不夠穩(wěn)定，最終使檢測(cè)產(chǎn)生誤差。在此推薦使用自制連接桿。

連接桿可以根據(jù)圖4加工。使用螺紋連接的方式連接磁性表座。其材料可以使用45鋼、不銹鋼、模具鋼等，保證其連接的穩(wěn)定可靠。在加工φ8 mm孔時(shí)，需要保證φ8 mm孔自身的尺寸精度和與A基準(zhǔn)面的平行度，以確保整個(gè)測(cè)量裝置裝配好后，能保證杠桿千分表與被測(cè)工件軸線的垂直度，以提高測(cè)量的精度。

1.3 杠桿表的選擇

在該測(cè)量裝置中，杠桿表是最重要的測(cè)量裝置。杠桿表的選擇直接關(guān)系到測(cè)量精度的高低和測(cè)量穩(wěn)定性的好壞。在此，為了提高測(cè)量的精度，推薦使用杠桿千分表。杠桿千分表的測(cè)量精度可達(dá)到0.001 mm，但測(cè)量范圍只有1 mm左右。如果使用杠桿百分表，雖然測(cè)量范圍可增加至3 mm左右，但其測(cè)量精度只能達(dá)到0.01 mm。所以相比之下，杠桿千分表的測(cè)量精度更高。

同時(shí)，杠桿千分表的測(cè)頭擺動(dòng)方式也有上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)兩種。加工中常用的杠桿表都是上下擺動(dòng)的。但是在該測(cè)量機(jī)構(gòu)中，如果使用上下擺動(dòng)的千分表，就需要把千分表旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行安裝(如圖5所示)。在這種安裝方式中，測(cè)量時(shí)讀取表盤(pán)刻度就顯得較為不便。因?yàn)檎麄€(gè)測(cè)量裝置是利用磁性表座吸附在機(jī)床刀架上的，所以受到機(jī)床刀架的干涉影響，讀數(shù)時(shí)無(wú)法直接面對(duì)表盤(pán)，如果傾斜一定角度進(jìn)行讀數(shù)，那么讀數(shù)時(shí)就會(huì)存在一定的斜角誤差，而讀數(shù)的誤差也會(huì)直接影響到測(cè)量的最終結(jié)果。所以在條件允許的情況下，還是推薦使用左右擺動(dòng)式千分表。這樣在檢測(cè)時(shí)可以直接面對(duì)表盤(pán)讀數(shù)，可以避免讀數(shù)誤差，提高測(cè)量精度。

2 檢測(cè)裝置的使用方法

2.1 單方向尺寸的檢測(cè)方法

在工件加工過(guò)程中，單方向臺(tái)階尺寸(如圖1)中L1尺寸在檢測(cè)過(guò)程中，沒(méi)有合適的量具可以直接檢測(cè)。如果該尺寸精度要求較高，則常規(guī)測(cè)量方法就無(wú)法滿(mǎn)足加工需要，就需要使用檢測(cè)裝置用打表測(cè)量的方法進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)時(shí)，先將檢測(cè)裝置利用磁性表座吸附在車(chē)床刀架側(cè)面。然后使用手動(dòng)或手輪進(jìn)給的方式，使杠桿千分表測(cè)頭壓到平面1(如圖6所示)。記錄壓表量為Δ1，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常壓表量控制在0.05 mm以?xún)?nèi)。同時(shí)將機(jī)床面板的坐標(biāo)值歸零。然后移動(dòng)刀架(參考圖6打表軌跡)，將測(cè)頭壓到平面2，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機(jī)床面板的坐標(biāo)值記為Z1。此時(shí)Z1就是機(jī)床從平面1到平面2的移動(dòng)距離。則該尺寸L1為：

L1=Z1+Δ1-Δ2

(1)

式中：Z1為機(jī)床Z軸坐標(biāo)移動(dòng)量；Δ1為平面1壓表量；Δ2為平面2壓表量。

2.2 槽寬尺寸的檢測(cè)方法

如圖1所示，其L2尺寸就是槽寬尺寸。在該尺寸的檢測(cè)中，由于尺寸兩側(cè)面高度不一致，所以無(wú)法使用內(nèi)測(cè)千分尺或游標(biāo)卡尺直接測(cè)得。同樣需要使用打表方法進(jìn)行檢測(cè)。

如圖7所示，在槽寬尺寸檢測(cè)時(shí)，使用手動(dòng)或手輪進(jìn)給的方式，使杠桿千分表測(cè)頭壓到平面3。記錄壓表量為Δ1，同時(shí)將機(jī)床面板的坐標(biāo)值歸零。然后移動(dòng)刀架(參考圖7打表軌跡)，將測(cè)頭壓到平面2，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機(jī)床面板的坐標(biāo)值記為Z2。此時(shí)Z2就是機(jī)床從平面3到平面2的移動(dòng)距離。在整個(gè)打表過(guò)程中，兩次壓表的方向是相反的，所以杠桿千分表本身反向間隙無(wú)法從表盤(pán)刻度上體現(xiàn)出來(lái)，所以需要加入杠桿千分表本身的反向間隙ω。則該尺寸L2為：

L2=Z2+d-Δ1-Δ2-ω

(2)

式中：Z2為機(jī)床Z軸坐標(biāo)移動(dòng)量；d為測(cè)頭的直徑；Δ1、Δ2分別為平面3和平面2壓表量；ω為杠桿千分表的反向間隙。

在此，需要強(qiáng)調(diào)ω為杠桿千分表的反向間隙，就是杠桿千分表在兩個(gè)方向壓表時(shí)中間的空隙值。其表反向間隙的數(shù)值會(huì)直接影響到檢測(cè)結(jié)果。所以在檢測(cè)工件之前，就需要對(duì)杠桿千分表的反向間隙做出測(cè)定。只有精確測(cè)定了杠桿千分表的反向間隙，才能準(zhǔn)確計(jì)算出所測(cè)寬度尺寸的具體數(shù)值。

2.3 槽間厚度尺寸的檢測(cè)方法

如圖1所示，其L3尺寸就是槽間厚度尺寸。在該尺寸的檢測(cè)中，由于尺寸兩側(cè)面高度不一致，所以無(wú)法使用游標(biāo)卡尺或公法線千分尺直接測(cè)得。也需要使用打表方法進(jìn)行檢測(cè)。

如圖8所示，在槽間厚度檢測(cè)時(shí)，使用手動(dòng)或手輪進(jìn)給的方式，使杠桿千分表測(cè)頭壓到平面1。記錄壓表量為Δ1，同時(shí)將機(jī)床面板的坐標(biāo)值歸零。然后移動(dòng)刀架(參考圖8打表軌跡)，將測(cè)頭壓到平面4，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機(jī)床面板的坐標(biāo)值記為Z3。此時(shí)Z3就是機(jī)床從平面1到平面4的移動(dòng)距離。同理，兩次壓表的方向是相反的，所以需要加入杠桿千分表本身的反向間隙ω。則該尺寸L3為：

L3=Z3-d+Δ1+Δ2+ω

(3)

式中：Z3為機(jī)床Z軸坐標(biāo)移動(dòng)量；d為測(cè)頭的直徑；Δ1、Δ2分別為平面1和平面4壓表量；ω為杠桿千分表的反向間隙。

3 杠桿千分表反向間隙測(cè)定方法

在槽寬尺寸和槽間厚度尺寸的測(cè)量過(guò)程中，兩次壓表的方向是相對(duì)的，所以杠桿千分表本身反向間隙無(wú)法從表盤(pán)刻度上體現(xiàn)出來(lái)，就需要提前得知該杠桿千分表的反向間隙。此時(shí)，可以利用步距規(guī)和槽寬打表方法反求杠桿表的反向間隙。

步距規(guī)主要用于數(shù)控機(jī)床直線軸定位精度、重復(fù)定位精度和在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)精度的檢測(cè)[7]。在檢測(cè)杠桿千分表的反向間隙時(shí)，也是最佳的檢測(cè)工具。如圖9所示，將步距規(guī)固定在機(jī)床上并找正，使用槽寬尺寸檢測(cè)方法或槽間厚度尺寸檢測(cè)方法進(jìn)行打表測(cè)量。既可用公式(2)或者公式(3)反求出杠桿表的反向間隙ω的值。

例如：使用槽寬尺寸打表方法檢測(cè)步距規(guī)10 mm槽寬尺寸，若第一次壓表量Δ1=0.021 mm，第二次壓表量Δ2=0.033 mm，機(jī)床移動(dòng)量為8.060 mm，則可利用公式(2)計(jì)算：

L2=Z2+d-Δ1-Δ2-ω

則：10=8.06+2-0.021-0.033-ω即：ω=0.006 mm

通過(guò)計(jì)算可得，杠桿千分表的反向間隙ω為0.006 mm。

但不同品牌的杠桿千分表其反向間隙都不同，就算同一品牌的杠桿千分表，反向間隙也會(huì)有細(xì)微的差別。所以每個(gè)杠桿千分表的反向間隙都需要經(jīng)過(guò)測(cè)定。同時(shí)，測(cè)量時(shí)如果存在測(cè)量面不潔凈、表架安裝不夠穩(wěn)固、測(cè)桿與測(cè)量方向不垂直等因素，也會(huì)造成測(cè)量誤差[8]。所以在計(jì)算杠桿表反向間隙時(shí)，需多測(cè)量幾次，取平均值。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在數(shù)控車(chē)削加工中，經(jīng)常遇到一些無(wú)法直接測(cè)量的寬度尺寸。該類(lèi)寬度尺寸兩個(gè)測(cè)量面不在同一直徑上，無(wú)法直接測(cè)量。針對(duì)此類(lèi)尺寸，可用磁性表座和杠桿千分表組合的測(cè)量裝置進(jìn)行在機(jī)檢測(cè)，可達(dá)到較高的測(cè)量精度。

(2)在磁性表座、連接桿的選擇中，需要保證的是整個(gè)測(cè)量裝置的穩(wěn)定性。在杠桿表的選擇中，需要保證的是讀數(shù)的便捷性和杠桿表的精度。

(3)在使用該測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)測(cè)量面分布方式的不同，分成單方向尺寸的檢測(cè)方法、槽寬尺寸的檢測(cè)方法、槽間厚度尺寸的檢測(cè)方法三種。每一種測(cè)量方法對(duì)應(yīng)一種尺寸類(lèi)型，能做到精確在機(jī)檢測(cè)。

(4)由于在槽寬尺寸和槽間厚度尺寸的測(cè)量過(guò)程中，兩次壓表的方向是相對(duì)的，需要求得杠桿百分表的反向間隙。對(duì)此，可以利用步距規(guī)和槽寬打表方法反求杠桿表的反向間隙。

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