關鍵殼體孔組位置度量規設計與應用

李 軍，張 蕾，謝朝陽

(1.陸軍裝甲兵學院， 北京 100072； 2.中國兵器科學研究院， 北京 100089)

核心部件結構的尺寸公差及位置度控制，能夠直接影響結構系統的性能[1-6]。目前已有大量針對復雜結構形狀和位置度檢測和控制的方法，包括眾多先進的接觸測量和非接觸測量手段，取得了較好的應用效果[7-13]。位置度量規是其中一種控制措施。通過量規結構模擬控制實際關聯殼體結構，檢測被測要素的實際輪廓是否超越規定邊界，實現被測結構位置度檢驗，由于其不需要測出被測要素的實際尺寸和形位誤差，所以在效率和重復性上具備優勢，適合于量產結構的位置度檢驗[14-16]。

本研究背景為一種坦克火控系統，其作為坦克瞄準和發射系統，用以縮短射擊反應時間，提高命中率，其關鍵結構部件火控殼體精度直接影響到瞄準打擊精度，因此其單件精度以及批量生產時對產品一致性精度保證至關重要。為保證產品在裝配過程中無需選配，且滿足產品在后期保養維護中互換性要求，需嚴格保證關鍵殼體的孔組位置度要求。本研究旨在設計一種量產檢驗用關鍵殼體孔組位置度量規，以達到精度保證要求。

1 孔組位置度檢測方式

機械零件的形狀和位置誤差是零件的主要技術參數之一[17]，其在一定程度上影響整個關鍵殼體的質量，也影響到由這些關鍵殼體裝配的質量。準確、全面地檢測形位誤差對保證殼體產品質量，滿足零部件互換性要求方面具有重要意義。目前對四周分布孔組位置度誤差的測量方法一般有兩種：

1) 坐標測量裝置(如萬能工具顯微鏡或三坐標測量儀)檢測。采用該方法具有普遍適應性，其優點是能夠定量檢測孔的位置度誤差，但測量成本、時間成本高，且對于檢驗人員的技術要求較高，適合于小批量多品種產品的檢驗，或用于科研試制階段的產品檢驗[18-21]。

2) 功能量規檢測。其原理是模擬零件的裝配使用，檢測時將零件模擬安裝在量規的定位銷上，將測量銷通過量規上的導向孔分別插入零件被測孔內，若測量銷自由通過就判定零件位置度合格，否則需要做返修或報廢處理。此方法不用測出被測要素的實際尺寸和形位誤差，檢驗效率高，比較適合于大批量生產零件且孔公差較小的孔組位置檢測以及批產階段的產品檢驗[22-26]。

2 孔組位置度量規

2.1 設計原理及量規結構

按照位置度功能量規GB/T 8069—1998的規定，當最大實體要求應用于被測要素和(或)基準要素時，用來確定它們的實際輪廓是否超出邊界(最大實體實效邊界或最大實體邊界)的全形通規[27]。若量規能夠自由通過被測要素的實體，就表示該實體未超過規定的邊界，工件合格。它不需要測出被測要素的實際尺寸和形位誤差大小。

功能量規有4種型式：整體型、組合型、插入型和活動型。

具有臺階形或不同尺寸插入件的插入型功能量規稱為臺階式插入型功能量規；具有光滑插入件的插入型功能量規稱為無臺階式插入型功能量規。

一般功能量規的工作部位由檢驗部位、定位部位、導向部位3部分組成。

1) 檢驗部位

檢驗部位的尺寸、形狀、方向和位置應與被測要素的邊界(最大實體實效邊界或最大實體邊界)的尺寸形狀、方向和位置相同。

2) 定位部位

若基準要素為中心要素，且最大實體要求應用于基準要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應與基準要素的邊界(最大實體實效邊界或最大實體邊界)的尺寸、形狀、方向和位置相同。

若基準要素為中心要素，且最大實體要求不應用于基準要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應由基準要素的實際輪廓確定，保證定位部位相對于實際基準要素不能浮動。

若基準要素為實際要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應與實際基準要素的理想要素相同。

3) 導向部位

導向部位的形狀、方向和位置應與檢驗部位或定位部位的形狀、方向和位置相同。

由檢驗部位或定位部位兼作導向部位(無臺階式)，導向部位的尺寸由檢驗部位或定位部位確定。

功能量規的檢測方式如圖1所示。

圖1 工件的圖樣標注及功能量規各工作部位的示例

2.2 功能量規零部件工作部位設計

2.2.1 功能量規設計中使用符號的意義

2.2.2 功能量規計算公式

功能量規工作部位尺寸的計算公式如表1所示。

表1 功能量規工作部位尺寸的計算公式

功能量規的計算公式根據工作部位的不同，包括兩種情況，一種情況是工作部位為外要素，如果工作部位類似于孔軸配合的軸的尺寸，則其為外要素；另外一種情況是工作部位為內要素，如果工作部位類似于孔軸配合的孔的尺寸，則其為內要素。需要開展設計計算的部位包括以檢驗部位、定位部位、導向部位3個部分，各個部位的尺寸及公差計算相互獨立進行，最終形成功能量規尺寸和公差的設計參數。

2.2.3 功能量規的公差

功能量規各工作部位的公差值如表2所示，給出了功能量規不同綜合公差尺寸下，功能量規各個部分的尺寸公差、形位公差、允許磨損量及最小間隙值。

綜上，通過對孔組位置度量規設計過程的分析，得到其設計思路為：首先分析被測零件工作部位孔組結構形式，分類其為內要素或外要素，選擇相應的分類計算公式；其次選定功能量規結構及定位方式，依次設計檢驗部位、定位部位以及導向部位基準尺寸；最后根據被測零件位置度公差精度要求，確定孔組位置度量規檢驗部位、定位部位以及導向部位精度分配，最終形成功能量規尺寸和公差的設計參數，獲得滿足檢測精度和效率要求的位置度檢驗量規結構。

3 關鍵殼體位置度量規設計示例

準確、全面地檢測形位誤差對保證關鍵殼體產品的質量，實現零部件的互換性具有重要意義。針對關鍵殼體的結構形式及檢測要求，開展專用功能量規的設計是一種通用的應用實踐，已經在其他行業形成了大量的研究成果[28-36]。

針對關鍵殼體結構，被測零件中心沒有定位孔，也不是以中心孔為設計基準，功能量規的定位部位無法插入被測零件，因此無法直接照搬GB/T 8069—1998功能量規設計。本研究調整以檢具體A、B兩個平面為測量基準，使得檢具體上兩個基準面與被檢殼體兩個設計基準統一，從而實現本研究關鍵殼體結構用功能量規的設計。在實際檢驗過程中，這兩個平面與加工后的關鍵殼體設計基準面緊密貼合，此結構設計的位置度量規僅以檢驗工裝模板與被測關鍵殼體的接觸面為定位部位，無定位銷。以位置度量規的導向銷和工裝模板的導向孔為導向基準，采用臺階式插入型量規，依次插入多個測銷，如果多個測銷的檢驗部位能同時插入，則零件判為合格，否則判為不合格。

表2 功能量規各工作部位尺寸公差、形位公差、允許磨損量及最小間隙 μm

注：綜合公差Tt等于被測要素或基準要素的尺寸公差(TD、Td)及其形位公差(t＇)之和，即Tt=TD(或Td)+t＇

圖2 被測關鍵殼體零件簡圖

采用兩個平表面整體型臺階式插入型功能量規。用檢驗工裝模板，將零件殼體套入工裝模板內，將工裝模板墊在零件支耳處，在工裝模板的對應位置加工導向孔，采用銷定位檢驗零件支耳的位置度。

以下具體介紹位置度功能量規的尺寸鏈分析示例。

DMV=DM-t′=20-0.2=19.8 mm

Tt=TD+t′=0.2+0.2=0.4 mm

由表2可得：

T1=W1=0.008 mm

TG=WG=0.005 mm

Smin=0.004 mm

t1=0.012 mm

由功能量規檢驗部位的基本偏差數值，可得：

F1=0.028 mm

對于檢驗部位

d1B=DMV=19.8 mm

d1W=(d1B+F1)-(T1+W1)=(19.8+0.028)-

(0.008+0.008)=19.812 mm

對于導向部位

取dGB=DGB=8 mm

DGW=DGB+(TG+WG)=8+(0.005+0.005)=8.010 mm

dGW=(dGB+Smin)-(TG+WG)=

(8-0.004)-(0.005+0.005)=7.986 mm

被測孔及位置度量規檢驗部位的尺寸公差帶如圖3所示。通過功能量規定位部位外要素基本尺寸Φ19.8 mm，結合檢驗部位基本偏差0.028 mm，檢驗部位尺寸公差0.008 mm，檢驗部位允許磨損量0.008 mm，依據表1所示公式，獲得定位部位外要素的磨損極限尺寸Φ19.812 mm。

導向部位的尺寸公差帶如圖4所示。通過功能量規導向部位基本尺寸Φ8 mm，結合導向部位尺寸公差0.005 mm，導向部位允許磨損量0.005 mm，導向部位最小間隙為0.004 mm，依據表1所示公式，獲得導向部位磨損極限尺寸為Φ8.010 mm。

圖3 檢驗部位的尺寸公差帶

圖4 導向部位的尺寸公差帶

圖5 位置度量規尺寸及公差

圖6 檢驗工裝模板

在實際使用過程中，將被測關鍵殼體的A、B基準與檢驗工裝模板的C、D基準緊密貼合，將關鍵殼體的支耳底面與檢驗工裝模板的上平面靠齊，將位置度量規的測銷穿過檢驗工裝模板，測銷的導向部位(即導向部位的活動件)，插入檢驗工裝模板的導向部位(即導向部位的固定件)，檢驗部位插入被測關鍵殼體，依次插入每個被測孔位，所有孔均可插入則被測關鍵殼體孔組位置度檢測合格。

綜上，本節基于典型應用，首先通過基準轉換實現了檢驗基準和設計基準的統一，其次分析被測零件位置度公差精度要求，分別分析孔組位置度量規檢驗部位、定位部位以及導向部位考慮最小間隙以及磨損量后的基準尺寸及公差，形成功能量規尺寸和公差的設計參數，獲得滿足檢測精度和效率要求的位置度檢驗量規結構，展示了量規檢驗的尺寸保證的具體應用案列，為后續其他類似結構孔組位置度檢驗量規的設計提供參考。

4 結論

本研究在功能量規標準的基礎上，針對關鍵殼體結構形式特點及檢測要求，實現了一種新結構的孔位置度量規的分析設計計算。在合理分配量規尺寸公差基礎上，分別實現了檢驗部位、定位部位、導向部位的尺寸公差設計和尺寸鏈計算，得到了滿足檢測精度和效率要求的位置度檢驗量規結構，便捷有效地實現孔組位置度公差的檢驗，解決了關鍵產品孔組軸線位置度難以控制且檢驗效率低的問題。目前已在實際檢驗中批量使用，進一步驗證了其有效性和便捷性。此專用功能量規設計思路及方法具有一定的普遍適應性，可用于指導類似結構位置度檢驗量規的設計分析。

[1] 鄭似玉,滕金芳,羌曉青.位置度超差對軸流壓氣機流場性能影響的數值研究[J].流體機械,2016,44(11):20-24.

[2] 王鵬,石永強,孫長庫.發動機缸體結合面孔位置度測量方法的研究[J].儀器儀表學報,2013,34(1):51-56.

[3] 郭崇穎.復雜產品幾何誤差評定與裝配精度預測研究[D].北京:北京理工大學,2015.

[4] 馬紅坤.提高滾筒筒皮與接盤焊接后的工藝位置度[J].工程技術(引文版),2017(1):24.

[5] 郭苗.評價位置度時基準正確選擇[J].金屬加工,2016(15):4-6.

[6] 李研,李君洋,董云山.螺紋孔位置度實用檢測裝置設計[J].吉林工程技術師范學院學報,2017,33(5):91-92.

[7] 湯志鈞,汪海華.對稱孔位置度三坐標測量方法的探討[J].軌道交通裝備與技術,2016(4):50-51.

[8] 寇植達.關于孔系位置度標注和檢測方法的研究與探討[J].汽車實用技術,2016(9):219-220.

[9] 陳朝.孔組位置度視覺測量技術研究[D].長春:吉林大學,2015.

[10] 孫增玉,劉柯,劉華,等.基于激光掃描的助推級位置度測量方法[J].導彈與航天運載技術,2016(6):78-81.

[11] 丁立軍,戴曙光,穆平安,等.逆向工程技術在零件尺寸和位置度誤差測量中的應用[J].機械設計與研究,2014(3):123-126.

[12] 張曉宇.地鐵輪裝制動盤形位公差檢測方法的改進[J].機械工程師,2016(7):116-118.

[13] 王冬.大型收獲機械底盤機架形位誤差在線檢測方法研究和系統研制[D].北京:中國農業大學,2017.

[14] 柳翔宇.對標準《功能量規》若干問題的分析[J].機械工業標準化與質量,2001(5):10-14.

[15] 劉巽爾.GB/T 8069—1998《功能量規》簡介[J].航空標準化與質量,2000(4):12-18.

[16] 王麗.現代位置度檢具設計制造新論[J].軍民兩用技術與產品,2016,5(2):216.

[17] 吳瑋.零件位置度的測量能力分析[J].計量與測試技術,2017,44(2):32-34.

[18] 張爽,高金剛,王華.孔組作為基準的三坐標測量機測量方法[J].制造業自動化,2014(14):150-152.

[19] 唐海燕,于麗娟.基于三坐標測量機的齒輪輪齒相對鍵槽位置度檢測方法[J].機械傳動,2014(5):163-165.

[20] 董戰坤,邱惠群.三坐標檢測螺紋定位孔位置度方法[J].金屬加工(冷加工)冷加工,2016(s1):100-102.

[21] 全亮斌.轉盤孔徑和分度圓位置度的自動測量[J].機械工程師,2016(3):120-121.

[22] 梁愛琴,全林斯,李冠峰.孔位置度綜合量規的設計方法研究[J].河南農業大學學報,1995(2):161-166.

[23] 何寧珍.功能量規設計實例[J].裝備制造技術,2016(5):206-8.

[24] 郝嘯宇,湯志鈞.位置度檢測工裝的設計與應用[J].機車車輛工藝,2017(4):25-26.

[25] 馮乾新,梁瑞麗.孔組位置度量規的設計[J].工具技術,2015,49(1):87-90.

[26] 董添.孔組位置度算法研究[J].工程技術:文摘版,2016(4):292.

[27] GB/T 8069—1998，功能量規[S].

[28] 張直.位置度測量裝置[P].中國專利:2114804,1992-12-30.

[29] 楊俊.一種汽車零件位置度檢測裝置[P].中國專利:205245924,2016-05-18.

[30] 彭芝英.一種汽車零件開口孔位置度檢測裝置[P].中國專利:105444671,2016-03-30.

[31] 孟國興,董建軍,黃振宇,等.用于機床的內防護上導軌位置度測量裝置[P].中國專利:20560728,2016-09-28.

[32] 劉旭,高士同,成崗,等.軸套零件槽寬度和位置度檢測裝置[P].中國專利:205843520,2016-12-28.

[33] 梁紅日,林國勇.一種用于檢測齒輪室的軸承孔位置度的檢具[P].中國專利:105486190,2016-04-13.

[34] 李兵,蘭夢輝,孫彬,等.一種位置度快速檢測裝置及測量方法[P].中國專利:105806282,2016-07-27.

[35] 何改云,郭龍真,丁伯慧,等.一種通過優化夾具布局控制孔組復合位置度誤差的方法[P].中國專利:104537172,2015-04-22.

[36] 王玉杰,殷保華.孔位置度綜合量規的設計方法與應用[J].機械工程師,2013(9):46-48.

[37] GB/T 1804—2000，一般公差 未注公差的線性和角度尺寸的公差[S].