大型艙體螺紋孔位置精度測(cè)量方法分析

倪愛晶 郭 慶 趙 婕 于望竹 蔡子慧 楊 純

(北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

1 引 言

螺紋連接是機(jī)械結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的一種連接方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、連接可靠、裝卸方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1]。螺紋孔在螺紋連接中同時(shí)起到定位和連接作用，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度和功能具有重要意義。普通螺紋孔[2,3]是在底孔的基礎(chǔ)上通過攻絲形成的孔。螺紋孔位置精度測(cè)量一直是個(gè)難題，目前螺紋孔位置精度的測(cè)量方法有兩種，即直接測(cè)量和間接測(cè)量。螺紋孔位置精度直接測(cè)量方法是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)針直接測(cè)量螺紋牙型獲得孔中心。螺紋孔間接測(cè)量方法又包含兩種，一種是測(cè)量螺紋孔底孔(光孔)的位置度，用螺紋孔底孔的位置度表示螺紋孔位置度[4]，另一種是使用測(cè)量工裝，通過測(cè)量與螺紋孔配合的測(cè)量工裝，并以工裝軸線位置表示螺紋孔位置。

大型艙體是空間站核心結(jié)構(gòu)，承擔(dān)長(zhǎng)期載人和組合體管理任務(wù)。大型艙體是由柱段和錐段壁板焊接而成[5]，艙體壁板分布有用于安裝精密儀器及重要機(jī)構(gòu)的艙外支架及接口，螺紋孔精度直接影響精密設(shè)備或重要機(jī)構(gòu)的安裝精度，螺紋孔位置精度要求通常較為嚴(yán)格，一般在0.1mm以內(nèi)。因此，螺紋孔位置精度測(cè)量是艙體結(jié)構(gòu)精度測(cè)量中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

大型艙體尺寸大，直徑和高度都超過2m，螺紋孔位置度測(cè)量已經(jīng)無法使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，需要依靠激光跟蹤儀這類便攜式測(cè)量設(shè)備進(jìn)行在線測(cè)量，而激光跟蹤儀無法直接測(cè)量螺紋孔軸線，只能使用測(cè)量工裝配合進(jìn)行螺紋孔的間接測(cè)量。使用激光跟蹤儀和螺紋工裝間接測(cè)量螺紋孔時(shí)，螺紋孔位置測(cè)量精度、螺紋孔與光孔狀態(tài)的孔位偏差大小都是關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目利用試驗(yàn)件進(jìn)行了螺紋孔測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)螺紋孔實(shí)際的位置精度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了具體分析，獲得了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的光孔與螺紋孔狀態(tài)孔位偏差、激光跟蹤儀測(cè)量的螺紋孔和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的螺紋孔孔位偏差數(shù)據(jù)，得到了基于測(cè)量工裝和激光跟蹤儀方法測(cè)量螺紋孔的相關(guān)數(shù)據(jù)，為螺紋孔的位置精度測(cè)量和使用提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 螺紋孔測(cè)量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件

試驗(yàn)件為方形鋁板，如圖1所示。試驗(yàn)件上分布有12行、20列孔，行間距和列間距均為30mm。由于大型艙體接口上的螺紋孔普遍為ST5～ST8尺寸規(guī)格，因此試驗(yàn)以ST5～ST8四種規(guī)格螺紋孔為分析對(duì)象。圖1中ST4-1、ST5-1、ST6-1、ST8-1分別表示ST4孔、ST5孔、ST6孔、ST8孔的第一行。

按照被測(cè)孔狀態(tài)，整個(gè)試驗(yàn)分為三個(gè)階段，前兩個(gè)階段的測(cè)量?jī)?nèi)容包括試驗(yàn)件基準(zhǔn)平面及所有規(guī)格孔。其中，第一個(gè)階段為試驗(yàn)件機(jī)加底孔后，此時(shí)，試驗(yàn)件上所有孔均為光孔。第二階段為試驗(yàn)件攻絲后，此時(shí)，試驗(yàn)件上每個(gè)孔徑系列的前兩行即ST4-1、ST4-2、ST5-1、ST5-2、ST6-1、ST6-2、ST8-1、ST8-2為螺紋孔，其它為光孔。最后一個(gè)階段測(cè)量?jī)?nèi)容為螺紋配合間隙。

圖1 試驗(yàn)件Fig.1 Specimen

2.2 測(cè)量設(shè)備和測(cè)量工裝

試驗(yàn)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光跟蹤儀兩種測(cè)量設(shè)備，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的穩(wěn)定性和精度較好，因此以三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)螺紋孔與光孔的孔位偏差，并將三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)作為激光跟蹤儀測(cè)量數(shù)據(jù)分析的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，獲得激光跟蹤儀螺紋孔測(cè)量數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的偏差。測(cè)量設(shè)備參數(shù)如表1所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，針對(duì)試驗(yàn)件的測(cè)量，兩種設(shè)備的測(cè)量精度都在微米級(jí)，不會(huì)影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析。

表1 測(cè)量設(shè)備參數(shù)

由于需要使用測(cè)量工裝間接測(cè)量螺紋孔，所以根據(jù)試驗(yàn)件螺紋孔規(guī)格設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)量工裝，圖2所示某種規(guī)格的螺紋孔測(cè)量工裝。測(cè)量工裝由螺紋部分和測(cè)量部分組成。其中，螺紋部分與螺紋孔配合，螺紋公差為6h。測(cè)量部分為包含內(nèi)錐孔的柱體，內(nèi)錐孔為激光跟蹤儀測(cè)量靶球放置位置，外圓柱為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采樣區(qū)域。為了保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光跟蹤儀的測(cè)量條件等同，加工過程中嚴(yán)格保證Ф18圓柱和90°錐角的圓錐之間的同軸度。

圖2 螺紋孔測(cè)量工裝Fig.2 Measuring screw of threaded hole

2.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)第一階段即試驗(yàn)件機(jī)加底孔后，使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量基準(zhǔn)面和所有底孔，獲得底孔在工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。此后進(jìn)入試驗(yàn)的第二階段，試驗(yàn)件部分底孔攻絲后，使用激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量基準(zhǔn)面和測(cè)量工裝的測(cè)量部分，獲得工件坐標(biāo)系下螺紋孔的坐標(biāo)。為了減小螺紋孔軸線與端面不垂直帶來的影響，以螺紋孔測(cè)量工裝軸線與端面的交點(diǎn)表示螺紋孔的位置，即圖3中的螺紋孔中心。在此基礎(chǔ)上，比較攻絲前后的三坐標(biāo)測(cè)量的孔位數(shù)據(jù)，計(jì)算光孔攻絲前后的偏差，并計(jì)算圖3中的螺紋孔中心點(diǎn)與底孔中心點(diǎn)位置偏差。比較激光跟蹤儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)螺紋孔測(cè)量數(shù)據(jù)，以證明大型艙體螺紋孔精度測(cè)量方法的可靠性。

圖3 螺紋孔軸線與端面不垂直時(shí)的位置表達(dá)Fig.3 Nonperpendicularity of threaded hole relative to end face

由于螺紋配合存在間隙，單純地根據(jù)螺紋孔偏差數(shù)據(jù)來判斷其是否具備使用狀態(tài)是不科學(xué)的。所以在螺紋孔和光孔的孔位偏差數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還需要分析螺紋配合間隙情況，從而來判斷螺紋孔是否具備使用條件。為了驗(yàn)證螺紋配合間隙的存在，并獲得不同規(guī)格螺紋孔的間隙量，設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖4所示。將特定公差等級(jí)塞規(guī)和螺釘旋入試驗(yàn)件螺紋孔中，百分表測(cè)頭接觸塞規(guī)外面，測(cè)點(diǎn)距零件表面4mm。通過施加外力的方式，使得塞規(guī)或螺釘位置發(fā)生變化，通過百分表讀數(shù)的變化判斷螺紋間隙。

圖4 螺紋間隙測(cè)量Fig.4 Measurement of thread clearance

3 結(jié)果與分析

3.1 攻絲前后光孔數(shù)據(jù)分析

為了說明試驗(yàn)件整體狀態(tài)的變化情況，試驗(yàn)件的每種規(guī)格孔的第三行始終保持底孔(光孔)狀態(tài)，螺紋孔攻絲前后，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)均測(cè)量了這些光孔。利用攻絲前后的三坐標(biāo)測(cè)量的光孔數(shù)據(jù)偏差值繪制折線圖，如圖5所示。圖5中橫坐標(biāo)為孔編號(hào)，縱坐標(biāo)為偏差值，最大偏差約為0.02mm，以ST6孔發(fā)生的頻率最高，20個(gè)孔中有5個(gè)孔偏差達(dá)到0.02mm。另外，ST8孔中也有1個(gè)孔的偏差值達(dá)到0.02mm。從圖5可以看出，針對(duì)數(shù)據(jù)分析的四種規(guī)格共80個(gè)孔，偏差在0.01mm內(nèi)的孔的數(shù)量超過90%。可以看出，攻絲前后試驗(yàn)件狀態(tài)基本一致，沒有發(fā)生明顯變形。因此，試驗(yàn)件狀態(tài)對(duì)螺紋孔攻絲前后的測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5 攻絲前后光孔數(shù)據(jù)偏差Fig.5 Deviation of unthreaded hole

3.2 螺紋孔測(cè)量數(shù)據(jù)分析

以攻絲前三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的螺紋孔底孔測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將攻絲后的三坐測(cè)量機(jī)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，獲得偏差數(shù)據(jù)，利用偏差數(shù)據(jù)繪制如圖6所示的折線圖。從圖6可以看出，攻絲前后螺紋孔最大偏差接近0.2mm，最小偏差0.03mm，偏差大小和方向都呈隨機(jī)性。四種規(guī)格的160個(gè)孔中，偏差0.1mm內(nèi)的孔的數(shù)量約占75%，偏差在(0.1～0.2)mm之間的孔約占25%。在測(cè)量工裝的精度有保證的情況下，此偏差反映了攻絲前后螺紋孔位置精度測(cè)量結(jié)果的差異。

為了驗(yàn)證大型艙體螺紋孔精度測(cè)量方法的可靠性，以三坐測(cè)量機(jī)測(cè)量的螺紋孔數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將激光跟蹤儀測(cè)量的螺紋孔數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖7所示，最大偏差0.07mm只出現(xiàn)了一次，偏差在0.03mm以內(nèi)的數(shù)據(jù)比例大于90%，說明在使用測(cè)量工裝的情況下，激光跟蹤儀測(cè)量螺紋孔數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量螺紋孔數(shù)據(jù)一致性較好，基于激光跟蹤儀和測(cè)量工裝的大型艙體螺紋孔精度測(cè)量方法可靠性較高。

圖6 三坐標(biāo)測(cè)量的螺紋孔數(shù)據(jù)與光孔數(shù)據(jù)偏差δ(mm)Fig.6 Deviation between unthreaded hole and threaded hole

圖7 激光跟蹤儀螺紋孔測(cè)量數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)偏差δ(mm)Fig.7 Threaded hole position deviation between laser tracker measurement and CMM measurement

3.3 孔位偏差與螺紋孔垂直度數(shù)據(jù)分析

在螺紋孔位置精度測(cè)量過程中，對(duì)螺紋孔軸線與端面的垂直度也進(jìn)行了評(píng)價(jià)。為了分析螺紋孔位置度與垂直度數(shù)據(jù)的相關(guān)性，將四種規(guī)格的160個(gè)螺紋孔與光孔的位置偏差與垂直度按照垂直度數(shù)值的排序繪制折線圖，如圖8所示。從圖8可以看出，當(dāng)螺紋孔垂直度較好時(shí)，其位置度較攻絲前的底孔數(shù)據(jù)仍然有偏差，偏差規(guī)律呈現(xiàn)隨機(jī)性，最大值接近0.2mm。隨著螺紋孔垂直度數(shù)值明顯增大，其位置偏差也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，體現(xiàn)在孔位偏差數(shù)據(jù)的均值和極值都有增大趨勢(shì)。可以看出，螺紋孔軸線與端面垂直度誤差是引起螺紋孔相對(duì)光孔位置發(fā)生偏差的一個(gè)因素，但并不是唯一因素。

圖8 螺紋孔的位置偏差δ和垂直度相關(guān)性Fig.8 Relation between position precision and axes perpendicularity of threaded hole

3.4 螺紋配合間隙測(cè)量

通過3.2條基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的螺紋孔與光孔偏差數(shù)據(jù)分析，得到攻絲前后螺紋孔數(shù)據(jù)偏差0.2mm，已經(jīng)超過螺紋孔位置公差值，由于存在螺紋間隙，所以此偏差數(shù)值并不能夠充分說明螺紋孔是否具備使用條件。為了判斷螺紋孔是否具備使用條件，進(jìn)行了螺紋孔間隙測(cè)量試驗(yàn)。將5H塞規(guī)和6h級(jí)螺釘擰入試驗(yàn)件上相應(yīng)規(guī)格螺紋孔中，施加外力的情況下，讀取測(cè)頭與塞規(guī)和鈦釘接觸的百分表讀數(shù)，如圖4所示。則螺紋間隙ζ可通過式(1)計(jì)算獲得

ζ=△×l/h

(1)

式中：△——百分表讀數(shù)變化；l——螺紋長(zhǎng)度；h——測(cè)點(diǎn)距螺紋末端距離。

測(cè)量結(jié)果見表2，表中理論最大間隙是由塞規(guī)、螺釘及螺紋孔公差[6]計(jì)算得到。從表2結(jié)果可以看出，螺紋配合存在間隙，且普遍在0.15mm以上。由于螺紋間隙的存在，因此螺紋擰入后的位置存在不確定性和容差性，當(dāng)螺紋孔配合間隙值接近或大于其位置偏差，即使螺紋孔位置精度超差，但是其仍然具備使用條件，且螺紋孔的連接和固定功能不受影響。

表2 螺紋間隙測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語

螺紋孔在機(jī)械結(jié)構(gòu)中起到關(guān)鍵的定位和連接作用。對(duì)于大型艙體的螺紋孔，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)已經(jīng)不再適用，需要依靠激光跟蹤儀這類便攜式測(cè)量設(shè)備，而激光跟蹤儀無法直接測(cè)量螺紋孔軸線，因此使用測(cè)量工裝配合實(shí)現(xiàn)螺紋孔的間接測(cè)量。使用激光跟蹤儀和螺紋工裝間接測(cè)量螺紋孔時(shí)，螺紋孔位置測(cè)量精度、螺紋孔與光孔狀態(tài)的孔位偏差大小等都是關(guān)鍵問題。利用試驗(yàn)件和測(cè)量工裝進(jìn)行螺紋孔測(cè)量試驗(yàn)，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)基于測(cè)量工裝和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量方法獲得的螺紋孔與光孔狀態(tài)孔位最大偏差接近0.2mm，偏差大小和方向都呈現(xiàn)隨機(jī)性。

(2)激光跟蹤儀測(cè)量的螺紋孔數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的螺紋孔數(shù)據(jù)一致性較好，偏差在0.05mm以內(nèi)的孔的數(shù)量超過99%，偏差在0.03mm以內(nèi)的孔的數(shù)量超過90%。

(3)隨著螺紋孔垂直度數(shù)值明顯增大，其位置偏差也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，體現(xiàn)在孔位偏差數(shù)據(jù)的均值和極值都有增大趨勢(shì)，說明螺紋孔軸線與端面垂直度誤差是引起螺紋孔相對(duì)光孔位置發(fā)生偏差的一個(gè)因素。

(4)螺紋配合存在一定的間隙，間隙量與螺紋公差有關(guān)，實(shí)際的螺紋配合間隙量普遍在0.15mm以上。

螺紋配合間隙測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于測(cè)量工裝的螺紋孔位置測(cè)量數(shù)據(jù)與光孔測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的偏差，但由于螺紋配合間隙的存在使得螺紋配合具有不確定性和容差性，因此不能單純地利用螺紋孔的位置測(cè)量數(shù)據(jù)來判斷其是否具備使用條件。為了更加科學(xué)合理地評(píng)判螺紋孔位置精度，提出以下兩點(diǎn)建議：

(1)以光孔狀態(tài)作為精度測(cè)量的狀態(tài)，使用光孔狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)作為最終孔位精度評(píng)判的依據(jù)。

(2)如果孔位精度測(cè)量狀態(tài)為螺紋孔，基于螺紋配合間隙的存在及作用，應(yīng)適當(dāng)放大孔位精度公差。