一種異面孔軸線垂直度誤差測量裝置的設計

吳呼玲

(陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院，陜西 西安 710300)

0 引 言

垂直度誤差的測量在機械產品檢測中屬于常見的測量項目.主要的測量方法有：量規檢驗法、光隙比較法、打表法、水平儀測量法[1]等.如果零件精度要求高，根據零件的結構可選用影像測量儀、三坐標測量機等儀器進行測量.由于垂直度誤差屬于定向誤差，同時存在被測要素和基準要素分別為線和面的多種情況，測量情況較為復雜，但是多數情況下被測要素和基準要素是共面的、具有交線或者交點的，誤差測量采用常用測量方法較易實現.然而陜西省戶縣東方機械有限公司生產的ALS850型鋁帶分條機，其翻轉軸座零件的垂直度誤差測量比較特殊，其被測要素和基準要素都為大孔徑的軸線，而且兩軸線屬于異面垂直關系.因此，在分析了零件的精度、結構和實際測量條件之后，為翻轉軸座的異面孔軸線的垂直度測量設計了一款專用測量裝置，解決了該企業翻轉軸座零件垂直度誤差測量的問題，實際應用效果良好.為測量裝置的設計與優化提供了參考，為企業零件幾何誤差測量提供了檢測方案，具有實際應用價值和擴展前景.

1 垂直度誤差測量任務

翻轉軸座零件如圖1 所示，它的主要作用是為換刀、裝刀和排刀留出間隙，對刀軸起到一個輔助的支撐，用來提高刀軸運行過程中的強度和鋼度.

圖1 翻轉軸座Fig.1 Turn-over axle seat

2 垂直度誤差測量設計

2.1 垂直度誤差精度分析

2.2 測量附件設計

2.2.1 芯軸A

圖2 芯軸A零件圖Fig.2 Part drawing of the spindle A

2.2.2 芯軸B

圖3 芯軸B零件圖Fig.3 Part drawing of the spindle B

1)軸肩部分的設計.軸肩的長度尺寸為12 mm，直徑尺寸為?145 mm，軸肩端面K的表面精度設計為Ra1.6.安裝時，確保軸肩端面K和翻轉軸座的后表面(M面，見圖1 所示)可靠緊密無縫貼合、測量過程中芯軸不會產生軸向滑動，從而起到軸向定位的作用.尺寸和表面精度的設計，是在考慮定位強度、配合精度和測量精度的條件下確定的.

3)基準體部分的設計.基準體的設計是芯軸B設計的重要環節，其軸線與配合體的同軸度取決于基準軸線模擬的精度，直徑尺寸則取決于直線軸承的型號.從測量精度分析，基準體軸線對配合體軸線的同軸度確定為6級，公差值為0.01；形狀公差圓度確定為7級，即0.007，同時表面精度確定為Ra0.8;直徑尺寸為40 mm，根據直線軸承的內徑確定[5].

2.2.3 直線軸承

2.2.4 直線軸承的軸向定位

在基準體上安裝限位套，以限制直線軸承在測量過程中的軸向滑動，從而影響測量精度.限位套起到直線軸承軸向定位的作用，見圖4 所示.

圖4 限位套Fig.4 Limit device

2.3 測量方案制定

2.3.1 被測要素的模擬

用芯軸A的素線來模擬被測孔的軸線.基準要素(用芯軸B的素線模擬)與被測要素(用芯軸A的素線模擬)異面垂直，且處于被測要素的前方.測量時，指示表的磁性表座吸附在直線軸承的外圓上，以直線軸承外圓素線作為測量垂直度的測量基準，見圖5 所示.因而指示表的測頭接觸的是芯軸A最前方的素線，也就是說，用芯軸A最前方的素線模擬被測孔的軸線(被測要素).

指示表表座可繞基準體軸線進行旋轉，其指示表測頭與芯軸A素線接觸的情況只有兩個點，如圖5(a)和(b)所示，該兩點間的距離取決于萬能表架的調整形態[6].指示表在該兩點的讀數之差除以兩點間的距離，再乘以被測孔軸線的長度，即為所測量的垂直度誤差.

圖5 異面孔軸線垂直度誤差測量示意圖Fig.5 The picture of measurement of axis verticality error of different faces

2.3.2 基準要素的體現

芯軸B的基準體部分安裝直線軸承，指示表的磁性表座與直線軸承外圓柱面吸附在一起，轉動直線軸承從而帶動指示表測頭的轉動實現測量，直線軸承的外圓素線體現測量基準.芯軸B在設計和加工時，已經考慮了測量精度的問題，可以使直線軸承在基準體外圓上轉動，從而帶動磁性表座轉動，實現指示表測頭以基準軸線為基準，做旋轉運動.調整指示表，使其在轉動過程中在芯軸A最前方素線上有一定的壓縮量，從而讀出指示表在芯軸A上的兩點的度數，如圖5(a)和(b)所示，根據誤差折算，得出異面孔軸線垂直度誤差，從而完成垂直度誤差項目的測量[7].

2.3.3 垂直度誤差測量方法

采用測量附件，測量兩個大孔徑異面軸線垂直度誤差的操作步驟為：

1)測量準備.測量前，將被測零件(翻轉軸座)的N面(見圖1 所示)放置于1 000×1 200的1級測量平臺上，確保翻轉軸座的N面與平臺可靠接觸，無異物處于兩個接觸面之間.為了便于測量和操作，將翻轉軸座翻轉180°，使被測孔徑置于上方基準孔徑處于下方，見圖5 所示.

2)芯軸A與被測孔徑裝配.為了保證測量精度，芯軸A與被測孔基本上是無間隙配合，裝配難度增大.裝配前要注意將被測孔內壁和芯軸A的外表面擦拭干凈，從而保證裝配精度，同時保護芯軸A的表面不被劃傷.裝配中，注意芯軸A與被測孔徑對中，不要產生傾斜，否則難以裝入，芯軸A的端面做了倒角處理，在裝配的時候起導向作用，使裝配更加容易.由于芯軸直徑和長度較大，重量較重，安裝時需要兩人進行合作，保證安裝精度.

3)芯軸B與基準孔徑裝配.將基準體一端從被測零件的M面方向裝入，安裝過程需要緩慢、對正進行，在芯軸B的配合體與基準孔裝配時，要確保對正裝入或者微量旋轉芯軸，以確保裝配順利進行.當芯軸B的軸肩端面K與被測零件的M面可靠貼合時，裝配完成[8].

4)直線軸承與基準體裝配.直線軸承可在基準體上旋轉或做直線運動，為測量異面孔軸線垂直度誤差做準備.

5)將限位套裝在基準體上，壓緊直線軸承，并擰緊鎖緊螺釘，防止直線軸承在做旋轉運動過程中產生軸向滑動，從而影響測量精度.

6)依靠磁性表座，連同萬能表架和指示表吸附在直線軸承外圓面上.調整萬能表架，轉動直線軸承帶動指示表做旋轉運動，使測頭與被測芯軸A最前端的素線接觸，同時讀出被測芯軸與指示表側頭接觸的兩點讀數值并記錄，見圖5 所示.

3 設計特點及創新點

1)測量裝置為純機械設計、加工成本低，測量過程簡單可靠，精度設計合理，可保證測量結果準確可靠.

2)標準件的選用.為了滿足被測要素的多點測量，而基準要素保持不變，選用直線軸承滿足測量需求.將帶有磁性表座的萬能表架吸附在直線軸承的外圓柱表面上，通過直線軸承在基準芯軸基準體上轉動，實現指示表測頭的轉動，從而實現被測要素的多點測量，解決垂直度誤差的測量難點.

3)基準芯軸的設計.基準芯軸的結構采用變徑設計，在保證測量精度的前提下，對其進行尺寸精度、幾何精度及表面精度的設計，從而保證測量結果的準確性和可靠性.基準芯軸的軸肩、配合體和基準體分別是考慮了測量過程中的軸線定位、基準軸線的模擬以及通過直線軸承實現被測要素多點測量的要求而設計的.

4)測量裝置的設計考慮了附件自身的變形及受力，經過不確定度分析可確保垂直度25 μm的公差要求[10]，通過企業實際測量應用驗證了該裝置精度設計可行，測量方案制定合理，測量方法操作簡單易行.

4 結 論

在進行校企合作、課程建設、質檢專業資源庫建設項目中，對陜西省戶縣東方機械有限公司生產的鋁帶分條機上翻轉軸座進行終檢時，發現兩個異面大孔徑軸線的垂直度誤差檢測難以測量和實施.在詳細分析零件結構、公差要求、測量難點之后，為此異面大孔徑軸線垂直度誤差測量任務設計了一套測量裝置，并詳細對其附件進行了結構和精度設計、編制了測量方案.解決了異面孔徑軸線垂直度誤差測量的問題，為該企業的產品測量解決了難題，經過多次實際測量驗證，可保證測量精度，應用效果良好.同時為特殊誤差測量提供了量具優化和量具設計思路，為模擬孔軸線提供了芯軸精度設計和實踐應用方法.