薄壁陀螺框架零件位置精度的測量

■北方光電股份有限公司 （陜西西安 710043） 劉建斌 張 勇 劉 曉 程會民 賈建林

某精確制導產品陀螺框架零件外形結構如圖1 所示，截面尺寸約1 2 0 m m×1 2 0 m m，兩端通過φ 72m m×φ 57m m、φ 53m m×φ 17m m的圓環面聯接，框架高度25mm，各處最大壁厚不足5mm。零件軸承安裝部位尺寸標準公差等級I T6，要求φ17mm孔相對φ57mm基準孔的同軸度≤0.01mm，φ9mm外圓、φ6mm孔相對φ10mm基準孔的同軸度≤0.01mm，圓環端面相對基準軸線的垂直度≤0.012mm。零件整體結構剛性差，受定位基準的面型精度、壓緊方式及測量方法等因素的影響，測量結果離散程度大，零件尺寸精度、位置精度不易保證，屬典型的工藝瓶頸問題。

圖1 薄壁陀螺框架結構示意

1. 工藝方案分析

根據產品設計狀態，零件毛坯采用φ165 mm、長80mm的2A12-T4鋁合金棒料，加工工藝劃分成粗加工、半精加工和精加工3個階段。粗加工時，先用普通金屬切削設備加工出線切割粗基準，使用線切割和電脈沖設備加工出零件整體輪廓后，再安排熱處理時效，均化零件內部應力；半精加工時，先精銑、鏟研定位基準面，保證定位基準面的平面度＜0.005mm，夾緊面與定位基準面的平行度＜0.01mm，再加工四周孔系及端面，進行二次熱處理時效，均化零件切削時產生的應力；精加工前，檢查定位基準面，使用力矩扳手控制壓緊力，防止零件變形，再精加工兩側孔系及端面。

從零件整體結構功能分析，零件兩側孔系及端面的位置精度直接影響其功能的實現，工藝設計時必須采用基準統一原則。受零件結構限制，只能選擇零件框架兩側長度110mm、寬度4.5mm的棱邊底面作為定位基準面，高度25mm的頂面上夾緊。在精密臥式加工中心進行陀螺框架零件四周孔系及端面最終加工，設備主軸精度和B軸回轉精度能滿足該零件的加工要求。但由于零件定位面分布在兩側且底面棱邊狹長，整體結構剛性差，要保證其平面度0.005mm、平行度0.01mm的工藝要求極難，其接觸精度、壓緊引起的變形對零件尺寸精度、位置精度影響很大。

2. 測量問題分析

測量時受量具或量儀精度、測量環境及測量人員等因素影響，基準形狀誤差對零件測量結果影響很大。如圖2所示，測量時先將基準孔d1調校到理論正確位置，再判斷被測孔d2兩端A、B相對基準孔的差異，然后通過計算確定位置精度。由于薄壁陀螺框架零件設計基準短，而被測圓柱相對基準跨距大，若6mm長的基準孔兩個測量截面校正誤差為0.002mm、被測孔跨距為120m m，則將引入基準誤差0.002×120/6＝0.040（mm）。在圖1所示零件實際加工過程中，若以φ 57mm孔為基準孔，測量φ 17mm孔相對基準孔的同軸度為0.01mm，受上述因素的影響，測量結果離散度大、重復性差，易產生零件誤判問題。

圖2 基準誤差對測量精度的影響分析

3. 測量方法分析

實際被測軸線為被測要素各正截面輪廓的中心點連線，其輪廓中心點為該輪廓由最小區域圓法、最小二乘圓法、最小外接圓法和最大內接圓法確定的理想圓中心。在三坐標測量機測量零件同軸度誤差時，先要按上述方法確定實際基準軸線和實際被測軸線，再以擬合基準軸線為軸線包容實際被測軸線，得到具有最小直徑的圓柱面內的區域，則該圓柱面內的區域即為同軸度誤差。也可以在滿足零件功能要求的前提下，采用下述近似方法體現：①以各橫向截面輪廓中心點建立實際公共基準軸線，再通過最小包容圓柱軸線或最小二乘中線確定基準軸線。②以基準要素兩端橫向截面輪廓中心點的連線作為基準軸線。由于基準軸線和被測軸線建立方法不同，測量誤差也就不同，測量結果的精確性差異很大，因此針對不同結構零件，有必要分析確定最佳測量方法。

4. 測量方法的確定

先在圖1所示薄壁陀螺框架零件上，分別用三坐標測量機從左到右以等間隔采集φ 57mm基準孔、φ17mm被測孔的3個正截面，然后用前述不同方法進行數據處理，獲得基準孔輪廓中心點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和被測孔輪廓中心點Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，擬合得到被測要素的同軸度誤差見表1。

由表1可知，基準孔和被測孔正截面輪廓中心采用最小二乘圓法獲得后，以Ⅰ～Ⅵ這6個點共同擬合的公共軸線作為測量基準，再用最小包容區域法評定同軸度誤差，測量的同軸度結果最小，滿足零件位置精度的要求，應是薄壁陀螺框架零件的最佳測量方法。

表1 同軸度誤差測量結果

5. 結語

對5 0 件薄壁陀螺框架零件的同軸度進行測量方法改進前后的對比測量，改進前測量的同軸度最大為0.016m m、最小為0.005m m，平均測量結果為0.008 5mm，其中還有12件不滿足零件位置精度要求；采用改進后的最佳測量方法，測得同軸度最大為0.009mm、最小為0.002mm，平均測量結果為0.004 3mm，其中測量結果＜0.005mm的達到33件，零件位置精度都滿足要求，且反復測量結果穩定，波動很小。說明改進后的測量方法能夠實現薄壁陀螺框架零件位置精度的準確測量。