一種測量內(nèi)球面對端面對稱度的測量方法研究

于 洋 戴彥辰 盧存祥

（西安動(dòng)力控制科技有限公司，西安 710077）

在機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)過程中，球面連接的應(yīng)用十分廣泛[1]。內(nèi)球面結(jié)構(gòu)在部件的連接形式中相對穩(wěn)定，且可以保證靈活旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)球面加工中，球面對稱度的加工精度直接影響機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的可行性、安全性和可靠性。內(nèi)球面對與其連接的端面對稱度要求，是保證部件連接的一個(gè)重要位置公差要求。由于球面結(jié)構(gòu)的特殊性，通常采用計(jì)量的方法來確定球面的中心，以測量其對端面的對稱度。由于對內(nèi)球面硬度的要求，同時(shí)為了提高內(nèi)球面的尺寸精度及表面，很多內(nèi)球面需要進(jìn)行研磨工序。研磨屬于手工作業(yè)，每個(gè)工件的加工狀態(tài)不一致，無法采用計(jì)量的方式測量對稱度。因此，本文研究一種了測量內(nèi)球面對與其連接的端面對稱度的通用測量方法。

1 對稱度概述

1.1 對稱度的概念

對稱度屬于定位公差，是一個(gè)3D公差，用于確保工件上兩要素相對于基準(zhǔn)平面是一致的[2]。對稱度公差涉及的要素是中心平面（或公共中心平面）和軸線（或公共軸線、中心直線）。對稱度是指被測中心要素應(yīng)與基準(zhǔn)中心要素重合，或者應(yīng)滿足基準(zhǔn)中心要素的精度要求。

對稱度公差是指實(shí)際被測中心要素的位置對基準(zhǔn)的允許變動(dòng)量，主要包括被測中心平面相對于基準(zhǔn)中心平面（面對面）、被測中心平面相對于基準(zhǔn)軸線（面對線）、被測軸線相對于基準(zhǔn)中心平面（線對面）和被測軸線相對于基準(zhǔn)軸線（線對線）4種形式。

1.2 對稱度的公差帶

對稱度的公差帶是距離為公差值t且相對基準(zhǔn)中心平面（或中心線、軸線）對稱配置的兩平行平面（或直線）之間的區(qū)域，如圖1所示。

圖1 對稱度公差帶

1.3 對稱度的測量

根據(jù)對稱度的概念，對稱度是很難測量的。因?yàn)樗墓顜П幌拗圃谝粋€(gè)虛擬平面中，所以通常情況下需要設(shè)計(jì)專用測具或者利用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量。

利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量對稱度[3]的基本步驟：（1）建立基準(zhǔn)中心平面；（2）測量兩個(gè)被測要素的表面；（3）評估所有點(diǎn)對的中心是否落在公差帶范圍內(nèi)。

利用專用測具測量對稱度[4]的基本步驟：（1）將基準(zhǔn)面限定在測具的定位面上；（2）用百分表或千分表測量被測要素的表面；（3）表的偏移量差值即為對稱度數(shù)值。

2 某零件對稱度測量方法研究

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

某掛環(huán)類零件如圖2所示，要求其內(nèi)球面相對基準(zhǔn)B的對稱度不大于0.1 mm，同時(shí)要求內(nèi)球面的表面粗糙度為Ra0.8 μm。該內(nèi)球面的加工流程為“車球面—熱處理—研球面”。零件經(jīng)過熱處理后，需要對球面再次加工，才可以保證球面的尺寸及粗糙度。因此，需要利用研磨方式對內(nèi)球面進(jìn)行精加工，以保證尺寸SФ10+00.016μm和粗糙度Ra0.8 μm。由于研磨為手工操作，每個(gè)工件的內(nèi)球面加工狀態(tài)不一致，利用三坐標(biāo)測量機(jī)計(jì)量對稱度不允許存在任何問題，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，因此需要設(shè)計(jì)一種專用測具來測量對稱度。

圖2 掛環(huán)零件設(shè)計(jì)要求

2.2 測具設(shè)計(jì)

2.2.1 基準(zhǔn)座的設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)座外形尺寸如圖3所示。其中，基準(zhǔn)孔尺寸為Ф11+00.013μm，給定公差較小，保證與量桿配合時(shí)的間隙，提高測量精確度。設(shè)計(jì)一個(gè)M12×1-6H內(nèi)螺紋，保證與表夾螺母的配合。設(shè)計(jì)一寬度為2的Ф14 mm環(huán)槽，便于彈簧的安裝。設(shè)計(jì)一個(gè)M4的內(nèi)螺紋銷孔，限定量桿的位置與行程，同時(shí)要求A表面與B表面的平行度不大于0.02 mm，以及Ф11 mm孔與A表面的垂直度不大于0.02 mm，保證量桿在測量時(shí)可以在相對豎直的方向進(jìn)行測量。由于B表面為與工件基準(zhǔn)面配合的表面，所以要求B表面的平面度不大于0.01 mm，確?；鶞?zhǔn)面水平。此外，要求表面粗糙度Ra0.8 μm，保證B表面與基準(zhǔn)面貼合完好。

圖3 基準(zhǔn)座

整個(gè)基準(zhǔn)座采用T10A材料并進(jìn)行熱處理，硬度58～62 HRC，保證其剛性及硬度良好，以延長其使用壽命，降低磨損量[5]。

2.2.2 測量球的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)測量球，如圖4所示。該測量球球面尺寸設(shè)計(jì)為SФ100-0.005mm，較工件球面尺寸SФ10+0.0160mm小，兩者之間配合間隙最大為0.021 mm，可以保證將測量球順利放置于工件球面內(nèi)。

圖4 測量球

通過理論分析，測量球直徑小于工件球面直徑，兩者在配合時(shí)始終保證球面同一位置的高點(diǎn)接觸。在零件翻轉(zhuǎn)測量時(shí)，同樣是球面同一位置的高點(diǎn)接觸，且利用測量球的同一端面作為測量面。這樣設(shè)計(jì)的原因是保證測量球的尺寸公差不占有對稱度的公差，如圖5和圖6所示。

圖5 測量球與工件接觸點(diǎn)

圖6 測量球與工件接觸點(diǎn)放大圖

設(shè)計(jì)測量球的厚度為5.6 mm，工件球面厚度為5 mm。將測量球置于工件內(nèi)時(shí)，單邊會(huì)凸出0.3 mm的端面，使得量桿可以測量到測量球的端面。

2.2.3 量桿的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)量桿，如圖7所示。

圖7 量桿

設(shè)計(jì)該量桿的直徑為Ф11-0.006-0.017mm，便于與基準(zhǔn)座的引導(dǎo)孔配合。設(shè)計(jì)一個(gè)Ф6 mm×4 mm的凸臺(tái)，使之與彈簧連接。設(shè)計(jì)一個(gè)Ф5 mm×5 mm的凸臺(tái)，使其在測量時(shí)深入內(nèi)球面與孔配合，用作引導(dǎo)，使測量更加穩(wěn)定。尺寸5上端面粗糙度要求Ra0.2 μm，保證與測量面接觸光順，提高測量準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)一個(gè)深度為1 mm、長度為8 mm的U型槽，使其與基準(zhǔn)座連接時(shí)限制其位置與行程。

2.3 測量方法

對基準(zhǔn)座、測量球、量桿、百分表、工件、進(jìn)行裝配測量，如圖8所示。測量時(shí)，將測量球通過零件端面開口槽置于工件內(nèi)球面內(nèi)，再將工件置于基準(zhǔn)座的基準(zhǔn)平面上，向下壓表，讀取數(shù)值A(chǔ)。翻轉(zhuǎn)工件，同時(shí)翻轉(zhuǎn)測量球，目的是保證測量球與工件的接觸點(diǎn)與第一個(gè)基準(zhǔn)面測量時(shí)保持一致，同時(shí)確保測量端面是同一端面，隨后向下壓表，讀取數(shù)值B。于是，工件內(nèi)球面對端面的對稱度即為A-B。

圖8 測具裝配圖

4 結(jié)語

通過分析對稱度的公差帶、分類以及測量方式，設(shè)計(jì)了一種測具及并提出了一種測量方法，解決了內(nèi)球面對端面對稱度的測量問題，擺脫了此種對稱度的測量需要100%進(jìn)行計(jì)量的束縛，提高了檢測精確度及檢測效率，并為類似的球面對端面的對稱度的測量提供了一種新思路與新方法。