汽車減速器殼體垂直度公差檢測與評價*

□ 田正芳 □ 陳勝遷 □ 張世國

1.張家界航空工業職業技術學院 湖南張家界 427000 2.張家界汽車配件股份有限公司 湖南張家界 427000

1 汽車后橋減速器殼體垂直度要求

汽車后橋減速器殼體是汽車傳動系統中支撐兩軸線垂直相交的錐齒輪殼體類零件,殼體中兩組圓柱孔安裝兩組軸承,以支撐兩組錐齒輪實現嚙合,進而將發動機的傳動扭矩輸出至兩個后輪。為保證兩組錐齒輪的安裝及嚙合精度,設計圖紙對兩組軸承孔的軸線提出了較高的垂直度要求。

汽車后橋減速器殼體圖低如圖1所示。其中:φ80 mm與φ100 mm圓柱孔為安裝錐齒輪的一組軸承孔,兩者的公共軸線為H-K;兩個φ90 mm半圓孔為另一組錐齒輪的軸承孔,兩者的公共軸線為A-B。設計要求公共軸線A-B對公共軸線H-K的垂直度公差為0.05 mm。

汽車后橋減速器殼體實物如圖2所示,減速器總成如圖3所示。

2 三坐標測量機概況

三坐標測量機是一種新型高效率精密測量儀器,具有測量精確可靠、通用性強等特點,可以進行零件和部件的尺寸、形狀、相互位置的測量,能夠實現在線檢測及自動化測量。圖紙設計要求為公共軸線A-B相對于公共軸線H-K的垂直度公差為0.05 mm。筆者選用雷頓Miracle系列NC564三坐標測量機,X、Y、Z方向行程依次為500 mm、600 mm、400 mm,示值精度為2.1+3.3L/1 000 μm,探測精度為2.2 μm,L為被測尺寸。采用TP20測座,碳纖維加長桿接十字測針。

▲圖1 汽車后橋減速器殼體圖紙

▲圖2 汽車后橋減速器殼體實物

▲圖3 汽車后橋減速器總成

3 裝夾

汽車后橋減速器殼體裝夾方案如圖4所示。汽車后橋減速器殼體放置于兩個等高墊鐵上,使公共軸線H-K大致垂直于工作臺平面,并防止十字測針測φ80 mm圓柱孔時碰撞工作臺。同時將φ90 mm半圓孔軸線大致平行于三坐標測量機的機械坐標軸X軸,防止十字測針與φ90 mm半圓孔半圓柱面產生干涉。為防止慣性使汽車后橋減速器殼體產生位移,用熱熔膠在汽車后橋減速器殼體與墊鐵、工作臺面之間進行固定。

▲圖4 汽車后橋減速器殼體裝夾方案

4 垂直度誤差測量

先采用手動方式粗建測量坐標系。測量基準C平面作為Z軸零點,分別測量左右φ90 mm半圓孔半圓柱面各一個界面圓,擬合為公共軸線,作為X軸。測量φ235 mm圓,其投影在基準C平面上的圓心為X軸、Y軸的原點。為避免手動測量產生誤差,通過軟件編程自動測量上述元素,修正坐標系以提高精度。

圖紙設計要求的是兩組孔公共軸線的垂直度,而軸線是虛擬元素,不能夠通過直接測量得到。對此,測量每個孔上至少兩個截面圓,將φ80 圓柱孔的兩個截面圓與φ100 mm圓柱孔的兩個截面圓擬合構造為公共軸線H-K,將左側φ90 mm半圓孔的兩個截面圓與右側φ90 mm半圓孔的兩個截面圓擬合構造為公共軸線A-B。公共軸線擬合構造如圖5所示。

▲圖5 公共軸線擬合構造

根據圖紙設計要求,被測要素為φ90 mm半圓孔的公共軸線A-B,基準要素為φ80 mm圓柱孔與φ100 mm圓柱孔的公共軸線H-K,因此在軟件界面中,將公共軸線A-B的實際元素拖入公差計算被測元素框,將公共軸線H-K的實際元素拖入參考元素框,公差帶中輸入0.05 mm,得到公共軸線A-B對公共軸線H-K的垂直度公差為0.055 mm,顯然測量結果表明該項公差已經超出圖紙的設計要求。根據實際加工情況,再以公共軸線A-B為基準,測量公共軸線H-K相對于公共軸線A-B的垂直度公差,結果為0.034 1 mm,在圖紙的設計要求范圍內。那么,究竟該如何判定呢？

為避免測量時操作者或機器測量系統自身誤差的影響,筆者在測量另一汽車后橋減速器殼體時特意進行對比,發現在同樣符合測量環境要求的前提下,兩個公共軸線的垂直度公差在交換基準后輸出的結果有明顯不同。

兩例測量結果顯示,以公共軸線H-K為基準評價公共軸線A-B的垂直度公差,結果大于以公共軸線A-B為基準評價公共軸線H-K的垂直度公差。

5 傳統方法檢測與裝配驗證

為解決汽車后橋減速器殼體合格判定問題,筆者與汽車后橋減速器殼體生產廠家張家界汽車配件有限公司的技術工程師采用傳統檢測方法進行檢測。采用傳統檢測方法,標準芯棒與測量孔貼合,模擬孔的軸線,將汽車后橋減速器殼體放置于檢測平臺上,用百分表測量被測軸線的垂直度。傳統檢測方法如圖6所示。將基準芯棒與軸套1、軸套2分別裝入φ80 mm與φ100 mm圓柱孔,校正基準芯棒軸線垂直或者水平,保證汽車后橋減速器殼體不沿軸線移動,繞基準芯棒旋轉汽車后橋減速器殼體180°,百分表觸頭接觸φ90 mm半圓孔的最低表面,兩處百分表指針的最大讀數差值即為垂直度公差。經檢測,第一件汽車后橋減速器殼體為合格,第二件汽車后橋減速器殼體由于φ80 mm與φ100 mm圓柱孔軸線存在較大的同軸度誤差,芯棒不能穿過兩個軸套而無法檢測。且經產品組裝驗證,第一件汽車后橋減速器殼體裝配后可以正常工作,說明三坐標檢測以公共軸線H-K為基準評價公共軸線A-B的垂直度公差可能發生誤判。

▲圖6 傳統檢測方法

6 原因分析

6.1 生產工藝造成孔軸線錯位

經向汽車后橋減速器殼體生產現場人員了解,汽車后橋減速器殼體與軸承座組合后進行加工,φ90 mm半圓孔為同一主軸頭鏜刀桿一次性精鏜完成,φ80 mm與φ100 mm圓柱孔分別由兩個不同的主軸鏜頭從兩個方向精鏜完成。兩個φ90 mm半圓孔由一個鏜頭一次性鏜削完成,孔的同軸度要求容易保證。φ80 mm與φ100 mm圓柱孔分別由兩個鏜頭鏜削完成,孔的同軸度受機器主軸同軸精度影響,如果加工過程中發生碰撞,會造成更大的同軸度誤差。汽車后橋減速器殼體鏜孔過程如圖7所示。

▲圖7 汽車后橋減速器殼體鏜孔過程

6.2 基準軸線擬合構造因偏轉角度而導致誤差放大

根據標準GB/T 1958—2004《產品幾何量技術規范(GPS)形狀和位置公差檢測規定》,垂直度公差為相對位置公差,即被測要素的實際方向對于基準相垂直的理想方向之間所允許的最大變動量,也就是圖紙中給出的用以限制被測要素偏離垂直方向所允許的最大變動范圍。公共軸線A-B對公共軸線H-K的垂直度公差帶為垂直于公共軸線H-K的圓柱面所限定的區域,且公差值為φt,如圖8所示。

▲圖8 圖紙垂直度公差帶

然而,實際測量時,由于φ80 mm與φ100 mm圓柱孔兩個軸線存在同軸度誤差,通過測量兩個孔多個截面圓而擬合構造得到的實際軸線必然偏離理論軸線,并構成一定的夾角。根據三坐標原理,公共軸線H-K為φ80 mm與φ100 mm圓柱孔實測各截面圓擬合軸線的最小包絡區域圓柱的中心線。實際垂直度公差帶如圖9所示。由于擬合后的公共軸線H-K偏離理論軸線,產生夾角θ,在同軸度相同的情況下,兩組孔間距越小,夾角越大。這一夾角使垂直于公共軸線H-K且包絡實際公共軸線A-B的區域明顯放大。

由圖9可以看出,誤差放大量與偏轉夾角、被測元素實際長度有關,可由t=lsinθ近似計算。

▲圖9 實際垂直度公差帶

以公共軸線A-B為基準測量公共軸線H-K垂直度公差如圖10所示。由于兩個φ90 mm半圓孔由同一鏜頭加工,同軸度較好,各截面圓發生的偏移很小,加之公共軸線H-K實際長度比公共軸線A-B短很多,因此測量結果更接近汽車后橋減速器殼體的真實情況。

▲圖10 以公共軸線A-B為基準測量公共軸線H-K垂直度公差

事實證明,對于長距短孔類零件,若采用三坐標測量標準程序,單從測量數據上看,零件會被視為超差品,但此類零件經裝配試驗后證明沒有問題,說明既不是加工設備精度低引起,也不是測量軟件計算存在誤差引起,主要原因是設計圖紙標注不合理。

7 檢測評價總結

(1)汽車后橋減速器殼體孔與孔軸線的垂直度公差,采用三坐標測量,相對于傳統檢測效率高,準確性好,但在評價時要注意選擇合適的檢測評價方案,否則容易造成結果誤判,帶來經濟損失。

(2)對于短圓柱孔,應盡可能在孔的全長上多測幾個截面圓,以這些在同一軸線上的多個截面圓擬合構造的公共軸線作為基準,減少截面圓偏移量大而間距短的情況,避免造成擬合的基準軸線偏角大,從而造成誤差放大。

(3)評價基準根據加工工藝的實際情況選擇,對于不合理的設計基準,要結合實際生產與設計人員溝通協商進行合理調整。

(4)為避免放大誤差,評價應采用長度較長、直線度擬合較好的基準軸線。

(5)盡可能提高被測元素的形狀精度,減小表面粗糙度值,避開零件上的鑄造砂眼等缺陷。

(6)在允許的情況下,采用直徑較大的測桿和測球,有利于減小由測量系統引起的誤差。