曲軸軸徑專用測(cè)量工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

甘文輝

（上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海201401）

曲軸軸徑專用測(cè)量工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

甘文輝

（上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，上海201401）

簡(jiǎn)要介紹P11C六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸加工過程中軸徑的在線測(cè)量方法及其專用檢具（梯形卡規(guī)）的設(shè)計(jì)。并使用埃帝科曲軸綜合測(cè)量?jī)x測(cè)量曲軸，其測(cè)量數(shù)據(jù)和檢具測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為檢具準(zhǔn)確性的確認(rèn)提供了依據(jù)。檢具操作簡(jiǎn)單，滿足了現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的需要，測(cè)量數(shù)據(jù)直接可指導(dǎo)加工機(jī)床的精度調(diào)整。

曲軸 軸徑 專用測(cè)量工具 設(shè)計(jì)

1 前言

機(jī)體、缸蓋、曲軸、連桿、凸輪軸統(tǒng)稱為發(fā)動(dòng)機(jī)五大關(guān)鍵零部件（5C部品），此五大關(guān)鍵零部件的加工精度會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和可靠性等重要性能。而曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)上的主要運(yùn)動(dòng)件，又是傳遞動(dòng)力的主要零部件，工作條件非常惡劣，更直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的大修壽命。由于曲軸產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)精度高，加工精度高，在線大批量生產(chǎn)時(shí)，選用即能保證測(cè)量精度高、又方便快捷且成本低廉的測(cè)量方法是個(gè)非常值得考慮的課題。上海日野發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的P11C型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是排量為10.52 L的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其曲軸主要由七個(gè)主軸徑和六個(gè)連桿軸徑構(gòu)成，本文就軸徑的在線測(cè)量工具和測(cè)量方法進(jìn)行探討。

2 常用的軸徑檢測(cè)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 卡鉗法

很多年前，對(duì)于要求不高的軸徑，常用外卡鉗＋鋼直尺進(jìn)行測(cè)量，這在車削粗加工用的較多。這種方法只有具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人才能相對(duì)測(cè)得準(zhǔn)確些，一般情況下誤差較大，效率低，目前已很少使用。

2.2 通用量具法

通用量具在機(jī)械制造行業(yè)較為常用，如游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、三溝千分尺、五溝千分尺、杠桿千分尺等等。方法如下：

（1）首先計(jì)算安全裕度。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3177－2009《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）光滑工件尺寸的檢驗(yàn)》中對(duì)安全安全裕度作出了說明。因?yàn)?/p>

任何測(cè)量結(jié)果都存在誤差，所以測(cè)量結(jié)果等于公差極限或雖然在公差范圍內(nèi)但很接近時(shí)，并不能證明其真值在公差范圍內(nèi)。國(guó)標(biāo)要求在判斷產(chǎn)品合格與否時(shí)將軸或孔的公差帶兩頭均內(nèi)縮一個(gè)尺寸，這個(gè)尺寸就是“安全裕度”，如圖1所示。圖中LML和MML分別為最小實(shí)體極限和最大實(shí)體極限，A為安全裕度。國(guó)標(biāo)規(guī)定安全裕度為公差帶寬度T的1/10。在常用公差等級(jí)6～11級(jí)范圍內(nèi)，根據(jù)安全裕度選用計(jì)量器具時(shí)，可有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ檔選擇，國(guó)標(biāo)要求優(yōu)先選用Ⅰ檔，此時(shí)，所選用計(jì)量器具的測(cè)量不確定度應(yīng)不大于0.9A，如選用Ⅱ檔或Ⅲ檔，則所選用計(jì)量器具的測(cè)量不確定度分別為1.5A和2.3A。

來稿日期：2012-11-27

圖1 安全裕度

（2）測(cè)量應(yīng)在不少于兩個(gè)截面上進(jìn)行，其中的每個(gè)截面應(yīng)取互相垂直的兩個(gè)方向測(cè)量。

（3）取最大的讀數(shù)值作為被測(cè)軸徑的測(cè)得值。

該測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，環(huán)境適應(yīng)性好，但測(cè)量精度中等，適合用于測(cè)量中等準(zhǔn)確度的軸徑。

2.3 比較儀法

一些精度要求較高的軸徑，可選用千分表、杠桿千分表、扭簧比較儀、光學(xué)比較儀、電子量?jī)x、氣動(dòng)量?jī)x與量塊或標(biāo)準(zhǔn)圓柱進(jìn)行比較測(cè)量。方法如下：

（1）先按公差的1/10算出安全裕度，則所選用的比較儀的不確定度應(yīng)不大于安全裕度的0.9倍。如公差特別小，無合適的比較儀可選用，也可取安全裕度的1.5倍或2.3倍。

（2）選用1級(jí)量塊組合成被測(cè)直徑的理想尺寸。

（3）將量塊組適當(dāng)放置在0級(jí)平板或比較儀工作臺(tái)上，調(diào)節(jié)比較儀，使讀數(shù)系統(tǒng)對(duì)零。

（4）取下量塊組，將被測(cè)軸徑置于工作臺(tái)與測(cè)頭之間進(jìn)行測(cè)量，使軸在工作臺(tái)上滾動(dòng)，讀數(shù)由小變大，到某一個(gè)數(shù)值時(shí)又由大變小，讀取轉(zhuǎn)折時(shí)的這個(gè)數(shù)值。測(cè)量的截面不得少于兩個(gè)，每個(gè)截面測(cè)互相垂直的兩個(gè)方向。

（5）將讀數(shù)與量塊組尺寸的代數(shù)和作為軸徑的測(cè)得值。

（6）使用氣動(dòng)量?jī)x作比較儀時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)圓柱代替量塊組。

該測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是測(cè)量環(huán)境要求高，測(cè)量人員的專業(yè)性強(qiáng)，測(cè)量效率低，并且受工件測(cè)量位置和裝夾方式制約。

2.4 光隙法

利用刀口形樣板直尺與量塊組測(cè)量軸徑的方法稱為光隙法[1]，如圖2所示。測(cè)量方法如下：

（1）選取一組量塊，使量塊組的尺寸h大于軸徑尺寸d約1～2 μm。

（2）將量塊組黏合在檢驗(yàn)平板上，并置被測(cè)軸徑于量塊組附近，刀口形樣板直尺貼合在量塊的工作面上，樣板直尺的刀口在另一端與軸徑之間形成光隙。

（3）若光隙透過的光線呈藍(lán)色，縫寬約0.8 μm；如呈紅色，縫寬約1.5 μm；如呈白光，則縫寬大于2.5 μm，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)減少量塊組尺寸，重新測(cè)量。

（4）若樣板直尺刀口與軸徑母線恰好接觸，刀口與量塊之間且無光線透過，說明軸徑尺寸d=h。

（5）當(dāng)樣板直尺刀口與軸徑母線接觸，而刀口與量塊工作面不能完全接觸，在離軸徑較近的刀口與量塊之間透出光線，說明量塊組偏小，則需重新組合量塊組再進(jìn)行測(cè)量。

圖2 光隙法

該測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量測(cè)量精度高，準(zhǔn)確度高，缺點(diǎn)是測(cè)量環(huán)境要求高，測(cè)量人員的專業(yè)性強(qiáng)，測(cè)量效率低，并且受工件測(cè)量位置和裝夾方式制約。

2.5 精密測(cè)量設(shè)備測(cè)量法

包括三座標(biāo)測(cè)量機(jī)、埃帝科曲軸綜合測(cè)量?jī)x、

圓度測(cè)量?jī)x等精密測(cè)量設(shè)備，此類精密測(cè)量設(shè)備經(jīng)過軟件編程后，可以直接測(cè)量并得到測(cè)量值。

該測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，準(zhǔn)確度高，測(cè)量結(jié)果直觀，缺點(diǎn)是測(cè)量設(shè)備購(gòu)置、維護(hù)成本高，要有專業(yè)測(cè)量人員，并且受工件測(cè)量位置和裝夾方式制約。

3 專用檢具（梯形卡規(guī)）的設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)量原理的數(shù)學(xué)模型

為準(zhǔn)確快速地測(cè)量出未知圓的外徑尺寸，設(shè)定一個(gè)理想圓作為基準(zhǔn)圓，選取一個(gè)固定夾角，將該固定夾角分別和基準(zhǔn)圓、被測(cè)圓相切，通過計(jì)算可得出被測(cè)圓與基準(zhǔn)圓之間的偏差值。如圖3所示，設(shè)基準(zhǔn)圓外徑為Φd0，被測(cè)圓的外徑為Φd，固定夾角為β，根據(jù)圖3中幾何關(guān)系計(jì)算：

根據(jù)直角三角形A0B0O和直角三角形ABO，可以得到

可得：d? d0=x ×2sin β/2

令k = 2sin β/2，?d = d?d0，即得

β=2arcsin k/2

?d = d ? d0=x× k

圖3 數(shù)學(xué)模型

同心圓Φd0和Φd，圓心為O；固定夾角β分別與兩同心圓Φd0、Φd相切，切點(diǎn)分別為B0和B；被測(cè)圓外徑Φd與基準(zhǔn)圓外徑Φd0的偏差為：△d=Φd-Φd0。當(dāng)k取不同的值時(shí)，代入公式計(jì)算β、△d，可得表1的結(jié)果。

表1 不同k值下的計(jì)算結(jié)果

可見當(dāng)取固定夾角β=60°時(shí)，k=1，圓外徑偏差為

3.2 測(cè)量方法的構(gòu)思設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，可以應(yīng)用于自制專用檢具——梯形卡規(guī)的原型設(shè)計(jì)，作為軸徑的專用測(cè)量檢具。設(shè)計(jì)自制梯形卡規(guī)時(shí)，指導(dǎo)思想是，按照?qǐng)D紙要求，既要取得被測(cè)軸徑的最大測(cè)量范圍，又要能直接獲得被測(cè)軸徑的實(shí)際偏差值。根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，選取k=1，即固定夾角β=60°時(shí)，△d=Φd-Φd0=x，也就是說可直接獲得被測(cè)軸徑的實(shí)際偏差值。通過梯形其它參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，就完全可以設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需要的梯形卡規(guī)。設(shè)計(jì)模型如圖4所示，假設(shè)梯形卡規(guī)測(cè)量的最大直徑為Φdmax，最小直徑為Φdmin,梯形槽頂寬為L(zhǎng)，梯形槽高度為H，根據(jù)圖4中幾何關(guān)系計(jì)算：

可以得到

分別可獲得角度α，梯形槽頂寬L，梯形槽高度H。

3.3 專用檢具——梯形卡規(guī)實(shí)際設(shè)計(jì)

Φdmin=Φ89.50分別代入上述計(jì)算公式，計(jì)算可得到：梯形槽頂寬為L(zhǎng)=51.7，梯形槽高度為H=33.6，實(shí)際制作梯形卡規(guī)取值為梯形槽頂寬為L(zhǎng)≈51，梯形槽高度為H≈34，固定夾角β=60°。

圖4 測(cè)量直徑范圍設(shè)計(jì)模型

自制專用梯形卡規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖[2]，如圖所5示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由梯形座、表套、千分表等組成。

圖5 梯形卡規(guī)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)先制作一個(gè)Φd=Φ90的標(biāo)準(zhǔn)軸頸，在梯形卡規(guī)上裝配好千分表。測(cè)量前，如圖6所示，先通過千分表校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)軸頸的“零位”后，然后對(duì)被測(cè)曲軸主軸徑進(jìn)行測(cè)量，千分表上的讀數(shù)，便是被測(cè)曲軸主軸徑的實(shí)際偏差值。在線隨機(jī)抽取5根曲軸，對(duì)此5根曲軸的7個(gè)主軸頸分別使用埃帝科曲軸綜合測(cè)量?jī)x和專用梯形卡規(guī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，對(duì)兩種方法所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，兩者測(cè)量所得數(shù)據(jù)非常接近，兩者的誤差最大為0.001 mm，小于產(chǎn)品公差的十分之一，可以認(rèn)為自制專用梯形卡規(guī)完全能夠滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)精度，能有效保證曲軸主軸頸的加工質(zhì)量。

圖6 測(cè)量方法

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著加工設(shè)備水平的提高，加工工藝對(duì)在線檢測(cè)提出了更高的要求。工序間測(cè)量需要專用檢具快速準(zhǔn)確地完成生產(chǎn)對(duì)測(cè)量的要求，達(dá)到工序質(zhì)量控制的目的。通常大批量的在線檢測(cè)軸徑的方法，常見的是通止卡規(guī)，但通止卡規(guī)只是判斷被測(cè)軸徑是否合格的“定性”方法。而用梯形卡規(guī)檢測(cè)軸徑，則是能獲得被測(cè)軸徑實(shí)際偏差值的“定量”方法，其測(cè)量數(shù)據(jù)直接可指導(dǎo)加工機(jī)床的精度調(diào)整，也便于統(tǒng)計(jì)分析控制，使得測(cè)量數(shù)據(jù)具有警示和預(yù)防功能。

梯形卡規(guī)經(jīng)實(shí)際使用，操作方便、準(zhǔn)確可靠，效果良好，不受場(chǎng)地和裝夾方式限制，很好地解決了在線加工中軸徑的快速測(cè)量問題。而且梯形卡規(guī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，并且制做成本低，很適用于批量生產(chǎn)中的軸徑測(cè)量。

將梯形卡規(guī)的梯形夾角或指示表進(jìn)行更換設(shè)計(jì)，其測(cè)量方法可延伸為軸類、球類的測(cè)量使用，還可應(yīng)用于常用通止塞規(guī)的周期校準(zhǔn)檢定。

1梁子午主編．檢驗(yàn)工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M]．南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004．

2劉興富．簡(jiǎn)易卡規(guī)比較測(cè)量?jī)x[J]．計(jì)量技術(shù)，2009（09）.

Design and Application of Machining Crankshaft Axis Special Measuring Tool

Gan Wenhui
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

Mmeasurement method and design of a special measuring tool was introduced in brief for the axis measurement of machined crankshaft of P11C six cylinders engine.The axis measurement of machined crankshaft by using the measuring tool was compared and analyzed by means of Adcole crankshaft measuring machine.The result provided a basis for validating the accuracy of the measuring tool.The tool is easy to operate and time-saving.And the data obtained from the measuring tool can be used to adjust crankshaft machining tool.

crankshaft,axis,special measuring tool,design

甘文輝（1975-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)制造過程質(zhì)量控制管理與制造測(cè)量技術(shù)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.010