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(yè)職業(yè)技術(shù)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(chǎn)品檢測中屬于常見的測量項目.主要的測量方法有：量規(guī)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(jù)零件的結(jié)構(gòu)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(shù)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(xiàn).然而陜西省戶縣東方機械有限公司生產(chǎn)的ALS850型鋁帶分條機，其翻轉(zhuǎn)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(guān)系.因此，在分析了零件的精度、結(jié)構(gòu)和實際測量條件之后，為翻轉(zhuǎn)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(yè)翻轉(zhuǎn)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(yōu)化提供了參考，為企業(yè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(huán)節(jié)，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(jù)直線軸承的內(nèi)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(zhuǎn)，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(diào)整形態(tài)[6].指示表在該兩點的讀數(shù)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(xiàn)

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(zhuǎn)動直線軸承從而帶動指示表測頭的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)測量，直線軸承的外圓素線體現(xiàn)測量基準.芯軸B在設計和加工時，已經(jīng)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(zhuǎn)動，從而帶動磁性表座轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)指示表測頭以基準軸線為基準，做旋轉(zhuǎn)運動.調(diào)整指示表，使其在轉(zhuǎn)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(shù)，如圖5(a)和(b)所示，根據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸座翻轉(zhuǎn)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(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)運動過程中產(chǎn)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(diào)整萬能表架，轉(zhuǎn)動直線軸承帶動指示表做旋轉(zhuǎn)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(cè)頭接觸的兩點讀數(shù)值并記錄，見圖5 所示.

3 設計特點及創(chuàng)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(jié)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)指示表測頭的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(xiàn)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(jīng)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(yè)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(jié) 論

在進行校企合作、課程建設、質(zhì)檢專業(yè)資源庫建設項目中，對陜西省戶縣東方機械有限公司生產(chǎn)的鋁帶分條機上翻轉(zhuǎn)軸座進行終檢時，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(yè)的產(chǎn)品測量解決了難題，經(jīng)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(yōu)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.