大型外徑千分尺檢修工裝的研制

柳玉晗 運(yùn)金芬 鄧水平

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000；2.國家重大技術(shù)裝備幾何量計量站，四川610199)

檢修人員對大型外徑千分尺進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)、修理時，經(jīng)常遇到一些難題。在外徑千分尺所有要求被檢定的參數(shù)中，兩工作面的平行度屬重要參數(shù)，檢定要求為：外徑千分尺鎖緊裝置緊固與松開時千分尺兩工作面的平行度不大于規(guī)程中的要求。1000 mm以下外徑千分尺的平行性檢具是由專業(yè)廠家制造的；而對于圓柱形(?8 mm)測頭外徑千分尺兩工作面平行性的檢定，目前現(xiàn)有的方法是：將兩套或三套1000 mm的平行性的檢具進(jìn)行組合，對1000 mm～3000 mm千分尺的平行性進(jìn)行檢定，或者在三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行檢定。我公司現(xiàn)有精密量具中有相當(dāng)部分是1600 mm～1800 mm異型測頭千分尺，因其一端是?16 mm的錐形測頭，無法與檢具的?8 mm測頭相配，因此無法按照常規(guī)進(jìn)行檢定。

1 擠壓法修理外徑千分尺

外徑千分尺經(jīng)過長期使用后，其量桿因為磨損會變短，在對其進(jìn)行修理時，需要加大尺寸來得到較多的研磨量。檢修人員在長期修理大量內(nèi)、外徑千分尺的修理實踐中，總結(jié)出一套修理辦法，最常用的是擠壓法。擠壓法是使用設(shè)計的擠壓修理工裝，通過敲擊的方法使量桿長度延伸，從而加長尺寸。但是，擠壓修理工裝的擠壓效果不佳，因此急待改進(jìn)。

量桿受到擠壓后，在加大尺寸后的量桿頂端配合煤油和研磨膏在研磨平臺上進(jìn)行研磨，等到溫度降至實驗室溫度后進(jìn)行檢定，反復(fù)以上過程直至達(dá)到合格尺寸。研磨時，量桿難以固定，因此需要設(shè)計一個工裝來輔助研磨。因此，研制了大型外徑千分尺平行性檢具、量桿擠壓修理工裝和量桿研磨修理工裝。

2 工裝設(shè)計的要求和難點

2.1 平行性檢具

理論上，由大型異形測頭外徑千分尺兩測量面不平行引起的外徑千分尺在活動測桿移動L時，可以計算出其中一個測量面傾斜而產(chǎn)生的最大示值誤差：

式中，N為校對棒尺寸；δ2和δ1分別為兩測量面的平行性偏差；d為活動測桿橫截面直徑。由此可見，平行性對示值的影響很大。

在檢定普通外徑千分尺兩工作面平行性時，用固定長度的平行性檢具測頭上的兩接觸點(在量桿的兩端，且在同一方位上)，與千分尺的兩測量面接觸，如圖1所示。在千分尺恒定測力的作用下，旋轉(zhuǎn)平行性檢具，使兩觸點在不同的方位上，讀出其數(shù)值，最大與最小之差為平行性。同樣，在檢定1600 mm～1800 mm異型測頭外徑千分尺時必須注意以下三點：

圖1 現(xiàn)有外徑千分尺兩工作面平行性檢具Figure 1 Existing parallelism verification tool used for two working surfaces of the outside micrometer

(1)接觸點在一條直線上；

(2)檢具的測頭與外徑千分尺測頭相匹配，并以測頭的圓柱面定位；

(3)量桿要有足夠的力學(xué)性能分析。

大型異形測頭外徑千分尺的平行性檢具設(shè)計難點：在檢定中，雖然平行性檢具只受自身重力影響引起變形，但實際檢定時，需要將平行性檢具每旋轉(zhuǎn)90°在千分尺上讀數(shù)一次，在此旋轉(zhuǎn)過程中，會造成平行性誤差，此誤差不可太大，否則會對檢定結(jié)果造成巨大影響。

2.2 擠壓修理工裝

檢修人員在使用以前的外徑千分尺量桿的擠壓修理工裝時，需要很大的力度，并配合多次敲擊才能達(dá)到對外徑千分尺量桿的擠壓加長效果，查閱資料發(fā)現(xiàn)擠壓修理工裝的材料硬度足以滿足要求。因此，改進(jìn)后工裝的材料可以不改動，因此只能從受力方面分析，對工裝與量桿接觸面的外形進(jìn)行改進(jìn)，減小接觸面積，使接觸面應(yīng)力更加集中，達(dá)到更加顯著的拉伸效果，但又不能超過工裝和量桿材料的屈服強(qiáng)度。

擠壓修理工裝設(shè)計改進(jìn)難點是力學(xué)要求和有限元分析軟件的選擇。對擠壓修理工裝與外徑千分尺量桿的接觸面的外形進(jìn)行改進(jìn)，減小接觸面積，使接觸面應(yīng)力更加集中，且引起0.5 μm～5 μm以內(nèi)沿量桿長度方向的變形，但又不能超過工裝和量桿材料的屈服強(qiáng)度。

2.3 擠壓研磨工裝

由于大型外徑千分尺量桿在研磨時，量桿無法固定，并且需要控制研磨量，因此需要一個專用的研磨修理工裝。對于研磨修理工裝的要求如下：

(1)能夠?qū)⑵渫鈭A夾持住，并且將其固定；

(2)能夠充分地調(diào)整、控制其研磨量。

同時滿足兩個要求，要求工裝不能太大，要求使用簡單，因此，難度很大。

3 確定工裝的設(shè)計方案及實施

3.1 平行性檢具

3.1.1 1000 mm外徑千分尺平行性檢具

(1)自重引起的變形

外徑D=13 mm，內(nèi)徑d=9 mm，長度L=1000 mm。根據(jù)材料力學(xué)的自重引起變形的相關(guān)理論，變形最大發(fā)生在千分尺平行性檢具的中心位置，變形量為：YC=-5qL4/384EI=-3.7 mm。

(2)受軸向力引起的變形

由材料力學(xué)可知，“細(xì)長壓桿”的臨界壓力為判斷依據(jù)，當(dāng)軸向壓力大于臨界壓力時，存在變形；當(dāng)軸向壓力小于臨界壓力時，不計變形。臨界壓力為：PCR=π2EI/L2=2.13 kN。

根據(jù)千分尺的校準(zhǔn)規(guī)定，其千分尺的測力為fmax=12 N?2.13 kN。所以，檢具在測量過程中，只存在自身重量引起的變形。在實際校準(zhǔn)中，能達(dá)到國家校準(zhǔn)規(guī)定的要求。

3.1.2 第一套方案：1000 mm接桿組合成2000 mm尺寸段，配合異型測頭作為平行性檢具。

(1)自重引起的變形

外徑D=13 mm，內(nèi)徑d=9 mm，長度L=2000 mm。經(jīng)計算為YC=-29.8 mm。

(2)受軸向力引起的變形

經(jīng)計算臨界壓力為PCR=532 N。

由于千分尺的測力fmax=12 N?532 N，所以，在檢定中，只存在自身重量引起的變形。但在實際校準(zhǔn)中，因千分尺平行性檢具的接長桿的中間彎曲和接長桿在校準(zhǔn)過程中的旋轉(zhuǎn)，引起0.5 mm左右平行性誤差，不能達(dá)到國家校準(zhǔn)規(guī)定的要求，此方案被否定。

3.1.3 第二套方案：以2100 mm內(nèi)徑千分尺為接長桿的平行性檢具。

(1)自重引起的變形。外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=15 mm，長度L=2000 mm。經(jīng)計算YC=-10.7 mm。

(2)受軸向力引起的變形。經(jīng)計算臨界壓力PCR=2.65 kN。

千分尺的測力fmax=12 N?2.65 kN。

對第二套方案中的接長桿，選擇SolidWorks軟件，建立一個外徑D=20 mm，內(nèi)徑d=15 mm，長度L=2000 mm的長圓柱體，對其進(jìn)行有限元分析。

通過圖2可知，合力的最大位移是3.836 mm，應(yīng)力最集中的位置受力251.319 kPa。測量過程中，只存在自身重量引起的變形，此方案的平行性檢具變形量最小。

(a)總體偏差圖(b)等效應(yīng)力圖

因此最終確定2100 mm內(nèi)徑千分尺為接長桿，配上設(shè)計的異型測頭，組成一套新的平行性檢具。此方案經(jīng)過檢修人員長期使用，多次與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，平行性數(shù)據(jù)符合要求。

3.2 擠壓修理工裝

(1)此設(shè)計需要比較專業(yè)的模擬分析和驗證，因此選擇了ANSYS Workbench 13.0分析軟件，使用其靜力分析模塊進(jìn)行有限元分析。

(2)在原修理工裝的二維圖形基礎(chǔ)上，對與外徑千分尺量桿接觸的那個部分進(jìn)行形狀修改，減小接觸面積，集中接觸面的應(yīng)力。

(3)參照二維圖，用SolidWorks軟件繪制擠壓修理工裝和量桿的三維模型。

(4)在Static Structural靜力分析模塊，設(shè)置材料庫參數(shù)，再進(jìn)入Gometry建模，將三維模型倒入，進(jìn)入Model，對工裝和量桿設(shè)置材料，劃分網(wǎng)格，并對二者接觸面進(jìn)行網(wǎng)格加密，對下工裝的下底面和上、下工裝的四個孔加以約束，使下工裝固定，且上工裝只能在Z方向運(yùn)動，再對上工裝上表面加力，按經(jīng)驗將這個力設(shè)置為0～0.05 s內(nèi)從0直線增加到1000 N，并在0.05 s～1 s內(nèi)保持，此時分析參數(shù)設(shè)置完畢，點擊Solve進(jìn)行計算分析，最后生成報告。

通過外徑千分尺量桿模型沿Y方向的變形可知，如圖3(a)所示，最大變形量為0.1885 μm，符合每一次敲擊工裝允許引起的量桿變形量，對比原工裝對量桿的擠壓效果，改進(jìn)后的設(shè)計方案更符合要求。

通過量桿模型總體變形圖3(b)可知，應(yīng)力最集中的地方最大總體變形量為2 μm左右，不超過3.5 μm，這樣的變形量足以用油石打磨近乎均勻平整，不影響今后的使用。

(a)沿Y方向的變形偏差圖(b)總體偏差圖

通過等效應(yīng)力圖(圖4)可知，工裝與量桿接觸面在沖擊時，應(yīng)力最集中的面積明顯減小，應(yīng)力最集中部分的應(yīng)力大小為111 MPa，因為力的作用是相互的，所以工裝和量桿受應(yīng)力最大為111 MPa，而經(jīng)正火處理的45鋼的屈服強(qiáng)度為355 MPa，所以，對于工裝和量桿在此沖擊力下是安全的。

圖4 等效應(yīng)力圖Figure 4 Equivalent stress

使用改進(jìn)后的擠壓工裝修理外徑千分尺量桿時，擠壓前后用合適的外徑千分尺測量修理的外徑千分尺量桿的長度，效果比原工裝效果顯著，更容易達(dá)到所要求的長度值，改進(jìn)后的工裝也更安全，并且顯著提高了效率。

3.3 研磨修理工裝

(1)設(shè)計一種研磨工裝，體積小，使用方便，用SolidWorks軟件繪制出其與外徑千分尺量桿裝配后的三維模型，如圖5所示，從外形上可以同時滿足所有設(shè)計要求。

圖5 研磨修理工裝與量桿裝配在一起的三維模型Figure 5 3D model of grinding repairing tool assembled with measuring rod

(2)外徑千分尺量桿研磨修理工裝應(yīng)具有較好的研磨性，重量輕，因此選用45鋼，加工后進(jìn)行淬火而成，材料性能滿足設(shè)計要求。

通過檢修人員對研磨修理工裝的長期使用，效果很好。

4 結(jié)語

對于大型異型測頭外徑千分尺平行性檢具的設(shè)計，通過使用內(nèi)徑千分尺接長桿配合異形測頭的方法，避免了在檢定平行性時的旋轉(zhuǎn)，造成的影響平行性誤差很小，解決了由于此種外徑千分尺尺寸過大、測頭異型而引起的無法檢定其平行性的問題；通過改進(jìn)擠壓修理工裝與量桿接觸面，減小了接觸面積，集中了應(yīng)力，通過有限元分析得出此種外形設(shè)計不會超過量桿和工裝的屈服強(qiáng)度；通過對大型外徑千分尺量桿的研磨修理工裝外形的設(shè)計，解決了研磨修理過程中量桿無法固定和調(diào)控研磨量的問題。

經(jīng)過實施后，使用效果較好，顯著地提高了檢修效率。使用工裝檢修出來的外徑千分尺均達(dá)到技術(shù)要求。