薄壁陀螺框架零件位置精度的測量

■北方光電股份有限公司 （陜西西安 710043） 劉建斌 張 勇 劉 曉 程會民 賈建林

某精確制導(dǎo)產(chǎn)品陀螺框架零件外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，截面尺寸約1 2 0 m m×1 2 0 m m，兩端通過φ 72m m×φ 57m m、φ 53m m×φ 17m m的圓環(huán)面聯(lián)接，框架高度25mm，各處最大壁厚不足5mm。零件軸承安裝部位尺寸標(biāo)準(zhǔn)公差等級I T6，要求φ17mm孔相對φ57mm基準(zhǔn)孔的同軸度≤0.01mm，φ9mm外圓、φ6mm孔相對φ10mm基準(zhǔn)孔的同軸度≤0.01mm，圓環(huán)端面相對基準(zhǔn)軸線的垂直度≤0.012mm。零件整體結(jié)構(gòu)剛性差，受定位基準(zhǔn)的面型精度、壓緊方式及測量方法等因素的影響，測量結(jié)果離散程度大，零件尺寸精度、位置精度不易保證，屬典型的工藝瓶頸問題。

圖1 薄壁陀螺框架結(jié)構(gòu)示意

1. 工藝方案分析

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)，零件毛坯采用φ165 mm、長80mm的2A12-T4鋁合金棒料，加工工藝劃分成粗加工、半精加工和精加工3個(gè)階段。粗加工時(shí)，先用普通金屬切削設(shè)備加工出線切割粗基準(zhǔn)，使用線切割和電脈沖設(shè)備加工出零件整體輪廓后，再安排熱處理時(shí)效，均化零件內(nèi)部應(yīng)力；半精加工時(shí)，先精銑、鏟研定位基準(zhǔn)面，保證定位基準(zhǔn)面的平面度＜0.005mm，夾緊面與定位基準(zhǔn)面的平行度＜0.01mm，再加工四周孔系及端面，進(jìn)行二次熱處理時(shí)效，均化零件切削時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力；精加工前，檢查定位基準(zhǔn)面，使用力矩扳手控制壓緊力，防止零件變形，再精加工兩側(cè)孔系及端面。

從零件整體結(jié)構(gòu)功能分析，零件兩側(cè)孔系及端面的位置精度直接影響其功能的實(shí)現(xiàn)，工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須采用基準(zhǔn)統(tǒng)一原則。受零件結(jié)構(gòu)限制，只能選擇零件框架兩側(cè)長度110mm、寬度4.5mm的棱邊底面作為定位基準(zhǔn)面，高度25mm的頂面上夾緊。在精密臥式加工中心進(jìn)行陀螺框架零件四周孔系及端面最終加工，設(shè)備主軸精度和B軸回轉(zhuǎn)精度能滿足該零件的加工要求。但由于零件定位面分布在兩側(cè)且底面棱邊狹長，整體結(jié)構(gòu)剛性差，要保證其平面度0.005mm、平行度0.01mm的工藝要求極難，其接觸精度、壓緊引起的變形對零件尺寸精度、位置精度影響很大。

2. 測量問題分析

測量時(shí)受量具或量儀精度、測量環(huán)境及測量人員等因素影響，基準(zhǔn)形狀誤差對零件測量結(jié)果影響很大。如圖2所示，測量時(shí)先將基準(zhǔn)孔d1調(diào)校到理論正確位置，再判斷被測孔d2兩端A、B相對基準(zhǔn)孔的差異，然后通過計(jì)算確定位置精度。由于薄壁陀螺框架零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)短，而被測圓柱相對基準(zhǔn)跨距大，若6mm長的基準(zhǔn)孔兩個(gè)測量截面校正誤差為0.002mm、被測孔跨距為120m m，則將引入基準(zhǔn)誤差0.002×120/6＝0.040（mm）。在圖1所示零件實(shí)際加工過程中，若以φ 57mm孔為基準(zhǔn)孔，測量φ 17mm孔相對基準(zhǔn)孔的同軸度為0.01mm，受上述因素的影響，測量結(jié)果離散度大、重復(fù)性差，易產(chǎn)生零件誤判問題。

圖2 基準(zhǔn)誤差對測量精度的影響分析

3. 測量方法分析

實(shí)際被測軸線為被測要素各正截面輪廓的中心點(diǎn)連線，其輪廓中心點(diǎn)為該輪廓由最小區(qū)域圓法、最小二乘圓法、最小外接圓法和最大內(nèi)接圓法確定的理想圓中心。在三坐標(biāo)測量機(jī)測量零件同軸度誤差時(shí)，先要按上述方法確定實(shí)際基準(zhǔn)軸線和實(shí)際被測軸線，再以擬合基準(zhǔn)軸線為軸線包容實(shí)際被測軸線，得到具有最小直徑的圓柱面內(nèi)的區(qū)域，則該圓柱面內(nèi)的區(qū)域即為同軸度誤差。也可以在滿足零件功能要求的前提下，采用下述近似方法體現(xiàn)：①以各橫向截面輪廓中心點(diǎn)建立實(shí)際公共基準(zhǔn)軸線，再通過最小包容圓柱軸線或最小二乘中線確定基準(zhǔn)軸線。②以基準(zhǔn)要素兩端橫向截面輪廓中心點(diǎn)的連線作為基準(zhǔn)軸線。由于基準(zhǔn)軸線和被測軸線建立方法不同，測量誤差也就不同，測量結(jié)果的精確性差異很大，因此針對不同結(jié)構(gòu)零件，有必要分析確定最佳測量方法。

4. 測量方法的確定

先在圖1所示薄壁陀螺框架零件上，分別用三坐標(biāo)測量機(jī)從左到右以等間隔采集φ 57mm基準(zhǔn)孔、φ17mm被測孔的3個(gè)正截面，然后用前述不同方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得基準(zhǔn)孔輪廓中心點(diǎn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和被測孔輪廓中心點(diǎn)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，擬合得到被測要素的同軸度誤差見表1。

由表1可知，基準(zhǔn)孔和被測孔正截面輪廓中心采用最小二乘圓法獲得后，以Ⅰ～Ⅵ這6個(gè)點(diǎn)共同擬合的公共軸線作為測量基準(zhǔn)，再用最小包容區(qū)域法評定同軸度誤差，測量的同軸度結(jié)果最小，滿足零件位置精度的要求，應(yīng)是薄壁陀螺框架零件的最佳測量方法。

表1 同軸度誤差測量結(jié)果

5. 結(jié)語

對5 0 件薄壁陀螺框架零件的同軸度進(jìn)行測量方法改進(jìn)前后的對比測量，改進(jìn)前測量的同軸度最大為0.016m m、最小為0.005m m，平均測量結(jié)果為0.008 5mm，其中還有12件不滿足零件位置精度要求；采用改進(jìn)后的最佳測量方法，測得同軸度最大為0.009mm、最小為0.002mm，平均測量結(jié)果為0.004 3mm，其中測量結(jié)果＜0.005mm的達(dá)到33件，零件位置精度都滿足要求，且反復(fù)測量結(jié)果穩(wěn)定，波動很小。說明改進(jìn)后的測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)薄壁陀螺框架零件位置精度的準(zhǔn)確測量。