低成本測量圓環(huán)形薄壁零件平面度方法研究

牛翊琳,孟華,劉文淵

西安航天精密機(jī)電研究所

1 引言

圓環(huán)形薄壁零件在各行業(yè)生產(chǎn)制造單元中,種類繁多,加工精度高,難度大,往往有著重要的基準(zhǔn)性作用。其表面特征評(píng)定對(duì)機(jī)械零件表面質(zhì)量控制十分重要。因?yàn)楣ぜ?極易變形,給測量帶來很大的難度。本文針對(duì)壁厚≤2mm、直徑≥φ50mm的薄壁零件,對(duì)同一種零件利用三種測量設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì),提出一種成本低、效率高、測量精度符合要求的測量方法。

2 試驗(yàn)方案

采用三種測量設(shè)備對(duì)同一件試驗(yàn)零件進(jìn)行平面度測量比對(duì),并將25次測量數(shù)據(jù)用CgK評(píng)定方法進(jìn)行測量能力分析并得出結(jié)論。

以測量能力指數(shù)Cg或CgK作為評(píng)定指標(biāo),計(jì)算公式為

Cg=KT/6S

(1)

(2)

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用多種方法、多種測量設(shè)備對(duì)同一薄壁圓環(huán)型零件進(jìn)行表面平面度測量,并收集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對(duì)。

3.1 表面形貌儀測量薄壁環(huán)形零件平面度

表面形貌儀利用白光干涉原理,其分辨率、3D建模算法以及無損測量是上述高精度環(huán)形薄壁件測量的最佳選擇。本文采用Ploytec TMS-500型三維形貌儀進(jìn)行測量,試驗(yàn)零件檢測數(shù)據(jù)如表1所示,主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,平面度測試報(bào)告如圖1所示。

圖1 平面度測試報(bào)告

表1 Ploytec TMS-500型三維形貌儀試驗(yàn)零件的測量數(shù)據(jù) (μm)

表2 試驗(yàn)零件主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

由表1和圖1可知,三維形貌儀雖然符合試驗(yàn)零件的測量條件,但設(shè)備價(jià)格昂貴,測量成本高且市場占有率低。

3.2 測針接觸式(三坐標(biāo)測量機(jī))測量薄壁環(huán)形零件

將試驗(yàn)零件以垂直和水平兩種方式放置在虎鉗上,采用最小二乘法分別進(jìn)行觸針式測量,由于裝夾力和測針測力引起的零件變形,測量數(shù)據(jù)并不理想,如表3和表4所示。

表3 垂直裝夾時(shí)平面度的測量數(shù)據(jù) (mm)

表4 采用最小二乘法用觸針式對(duì)試驗(yàn)件水平裝夾時(shí)平面度的測量數(shù)據(jù) (mm)

用最小二乘法的矩陣方程,將原始的數(shù)據(jù)整理成A和b,然后利用Excel的函數(shù)x=MMULT(MMULT(MINVERSE(MMULT(TRANSPOSE(A),A)),TRANSPOSE(A)),b)得出試驗(yàn)件平面度的測得值如表5所示。

表5 三坐標(biāo)觸針式測量試驗(yàn)零件主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

3.3 圓度儀測量薄壁環(huán)形零件平面度

如圖2所示,為降低零件裝夾帶來的變形率以及提高測量設(shè)備的分辨率,本文提出一種新的薄壁環(huán)形零件平面度的測量方案。

圖2 壓環(huán)類零件測量

定位:用三個(gè)滾珠均勻放入壓環(huán)上的φ12mm孔內(nèi),間隔120°,磁力為1/3,并將磁力工作臺(tái)固定在圓度儀轉(zhuǎn)臺(tái)。

測量:找正偏心至0.02mm,采用接觸式探針,將工作面與圓度儀工作臺(tái)調(diào)平至1μm。

選用最小二乘法進(jìn)行平面度評(píng)價(jià),采用高斯濾波,濾波幅度為1～15upr。

得出試驗(yàn)件平面度的測量值如表6所示,主要指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

表6 圓度儀測量數(shù)據(jù) (μm)

表7 圓度儀測量試驗(yàn)零件主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

匯總?cè)N設(shè)備測量試驗(yàn)件評(píng)價(jià)項(xiàng)目,如表8所示。圓度儀測量該類零件可以最大程度避免變形誤差,測量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠,數(shù)據(jù)一致性和重復(fù)性好,分散性小。且圓度儀市場占有率最高,而三維形貌儀目前精度滿足條件且運(yùn)行穩(wěn)定的大多依賴進(jìn)口應(yīng)盡量用已有設(shè)備和國產(chǎn)設(shè)備解決測量難題。

表8 三種設(shè)備測量試驗(yàn)件評(píng)價(jià)項(xiàng)目比對(duì)

4 結(jié)語

本文提出一種新的采用圓度儀測量圓環(huán)形薄壁零件平面度的方法,并開展表面形貌儀、三坐標(biāo)測針接觸式測量法及圓度儀三種測量方法對(duì)圓環(huán)形薄壁零件進(jìn)行平面度測量的對(duì)比研究,根據(jù)測量能力分析結(jié)果并綜合考慮其他因素,確定圓度儀測量方法相對(duì)較優(yōu),不僅測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,還大大節(jié)省了測量成本。