低成本測量圓環形薄壁零件平面度方法研究

牛翊琳,孟華,劉文淵

西安航天精密機電研究所

1 引言

圓環形薄壁零件在各行業生產制造單元中,種類繁多,加工精度高,難度大,往往有著重要的基準性作用。其表面特征評定對機械零件表面質量控制十分重要。因為工件薄,極易變形,給測量帶來很大的難度。本文針對壁厚≤2mm、直徑≥φ50mm的薄壁零件,對同一種零件利用三種測量設備進行試驗比對,提出一種成本低、效率高、測量精度符合要求的測量方法。

2 試驗方案

采用三種測量設備對同一件試驗零件進行平面度測量比對,并將25次測量數據用CgK評定方法進行測量能力分析并得出結論。

以測量能力指數Cg或CgK作為評定指標,計算公式為

Cg=KT/6S

(1)

(2)

3 試驗過程

試驗采用多種方法、多種測量設備對同一薄壁圓環型零件進行表面平面度測量,并收集數據進行綜合比對。

3.1 表面形貌儀測量薄壁環形零件平面度

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型三維形貌儀進行測量,試驗零件檢測數據如表1所示,主要指標統計結果如表2所示,平面度測試報告如圖1所示。

圖1 平面度測試報告

表1 Ploytec TMS-500型三維形貌儀試驗零件的測量數據 (μm)

表2 試驗零件主要指標統計

由表1和圖1可知,三維形貌儀雖然符合試驗零件的測量條件,但設備價格昂貴,測量成本高且市場占有率低。

3.2 測針接觸式(三坐標測量機)測量薄壁環形零件

將試驗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,測量數據并不理想,如表3和表4所示。

表3 垂直裝夾時平面度的測量數據 (mm)

表4 采用最小二乘法用觸針式對試驗件水平裝夾時平面度的測量數據 (mm)

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

表5 三坐標觸針式測量試驗零件主要指標統計

3.3 圓度儀測量薄壁環形零件平面度

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備的分辨率,本文提出一種新的薄壁環形零件平面度的測量方案。

圖2 壓環類零件測量

定位:用三個滾珠均勻放入壓環上的φ12mm孔內,間隔120°,磁力為1/3,并將磁力工作臺固定在圓度儀轉臺。

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調平至1μm。

選用最小二乘法進行平面度評價,采用高斯濾波,濾波幅度為1～15upr。

得出試驗件平面度的測量值如表6所示,主要指標的統計結果如表7所示。

表6 圓度儀測量數據 (μm)

表7 圓度儀測量試驗零件主要指標統計

匯總三種設備測量試驗件評價項目,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,測量數據更加穩定可靠,數據一致性和重復性好,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行穩定的大多依賴進口應盡量用已有設備和國產設備解決測量難題。

表8 三種設備測量試驗件評價項目比對

4 結語

本文提出一種新的采用圓度儀測量圓環形薄壁零件平面度的方法,并開展表面形貌儀、三坐標測針接觸式測量法及圓度儀三種測量方法對圓環形薄壁零件進行平面度測量的對比研究,根據測量能力分析結果并綜合考慮其他因素,確定圓度儀測量方法相對較優,不僅測量數據穩定可靠,還大大節省了測量成本。