数控加工套管零件尺寸的新型测量方法

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序言在实际生产加工中，某些零件的角度尺寸、圆弧尺寸、圆心距以及空间尺寸是比较难通过简单方法进行精准测量的，如果操作人员和质检人员仅通过传统硬质量具进行尺寸检测，则其测量精度及准确性往往不能满足设计要求[1]。现代制造行业中使用数控机床加工锥面、圆弧面等复杂型面的优势明显，加工出的零件尺寸精度、形状精度远高于普通机床。在实际生产中，既要考虑测量的准确性，又要考虑测量的精益性。不能因为检测方法而制约生产进度，这对测量方法提出了更高的要求。如果使用高精度测量仪辅助测量，如轮廓度仪、三坐标测量机、光学影像测量仪或者工业CT测量机等，则其测量精度可以满足设计图样的要求，但设备采购及维护成本十分高昂，测量时间较长，需要专业人员操作，这些现实问题可能是一般企业难以接受的。如果仅使用传统硬质量具测量，可能无法满足设计图样要求，还可能存在根本无法测量的情况。在实际生产中将传统量具、改制量具、数控测量机与绘图软件有效地组合使用，可以解决大部分尺寸的测量问题。本文针对套管类零件角度、圆弧尺寸和空间尺寸的测量问题，提出了一种基于传统检测样板和改制量具的精益测量方法，既可以满足较高的测量精度要求，又可以满足一般企业的经济性要求。2

测量方法1）样板测量法零件在设计之初，为了满足结构的整体性、协调性和零件的强度，设计人员会在零件上增加圆弧、圆角及空间位置关系等特征。对于零件加工工艺性和尺寸检测方式，设计人员往往是不做太多考虑的，这给生产制造增加了难点。在实际生产加工中，圆角和圆弧的检测，通常优先采用样板测量，也称作R规比较测量法。这种圆角、圆弧测量方法十分简单快捷，但是也存在弊端，由于圆弧样板只能测量出具有特定尺寸的圆弧，比如仅仅可以测量R5mm、R6mm等固定尺寸，无法精确测量出圆弧半径尺寸，并且非标准圆弧尺寸是无法选用R规进行精准测量的，因此对于某些圆弧尺寸精度要求高的零件，样板测量方法无法满足要求。针对非标准圆弧的测量，也可用线切割机床把所需的圆弧尺寸在薄钢板上切割出来，通过计量校准合格后，可以在实际生产中作为外形样板进行零件圆弧测量。同样，角度样板可以测量一些标准角度。在实际生产中，车工对刀时使用角度样板较多。在一些零件角度相对位置好的情况下，还是使用角度尺测量更加科学和准确。但是，在很多实际生产中，角度尺无法精确测量内部角度和与角度尺存在干涉的小角度，此时需要角度样板与塞尺配合使用，可以测量大多数角度。

2）轮廓仪测量法轮廓仪主要用于机械加工零件外表面和内表面形状轮廓的测量，在不损伤零件表面的前提下，通过接触传感器探针检测零件内外表面的直径、圆弧、中心距、弦长和角度尺寸等。轮廓仪测量方法为接触式表面轮廓传感器探针直接与零件内外表面接触，在电动机驱动作用下，沿着零件被测表面缓慢滑动，滑动过程中，传感器将接收到的轮廓信息转化为电信号，电信号以数字量被储存到计算机中，工程测量软件对数据进行分析处理，同时在计算机屏幕上显示出被测零件轮廓信息，可以选择特征轮廓进行计算测量，包括圆弧半径、弦长、弧度、中心距、角度、直线位置关系和距离等。探针的针尖半径和非直线运动轨迹可以通过后处理程序进行补偿来提高零件测量精度，同时轮廓仪测量软件可以将测量的数据进行保存并配置数据输出打印功能，还能将测量数据存入硬盘和以文档形式导出。轮廓仪测量法的优点主要体现在既可以直接测量某些零件难以检测的内外轮廓尺寸，又可以按某种特定标准直接精确描绘出零件内外表面轮廓，其测量结果可以通过软件直接输出。但是轮廓仪测量法也存在一些缺点，即被测表面容易被探针划伤，对检测人员素质要求较高，对一些零件上的闭角，测量后绘制的曲线精度相对较低。

3）三坐标测量机测量法目前，三坐标测量机作为通用性强、自动化程度高及检测精度高的测量设备，被广泛应用在航空航天生产制造和科学技术研究中。三坐标测量机通过测头将所拾取的各个几何要素的测量转化为这些几何要素的点、线、集的坐标位置的测量，测量出各个几何元素的坐标后，通过专用工程软件按照内置特定的规则标准计算出这些几何要素的形状、尺寸、角度和空间相对位置等信息。从测量原理上讲，任何零件的全部几何要素都可以通过三坐标测量机检测，并且精密等级高的三坐标测量机的坐标测量精度可达到微米级。三坐标测量机的优点很明显，测量精确、快速和方便；缺点是对于一般企业来说，其使用和维护成本十分高昂，从而造成测量资源的浪费。

4）光学投影测量法光学投影测量机检测功能和轮廓仪相近，测量精度略低于轮廓仪。测量时，把被测零件水平放置在测量机工作台上，通过光照射零件，透光部分与遮光部分形成差别，通过内置程序根据相应法则计算，在屏幕上显示出被测零件放大轮廓，通过工程专用软件处理，可以计算出所选择轮廓的圆弧半径、弧长、两直线间的夹角、直线段或角度位置关系和距离等几何参数。但是，光学测量机存在明显缺点，在测量回转体凹槽时，需要剖开零件测量截面位置，测量精度误差相对较大，而且无法对每件零件都进行检测；通过光学阴影形成的轮廓，计算机计算出的可拾取曲线精度相对较差。

5）影像测量仪测量法影像测量仪是近几年工业上新兴的一种精密测量仪器，随着图像分析、后处理技术的快速发展，影像测量仪已经逐渐成为航空航天零件及装配车间检测零件尺寸、装配关系及零件形貌的常用测量仪器之一。影像测量仪是采用数字影像机拍摄零件，通过图像传感器识别与处理，将零件以图片的形式显示在屏幕上，通过专用的工程分析软件利用图像处理技术，识别并提取零件表面各种复杂形状的特征点及坐标点，再通过信息处理技术和特征点坐标计算，形成测量空间中各种几何要素，最终通过软件计算得到被测零件的形状、尺寸和位置关系等。3

套管零件尺寸测量图1所示套管零件是飞机燃油系统的重要组成部分，其特点为批量大、尺寸精度高。零件尺寸公差小，空间尺寸多，几何公差和表面质量要求高。其测量难点为凹槽、角度、圆弧和空间尺寸。为了保证零件生产进度和尺寸精度，测量工具选择传统量具（R规、角度检测样板、角度尺、游标卡尺和塞尺）及改制量具（改制千分尺）。零件上的圆角半径多数＜1mm，并且为转接半径，其公差值可以为正、负值，尺寸精度相对宽泛，可以通过小R规进行比较测量，判定零件加工圆角精度[5]。零件上的环槽外圆角度无法全部使用角度尺测量，凹槽内角度可以选择角度检测样板和塞尺共同测量出合格区间。角度检测样板如图2所示，样板中的88°为零件理论角度。测量时，样板最长边以零件尺寸4.1mm竖边定位，样板88°斜边与零件槽底斜边接触。如果样板88°斜边与零件槽底斜边存在缝隙，通过塞入塞尺来判断零件角度是否合格。样板中的45°是为了避免测量时与零件凹槽中R0.8mm和R1.2mm干涉。角度检测样板的使用如图3所示。图1套管零件

图2角度检测样板

图3角度检测样板使用示意

零件中还存在φ72.3mm、φ72.4mm和φ67.1mm等空间交点尺寸，并且尺寸精度要求较高。由于这些尺寸无法在生产现场直接通过硬质量具测量，可以通过价格高昂的轮廓仪、三坐标测量机及工业CT测量机等先进数控设备测量，但存在加工效率低和测量成本不经济的问题，所以需要选择一种既准确又经济快速的测量方法，来保证生产线的正常运行。为此，兼顾测量的准确性和精益性，总结出一种基于传统量具和改制量具的新型测量方法，间接测量尺寸，减少对高端测量设备的依赖。套管外圆上的空间尺寸φ72.3mm、φ72.4mm可以通过尺寸间接测量法，用外径千分尺测量套管凹槽圆角R0.2mm与其斜面相交的外圆两侧距离；套管凹槽空间尺寸φ67.1mm可以通过理论尺寸转换，将该尺寸间接转化到凹槽圆角R1.2mm与其斜面相交的最小外径尺寸，通过改制的外径叶片千分尺可以精确地测量该尺寸。改制后叶片千分尺的叶片如图4所示。图4改制后叶片千分尺的叶片4

结束语本文综述了实际生产中，零件尺寸测量的常用方法及优缺点，为技术人员选择合适的测量方法提供参考。目前对于角度、圆弧和空间尺寸的测量主要采用以下两种方法。1）使用成本较低的外形样板和角度样板进行比较测量，此类方法适用于零件尺寸精度要求较低的情况。2）使用维护成本较高的三坐标测量机或者轮廓仪进行测量，此类方法适用于零件尺寸精度要求较高的情况。在实际生产中，大多数零件的尺寸精度要求一般，检测方法在满足测量精度的前提下，还需要考虑实际生产效率和测量成本，实践证明，本文中基于传统量具和改制量具的新型测量方法，可满足特定的套管零件角度、空间尺寸及一般性圆弧测量的需要，具有很好的实用性和经济性。专家点