一種基于刀口測頭的內尺寸測量方法研究

曾燕華，傅云霞，張波，唐冬梅

(上海市計量測試技術研究院，上海201203)

0 引言

近年來，隨著精密機械加工技術的不斷發展，各種精密零部件形狀越來越復雜，因此對測量技術有了更高要求，尤其是對一些特殊的柱面內尺寸的測量，如:各種花鍵環規的跨棒距、精密V 型導軌副內間距及各種復雜零件的柱面內尺寸等。

萬能測長儀是一種廣泛應用于精密測量領域的精密儀器，它既可以對各種外尺寸進行直接測量和比較測量，還可使用內測鉤進行內尺寸的比較測量［1］。外測頭形式主要有球面測頭，平面測頭和刀口測頭，其中刀口測頭用于各種圓柱面外尺寸的直接測量。但是在各種柱面內尺寸測量中，其內測鉤形式為球測頭，在測量時由于被測柱面與測鉤測球大小相當而使尋找轉折點的過程十分困難，幾乎無法實現測量。我們常采用量塊組合填塞方法或影像測量法進行測量，但是采用量塊組合填塞方法［2］測量效率低，量塊損耗大，且往往受測量人員的熟練程度的影響;而影像測量法則只能反映被測件表面的狀況，不能整體的反映被測量的實際情況。鑒于以上測量方法的不足，本項目在利用現有測長儀的基礎上，重新設計和加工內測鉤，將原有的球測頭改成平面測頭與刀口測頭的組合，研究新型內測鉤的測量方法，以實現內柱面等特殊形式的內尺寸測量。

1 內測鉤的組成與工作原理

用于內柱面尺寸測量的內測鉤(如圖1所示)，其主測鉤的結構采用常規內測鉤形式，但在測頭安裝位置采用與測頭座間隙配合的通孔設計，并在測鉤底部使用螺釘鎖緊方式。測頭則采用刀口與平面組合測頭形式(如圖2所示)，單個測頭全長為6.5 mm，內側測頭使用刃寬0.3 ～0.5 mm 刀口測頭，外側使用φ5 mm 小平面測頭，測頭座直徑為φ3 mm，測頭頭部采用G6X 硬質合金銀焊而成，然后使用專用組合研磨夾具對一組測頭的兩個平面進行研磨，研磨后的測頭組平面度≤0.1 μm，刀口與小平面的平行度≤0.3 μm。該組合測頭通過測頭座與測鉤緊固，安裝時注意刀口測頭安裝應保持基本水平［3］。測量時，平面測頭使用外尺寸測量方式接觸，調整兩測頭平面平行，然后使用專用的一對60°量爪將特定的一對量柱與量塊組合，成為被測量內尺寸比較標準器具，使用比較法測量，從而獲得相應的內尺寸測量值(根據單個測頭的尺寸，可以確定測量尺寸L ＞13 mm)。

圖1 改進的內測鉤

圖2 刀口平面組合測頭

2 測量方法及步驟

在進行柱面內尺寸測量之前，先根據被測件的尺寸選用相應的量塊組合(組合數量一般不超過3 塊)，與對應于柱體部分尺寸的量棒組成的標準尺寸用專用的60°量爪組合安裝在量塊夾具(如圖3所示)上，記錄量塊組合實際值l，將夾具用壓板平壓在測長儀的工作臺上，轉動工作臺手柄，將工作臺下降至便于安裝測鉤的位置。然后將事先固定好平面刀口組合測頭的一對測鉤安裝在頭座阿貝頭測桿和尾桿上，使測鉤以其弧形槽對齊，并使測鉤內側的刀口測頭基本位于水平且與測量軸線相互垂直，鎖緊緊固螺釘。

圖3 專用60°量塊組合夾具

測量時，應先對專用內測鉤進行標定工作(如圖4所示)。首先，將測長儀調整為外尺寸測量方式，使兩相對平面測頭以一定的測量力接觸，調整測長儀尾桿上的水平和垂直調整螺釘，找出轉折點(最小值)，以使兩平面測頭平行。此時，由于刀口測頭與平面測頭是配對研磨且平行度≤0.3 μm，因此也保證了刀口測頭的平行度。拉開兩測頭，將測長儀調整為內測頭測量方式，上升工作臺，使測鉤上的刀口測頭伸入量塊與量棒組合的內尺寸測量位置，移動測桿，使刀口測頭與內測的量棒以一定的測量力接觸，調整測長儀工作臺水平與垂直擺動，找出轉折點(最小值)，然后將儀器顯示器置零。零位校準后，將量塊取下，將被測件以同樣的方式固定于測長儀的工作臺上，同樣方法使刀口測頭與被測件柱面接觸，調整臥式測長儀工作臺，使儀器示值為最小，讀取儀器示值Δ，加上零位校準用量塊的實際值l，可以獲得被測量值L=l+Δ。實際測量時，可采用在多個位置測量求平均值的方法確定最佳測量值。

圖4 刀口式內測鉤標定示例圖

3 測量實例及測量結果分析

在測量實例的選擇上，選用了漸開線花鍵環規作為測量對象，這是因為漸開線花鍵是機械結構中普遍使用的重要聯結部件，漸開線花鍵量規是用于其生產線上的主要標準器具，而跨棒距［4］(也稱M 值)則是控制齒形的重要參數之一，因此其測量值的準確與否直接關系到各種機械類產品的生產質量。

將所設計的專用內測鉤安裝在一臺最大允許誤差為±(0.3 +2L/1000)μm(L 單位:mm)的萬能測長儀上，采用上述方法對不同尺寸的漸開線花鍵環規跨棒距進行測量，其不確定度因素除了來源于測量重復性外，主要來源于量塊與量棒組合的標定過程及儀器的示值誤差，因此以M=29.410 mm 的漸開線環規為例，在(20±0.3)°C 的實驗室環境下測量，根據表1中測量不確定度評定［5］可以得到該測量方法的測量不確定度為U=1.5 μm(k=2)。

表1 本文所述方法的測量不確定度一覽表

此外，在測量時，為了方便量棒與被測花鍵環規的齒槽緊密貼合，設計一套差動式的環規鎖緊安裝機構(如圖5所示)，這樣不但減小了因量棒安裝不緊密或變形而引入的測量誤差，而且也使得測量方便快捷。表2 給出了4 種不同尺寸的漸開線花鍵環規跨棒距的測量結果及其重復性，表欄目中4 組數據分別表示4種花鍵環規跨棒距理論值和選用量棒。

圖5 差動式花鍵環規鎖緊機構

式中:Ai表示采用不同方法得到的測量結果;Ui表示對應的測量不確定度。

表2 不同尺寸的漸開線花鍵環規跨棒距測量結果 mm

當| En| ＜1 時，即認為對比結果滿意。表3 的測量比對結果顯示，本文所述測量方法能夠滿足相應的內尺寸測量要求。

表3 測量數據結果比對表

4 結論

本文主要介紹了一種基于刀口測頭的內尺寸測量方法，并通過實驗以及與DKD 實驗方法的比對，證明了在萬能測長儀上采用刀口平面組合測頭替代傳統的球測頭的內尺寸測量機構的有效性。該方法不受人為因素影響，能快速、全面、準確的測量各種柱面內尺寸，彌補并克服了測長儀在內尺寸測量上的不足和局限性。

［1］張泰昌.幾何量檢測1000 問:工程測量(下冊)［M］.北京:中國標準出版社，2006.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T3478.5-2008 圓柱直齒漸開線花鍵(米制模數齒側配合)第5 部分:檢驗［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［3］趙沛征.測長儀測頭錯位對內尺寸測量的影響［J］.計量技術.2008(08):39-41.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 5106-2006 圓柱直齒漸開線花鍵:量規［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［5］倪育才.實用測量不確定度評定［M］.北京:中國計量出版社，2010.