高精度孔距無定位間隙測量夾具設計

貴州凱星液力傳動機械有限公司 (遵義 563003)葉義書 曾平安 吳曉霞

在機械加工中，凡經過重要的加工工序后，其相應的幾何量都需要進行檢測，以確定它們的幾何量精度是否符合技術要求。

箱體類零件上的孔多為不規則分布，零件外形也呈不規則形狀。孔系的中心距檢驗用常用的游標尺無法檢測，這給生產現場的日常首檢、巡檢、終檢帶來不便。若按常規檢驗方法需在測量平板上操作，要使用方箱、角尺、高度尺、等高尺、量塊、千分表等量具，測量好一個坐標值后，翻轉零件90°，測量另一個坐標值，從而得到孔系兩個方向的坐標值。這種測量方法借助的輔助量具多，由此產生的測量誤差大，并且操作很不方便。為了準確測量孔系的中心距，在無專用檢測量具的情況下，只能在三坐標測量機或精確度高的坐標鏜床上進行測量。用三坐標測量機費用高，用坐標鏜床效率低。為此介紹一種方便簡單的測量夾具。

1.零件結構分析及測量基準的選擇

2.測量夾具結構及技術要求

測量夾具結構如圖2 所示。

圖1 零件圖

(2)定位件及主要尺寸的設計 設定裝固定套的兩孔中心距為(841.3 ±0.015)mm、(285.5 ±0.008)mm，夾具平板裝軸承的四個孔D1、D2、D3、D4 中心距公差等級取IT6，具體值如圖2 所示。

固定套與夾具平板的孔過盈配合。錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ的圓柱外圓分別與固定套的孔配做，保證間隙在0.005～0.01mm，并作好配對標記。彈性定位套的內錐面與錐形定位銷Ⅰ的外錐面配做，菱形彈性定位套的內錐面與錐形定位銷Ⅱ的外錐面配做，錐度都為1∶50，保證接觸面不少于80%，并作好標記，在裝配時不得裝錯。

圖2 測量夾具圖

菱形彈性定位套的圓柱部分寬度b 按推薦值，取b=8mm。

為了便于裝卸，彈性定位套、菱形彈性定位套的定位外圓直徑按下式計算。

定位外圓與孔的最小間隙

式中，b 是菱形彈性定位套的圓柱部分寬度;C 是兩定位孔孔距偏差;Cy是兩定位銷中心距偏差;X2是定位孔直徑;C 和Cy的值由兩定位孔的孔距尺寸偏差計算而得。

彈性定位套、菱形彈性定位套的定位外圓直徑d=22 -0.07=21.93mm，公差取h6，則

四個軸承選用JIS B 1514 標準、精度等級為P5的單列深溝球軸承，軸承外徑與夾具平板的孔選用過盈配合。選用分度值為0.001mm 的千分表。

為了減少測量誤差，測量夾具的零件加工完成后，用干冰冷卻軸承和固定套，冷卻后裝于夾具平板上。在三坐標測量機上，以兩固定套內孔為基準，測量出測量夾具D1、D2、D3、D4 四孔在X、Y 方向的中心偏移量，即制造誤差(δXZ、δYZ)，在中心偏移方向把制造誤差“δXZ(δYZ)=×××mm”刻于夾具平板表面。用測量夾具測量零件孔距時，補償掉制造誤差。

(3)其他件的設計 支承環與軸承內孔選用過盈配合，并要求用干冰冷卻支承環后，再裝于軸承內孔，當轉動手柄時，支承環隨軸承內圈旋轉，帶動千分表轉動。支承表架組件可在徑向方向移動，靠螺釘壓在支承環上。表架選用與千分表相配的標準表架。壓緊螺母壓錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ使彈性定位套、菱形彈性定位套漲開，實現與孔X1、X2 無間隙定位。

3.誤差分析

圖3 誤差分析圖

(1)測量夾具在X 方向產生的測量誤差 一種是定位誤差。第一定位X1 和第二定位X2 都采用了彈性脹式定心裝置，安裝測量夾具時，壓緊螺母分別壓緊錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ，使彈性定位套和菱形彈性定位套脹開，與孔X1、X2 無間隙定位。但由于固定套與錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ有0.005～0.01mm 的間隙，由此在X 方向有可能產生平移或繞兩定位孔X1、X2 中心連線的中點O 旋轉，從而產生定位誤差。當安裝測量夾具向X 方向平移時，最大移動量為0.01mm。當安裝測量夾具繞O 點旋轉時，在X 方向產生的移動量小于安裝測量夾具平移時的移動量0.01mm。因此在X 方向產生的定位誤差δXD為0.01mm。

另一種是制造誤差。測量夾具的四個測量點D1、D2、D3、D4 的中心偏移量(制造誤差δXZ)已測出，并作了標記，在測量零件孔距時補償掉，因此測量夾具在X 方向產生的制造誤差似為零。

綜上所述，當環境條件和人為等因素引起的測量誤差不予考慮時，測量夾具在X 方向產生的測量誤差δXC等于定位誤差δXD，即δXC=δXD=0.01mm。

(2)測量夾具在Y 方向產生的測量誤差 一種是定位誤差。如前所述，彈性定位套和菱形彈性定位套與孔X1、X2 無間隙定位。但由于固定套與錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ有0.005～0.01mm 的間隙，由此在Y 方向有可能產生平移或繞兩定位孔X1、X2中心連線的中點O 旋轉，從而產生定位誤差。當安裝測量夾具向Y 方向平移時，最大移動量為0.01mm。當安裝測量夾具繞O 點旋轉時，在Y 方向產生移動，D1、D3、D4 孔在兩定位孔X1、X2 之間，由繞O 點旋轉在Y 方向產生的移動量小于平移時的移動量0.01mm。D2 孔在兩定位孔X1、X2 之外，由繞O 點旋轉在Y 方向產生的移動量為最大，因此D2孔的定位誤差最大。由此可知，分析D2 孔在Y 方向的定位誤差即可。D2 孔在Y 方向的移動量(定位誤差)計算如下

D2孔Y方向的定位誤差δD2YD=2L6=0.013 76mm。

另一種是制造誤差。測量夾具的四個測量點D1、D2、D3、D4 的中心偏移量(制造誤差δYZ)已測出，并作了標記，在測量零件孔距時補償掉，因此測量夾具在Y 方向產生的制造誤差似為零。

綜上所述，在安裝測量夾具時，D2 孔產生的移動量最大，即測量誤差為最大。當環境條件和人為等因素引起的測量誤差不予考慮時，測量夾具在Y方向產生的測量誤差δYC等于定位誤差δD2YD，即δYC=δD2YD=0.013 76mm。

從上述分析及計算可知，D2 孔產生的測量誤差最大，X 方向的測量誤差δXC為0.01mm，Y 方向的測量誤差δYC為0.013 76mm，即測量夾具在D2 孔處的測量誤差為0.013 76mm。

計算驗收極限，例如尺寸(101.5 ±0.017)mm的安全裕度為0.003mm (按GB/T 3177 標準查得)。則(101.5 ±0.017)mm 的驗收極限為:

上驗收極限=最大極限尺寸-安全裕度-δYC/2=101.517-0.003-0.006 88=101.507mm

下驗收極限=最小極限尺寸+安全裕度+δYC/2=101.483+0.003+0.006 88=101.493mm

其他孔的驗收極限同樣按上述方法可計算得知。計算測量誤差是按極限狀態計算的，在實際使用中測量夾具的平移或偏擺處于極限狀態的幾率極小，因此測量誤差達到最大值的幾率也極小。

4.使用方法

如圖2 所示，把彈性定位套和菱形彈性定位套分別裝于零件定位孔X1、X2，注意菱形彈性定位套的長軸線與定位孔X1、X2 的中心連線大致垂直，測量夾具裝于被測零件上，并對準定位孔，裝上錐形定位銷Ⅰ、錐形定位銷Ⅱ，注意按配對裝，不能裝錯，用壓緊螺母分別壓緊錐形定位銷，使其彈性定位套、菱形彈性定位套與孔X1、X2 無間隙配合。裝表架于支承表架組件上，再裝千分表于表架上，調整千分表在合適位置，并緊固支承表架組件、表架和千分表。轉動手柄，千分表跟隨轉動，讀取千分表在X、Y 方向指針的偏轉量，偏轉量的一半即為被測孔的中心測量偏移量ΔC。并記下被測孔的中心與測量夾具孔D1、D2、D3、D4 的中心的位置關系。

當被測孔的中心位于測量夾具孔的中心偏移方向時，則被測孔的中心實際偏移量ΔS為制造誤差δZ(δXZ、δYZ)與測量偏移量ΔC之和，即ΔS=δZ+ΔC，被測孔的中心位于測量夾具孔的中心偏移方向(見圖4)。

圖4

當被測孔的中心位于測量夾具孔的中心偏移方向相反方向時，則被測孔的中心實際偏移量ΔS為制造誤差δZ(δXZ、δYZ)與測量偏移量ΔC之差的絕對值，即ΔS=│δZ-ΔC│。當δZ-ΔC為正值時，則被測孔的中心在測量夾具孔的中心偏移方向(見圖5);當δZ-ΔC為負值時，則被測孔的中心在測量夾具孔的中心偏移方向相反方向(見圖6)。

當被測孔的中心測量偏移量ΔC=0 時，則被測孔的中心實際偏移量ΔS為制造誤差δZ(δXZ、δYZ)，即ΔS=δZ，被測孔的中心位于測量夾具孔的中心偏移方向(見圖7)。

圖5

圖6

圖7

已知被測孔的中心實際偏移量ΔS和孔中心偏移方向，即可得到孔距尺寸。

5.數據對比

為了進一步驗證測量夾具測量數據的準確性，隨機抽取了3 個零件，用三坐標測量機與測量夾具分別測量得到的數據如附表所示。通過數據對比，測量夾具能滿足設計要求。

測量數據表 (單位:mm)

6.結語

此測量夾具第一定位用彈性脹式定心裝置，第二定位用菱形彈性脹式定心裝置，使用方便，測量數據滿足設計要求，并提高了測量效率。此夾具結構可應用于其他種類夾具的定位，可提高定位精度。