花鍵類齒輪精度測量方法的應用

汪長春

摘要：文章闡述了花鍵類圓柱齒輪的齒輪精度的測量方法，并對測量方法進行分析比對，包括利用齒輪測量機和三坐標測量機進行的測量方法，側重論述了以花鍵齒面作為測量基準的測量方法，其中介紹了三坐標測量機測量方法。

關鍵詞：花鍵類齒輪；齒輪精度；測量方法；三坐標；測量數據 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG162 文章編號：1009-2374（2016）18-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.027

1 概述

對于圓柱直齒漸開線花鍵類齒輪工件，由于其結構及應用的特殊性，在齒輪傳動中起著重要作用，其齒輪的制造精度直接影響到工件的使用功能。為了控制提升產品的質量，獲取真實合理的測量數據是非常重要的，但在實際測量過程中往往由于測量方法的不同，導致測量數據出現較大差異。經分析，主要是由于使用的測量設備和測量方法的不一致造成。為了解決該測量問題，通過對產品設計工藝及裝配等情況的綜合分析，決定選取比較典型的齒輪件，即帶內花鍵孔太陽輪，使用不同的測量設備及不同的測量方法進行了分析比對，從而最終確定了比較合理可靠的測量方法。

2 測量方法

2.1 使用齒輪測量機

在測量過程中對同一工件重復測量三次，每次重新安裝，即工裝和工件重新拆裝，均勻測量4個齒。

2.1.1 使用花鍵端面外圓定位。為了保證齒輪測量的精度，對工裝的內孔直徑、內孔與頂針孔方向的同心度以及端面與針孔方向的垂直度制造精度進行了控制。主要將端面與外圓相對于頂針孔方向的端面跳動和徑向跳動均控制在0.003mm以內。裝夾時使用工裝圖1（a）內孔套緊齒輪外圓，用螺母壓緊齒輪的上端面，使齒輪端面與工裝端面緊密接觸。測量結果普遍偏大，重復測量誤差也較大，尤其是齒向、徑向跳動的變化明顯。經分析認為，使用該套工裝夾時，可能會造成工件裝夾后偏心，導致測量結果偏差較大不可靠。

2.1.2 使用花鍵小徑定位。根據花鍵小徑尺寸要求，制作一根光面帶錐度的芯軸，其相對于頂針孔的徑向跳動控制在0.003mm以內。裝夾時使光面芯軸圖1（b）與花鍵齒頂套緊，花鍵齒頂接觸芯軸表面定位，也即花鍵小徑定位，芯軸表面與花鍵齒面無接觸。該工裝結構簡單，以芯軸表面定位花鍵齒頂，其定位精度重復性好。另外，對于使用花鍵大徑定位的測量方法，因定位花鍵工裝的齒頂可能會損傷到齒輪的齒根，在此進行測試。

2.1.3 使用花鍵齒面定位。為保證齒輪測量的精度，委托專業廠家制作一根帶錐度的精密花鍵芯軸圖1（c），裝夾時使芯軸齒面與花鍵齒面緊密接觸，也即花鍵齒面定位。該定位測量方法符合產品設計工藝及裝配要求。對于大齒輪花鍵類齒輪，該類工裝的制作和操作均有較大的難度，在實際測量中并不具備可操作性，該類測量方法對大齒輪不適用。

（a）外圓定位 （b）小徑定位 （c）齒面定位 （d）齒面定位

2.2 三坐標測量機

在測量過程中也對同一工件同樣重復測量三次，根據工件的設計要求及使用情況分析，認為以花鍵分度圓或者與花鍵分度圓同心的圓作為測量基準是比較合理的。因此，三坐標測量方法對以齒輪外圓和小徑為測量基準的情況不再進行說明。下文具體闡述以花鍵齒面為測量基準的三坐標測量方法，即使用德國leitz高精度三坐標測量機，通過對QUINDOS測量軟件的二次開發，編寫測量程序實現機器自動測量。

程序實現過程：（1）輸入齒輪和機器參數，包括齒輪齒數、模數、壓力角及機器掃描參數等；（2）根據齒輪參數計算選擇三坐標測針規格，確定起始掃描位置，建立工件坐標系；（3）在齒輪的一端的端平面掃描各齒的齒面：采用自定中心掃描，即測針自動掃描齒槽的一側面，沿齒面朝齒輪中心方向掃描，直至測針與齒槽的左右面接觸，機器采樣計算出該測針球心的測量參數；（4）收集各齒槽測針球心APT點計算出該端平面圓的直徑及圓度等參數，判斷該圓的圓度值是否≥0.030mm。針對圓度超差，檢查實測APT點是否異常，若有異常程序進行重新采點；若實測APT點無異常，判斷為非異常點，不進行重復采樣；（5）采用同樣的方法完成齒輪中部及另一端位置端平面圓的掃描采樣?？偣苍谂c分度圓同心的上中下位置分別采集三個端平面圓，將三個圓的圓心點擬合成軸線作為坐標系基準；（6）以擬合軸線為主基準建立新的坐標系，機器自動完成后續齒輪精度的測量與評價輸出打印報告。另外，在掃描測量基準時，也可根據需要不做全齒掃描，可根據需要設定適當的掃描齒數，從而節約一定的掃描時間。

3 測量方法分析

以下簡要分析了各種測量方法所引起的誤差的原因，并根據工件的設計及使用功能等說明哪種測量方法更合理，更能真實地反映齒輪的實際質量狀況。

3.1 齒輪測量機測量方法

使用齒輪測量機測量時，需配置專用的工裝進行定位，由于工裝精度、工裝磨損以及定位方法會影響到齒輪的測量精度。在該文中提到的測量方法，包括外圓定位、小徑定位（大徑定位工裝會損傷齒根不作考慮）、齒面定位。第一種方法，由于工裝定位不準確，測量數據不可靠；第二種方法，大都是根據加工基準來確定測量基準，有時甚至是加工和測量工裝共用，雖然測量結果齒輪的精度較高，但不符合工件的使用功能要求，特別是齒輪熱處理變形，該方法不能真實地反映出齒輪實際質量情況，該測量方法不符合設計要求；第三種方法，由于芯軸本身制造精度較高，對于中下精度等級的齒輪測量，工裝本身帶來誤差基本可忽略，該定位測量方法可滿足小型花鍵齒輪的測量要求。對于定位花鍵較大的齒輪，該類芯軸的制造精度及使用的方便性均存在一定問題，在實際使用中不具有可操作性。

3.2 三坐標測量機測量方法

使用三坐標測量機進行測量時，根據圖紙設計要求該類齒輪精度的測量基準為分度圓，實際測量時可測量與分度圓同軸的基準作為測量基準，通過基準轉換同樣可反映分度圓定位基準的實際情況。三坐標測量機可通過編程來實現定位，且不需借助額外的定位工裝，不會引入因工裝精度和裝夾等因素帶來的誤差。測量時僅需使用普通工裝將齒輪固穩，裝夾位置不干涉機器測針的運行，機器即可自動在被測工件上完成采樣，工件的裝夾方式對測量精度無任何影響，同時也能保證機器的重復測量精度。

綜合以上分析，認為采用齒面定位的測量方法符合工件的設計和裝配要求，采用兩種測量設備所獲得結果都是可靠的，其中三坐標測量方法的重復精度更高。

4 結語

通過對以上各種測量方法的分析比對，為了準確地測量該類齒輪件的齒輪精度，無論使用齒輪測量機還是三坐標測量機來測量，關鍵要確保測量基準的合理可靠，即采用花鍵齒面定位。在測量基準統一的前提下，兩種測量設備所測的結果基本一致，均能反映齒輪精度的實際情況。其中三坐標測量機的測量方法，由于不需額外增加精密定位工裝，不僅可避免裝夾引起的誤差，同時也具備很好的通用性，特別是對于大尺寸花鍵類齒輪，工裝自身精度會直接影響齒輪精度的測量。另外，三坐標測量方法同樣適用于各類內齒內的測量，尤其是大型內齒輪限于自身結構及熱處理變形等因素，用常規的方法很難準確地找準測量基準，而三坐標測量機則可實現準確的定位。

參考文獻

[1] 花鍵基本術語（GB/T 15758-2008）[S].2008.

[2] QUINDOS Copyright Leitz Meβtechnik GmbH [P].1994.

（責任編輯：蔣建華）