小型制冷壓縮機活塞形位誤差檢測實驗設計與分析

杜益剛

(中車青島四方機車車輛股份有限公司, 山東　青島　266000)

0　引言

制冷壓縮機的性能與活塞的質量直接相關，無論是生產廠家還是用戶都非常注重活塞的質量，所以高精度、高效率地檢測活塞形位誤差是非常必要的[1]。國外在形位誤差的檢測與評定方法上較為領先[2]，如美國專門從事坐標測量及表面測量的North Carolina State University的實驗室就有Federal Formscan 3600圓柱度儀等；近年來，我國在形位誤差測量方面有十分顯著的進步，如北京機電研究院成功研制出圓柱度儀[3]，青島四方公司與北京工業大學合作開發了多功能形位誤差測量系統[4]。但上述這類專業測量系統的應用范圍較狹窄，只針對特定的形位誤差，專門針對中國市場開發的經濟型測量設備幾乎沒有[5]。

1　活塞加工過程中關鍵誤差的研究

1.1　打標位置的分析與確定

活塞壓標位置不同，所引起的形位誤差也不同，利用有限元進行分析計算，對壓標位置的確定給予理論上的指導。在此選取了兩個適合后續工序要求的位置進行分析。

如圖1所示，在200 N的壓力下，位置1形位誤差為：圓度誤差5.6 μm，圓柱度誤差7.5 μm，對稱度誤差12.0 μm。位置2形位誤差為:圓度誤差10.5 μm，圓柱度誤差13.7 μm，對稱度誤差16.2 μm。

1.2　形位誤差測量方法的確定與分析

1.2.1圓度誤差

圖1　打標位置有限元分析

1.2.2圓柱度誤差

1.2.3對稱度誤差

首先，對實驗所要用到的檢驗棒進行定位，使其徑向軸線成為基準軸線；然后，將萬能千分表架放在平臺上，再將杠桿千分尺安裝在萬能千分表架的適當位置上，使得測頭與檢驗棒上的母線各測量點接觸在適當的位置上，找出基準軸線；最后，對活塞對稱度誤差進行檢測。

2　V型塊的選用與分析

V型塊的精度是保證活塞測量精度的基礎，因此人們只能使用而不能對其任意調整，所以及時發現問題，并加以修改是非常必要的。需要解決V型塊與活塞的干涉問題，檢驗V型塊是否與活塞匹配。首先，在V型塊的定位、夾緊和測量時，有時會發生干涉，需要及時發現問題，并加以改正；再次，需要調整V型塊在絲杠上滑動時是否靈活，以及夾緊時力度的大??；最后，需要保證V型塊定位與千分表測量的穩定性，通常來說，可以選用質量最好的合適活塞進行調整，大量多次的重復測量其穩定性。

3　活塞形位誤差檢測實驗

3.1　圓度和圓柱度檢測實驗

通過測量活塞端面的半徑變化量求活塞圓度和圓柱度誤差，實驗的器具主要有：V型塊、千分表、旋轉驅動裝置、尾座和活塞。測量系統的度量指標如下：分度范圍0°<θi<360°，分度精度為1′，徑向測量范圍為0 mm～12 mm，徑向示值范圍為0.2 mm，分度值為0.001 mm。圓度、圓柱度測量系統的結構如圖2所示。

1-V型塊；2-被測活塞；3-旋轉驅動裝置；4-千分表：5-尾座

實驗步驟如下：①將活塞固定在V型塊與尾座之間；②將千分表固定在工作臺上，找最大值轉折點調零；③開動旋轉驅動裝置，使得每次旋轉θi=30°，讀取千分表上的圓度值，即ri，共12個。根據測量結果(如表1、表2所示)，得出活塞的圓度誤差f與圓柱度誤差t。

表1　圓度測量數據記錄

表2　圓柱度測量數據記錄

所測活塞的直徑為40.3 mm，根據相應公差等級，圓度、圓柱度公差標準為11。由此可見，圓度和圓柱度誤差均在公差范圍內，所以活塞打標后圓度和圓柱度合格。

3.2　對稱度檢測實驗

在平臺上測量活塞銷孔對稱度誤差實驗所用器具有：平臺、V型塊、檢驗棒、萬能千分表架、杠桿千分表架、活塞。測量系統的度量指標如下：示值范圍為0.1 mm，分度值為0.001 mm。測量系統的結構如圖3所示。

1-V型塊；2-被測活塞；3-檢驗棒；4-千分表；5-尾座

實驗步驟如下：①定位檢驗棒，使其徑向軸線成為基準軸線，將萬能千分表架放在平臺上，測量檢驗棒兩個截面，觀察千分表讀數，并將檢驗棒的軸線作為基準軸線；②用V型塊夾緊活塞，檢驗棒與銷孔配合，將杠桿千分尺安裝在萬能千分表架上，使得測頭與檢驗棒上的母線各測量點接觸在適當的位置上。任選3個端面C-C、D-D、E-E，用千分表分別測量端面處各點讀數。每個端面分別取3個點記錄數據，即C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3。其中起始端讀數即為qi，對側讀數即為qj。

表3　對稱度測量數據記錄

經查活塞的對稱度公差標準為20 μm，由上述對活塞對稱度的檢測可知，活塞對稱度誤差為12.8 μm，符合所要求的精度。

3.3　實際測量驗證

壓標設備如圖4所示。實驗驗證條件：壓力為200 N(廠方實際應用壓標壓力)，壓標時間為0.2 s。

圖4　活塞打標樣機

位置1：圓度誤差為5.8 μm，圓柱度誤差為7.3 μm，對稱度誤差為11.3 μm。

位置2：圓度誤差為9.3 μm，圓柱度誤差為11.2 μm，對稱度誤差為15.3 μm。

由以上驗證可知，位置1打標時，活塞的各項誤差值均在正常范圍內；在位置2打標時，活塞的圓柱度誤差明顯超差，影響了活塞零件的使用。故應選擇在位置1打標。

4　結語

本文通過對制冷壓縮機活塞形位誤差的分析與研究，考慮到影響因素的關鍵程度和現實中實驗條件(包

括加工過程、打標、夾具的精度)，制定了具體的測量方案。根據外部關鍵影響因素搭建測量設備，避免了人為旋轉活塞造成的角度誤差、振動等外部原因，提高了測量的精度；依據提出的關鍵影響因素和搭建的實驗臺組織實驗，通過對活塞圓度誤差、圓柱度誤差、對稱度誤差的測量實驗，得出每組實驗數據，進行標準圖紙顯示形位公差的對比分析。針對目前工廠中存在的打標變形問題，給予理論上的分析，并為廠方提供了解決方案，滿足了廠方要求。

參考文獻：

[1]莫姣.凸輪軸形位誤差在線測量方法的研究[J].上海交通大學,2011(5):33-34.

[2]王瑞.形位誤差評定理論的發展狀況[J].遼寧師專學報,2005，7(2):13-15.

[3]呂會賓.多功能形位誤差測量系統的研制與應用[J].重型機械科技,2002(2):7-8.

[4]Chen Muchen.Roundness measurement for discontinuous perimeters via machine visions[J].Computer in Industry,2002(47):185-197.

[5]李朝國.千分表測量平面度誤差原理方法及數據處理[J].金屬加工,2012(6):96-97.