車削工件寬度尺寸在機精密檢測方法的研究

盛國棟

(浙江工業職業技術學院， 浙江 紹興 312000)

在制造業中，數控車削是數控加工中應用最多的加工方法之一[1]。在數控車削加工中，所加工的工件類型有很多種，工件結構也有很多變化。隨著當今科技水平的不斷進步，工件的結構越來越復雜，零件的尺寸精度要求也越來越高[2]。現如今，車削加工中心、車銑復合加工中心等一些高端加工設備也越來越普及。相對應的車削加工零件的輪廓也是越來越復雜，其精度要求也是越來越高，在實際加工中影響加工精度的因素錯綜復雜[3]。想要保證工件高精度的加工要求，就需要使用相應的高精度量具進行在機測量。

在車削加工工件中，主要精度尺寸分為徑向尺寸和軸向尺寸兩種。其中徑向尺寸在機檢測較為簡單。可以使用外徑千分尺、葉片千分尺、公法線千分尺等量具進行直接檢測。而軸向尺寸的測量就相對復雜，不同類型的軸向尺寸需要使用不同類型的量具。常用的軸向尺寸測量量具有游標卡尺、公法線千分尺、內測千分尺等。而這些量具的使用必須保證兩個平面的測量點在同一直徑范圍上才能檢測。而加工中經常遇到有一些寬度尺寸的兩個測量平面不在同一直徑范圍上(如圖1所示)，圖中L1、L2、L3這3個尺寸，其測量面都不在同一直徑范圍內，這樣的尺寸在加工過程中無法使用直接檢測法檢測，也沒有合適的量具可以在直接測量的同時保證較高的測量精度。盡管羅太景等提出過關于多功能游標卡尺的改進措施[4]，但也不足以解決所有寬度尺寸的測量難題。遇到該類尺寸，通常是需要把工件拆卸下來后通過高度尺或三坐標進行檢測[5]，無法實現在機檢測。本文就此加工難題設計了一整套測量裝置和檢測方法，可以很好地解決寬度尺寸在機精密檢測的難題。

1 車削工件寬度尺寸精確測量裝置的設計

在數控車削加工中，杠桿百分表[6]、杠桿千分表等是常見的定位找正工具。在控制工件平行度和同軸度時，就需要用到杠桿百分表。杠桿百分表在檢測平行度時，可以通過平面壓表量的大小，很直觀地在表盤上讀取出壓表量。本文根據杠桿百分表的測量原理，設計出能結合機床測量寬度尺寸的測量裝置。其基本原理就是利用機床面板讀取機床移動距離，利用杠桿表記錄壓表量，結合兩者數據進行計算后得出工件兩平面間的軸向測量距離，從而實現在機檢測。

如圖2所示，車削工件寬度尺寸精確測量裝置，是由磁性表座、連接桿、杠桿千分表等裝置組合而成。整個裝置是以磁性表座為基座，用連接桿和燕尾連接柄把杠桿千分表和基座連接在一起。

該檢測裝置的優點有：(1)不受寬度尺寸測量面位置的限制，幾乎可以測量任何形式、任何位置的寬度尺寸。(2)該檢測裝置測量精度較高，配合使用杠桿千分表檢測，其測量精度可達到0.001 mm。(3)該檢測裝置可實現在機檢測，工件加工過程中無需拆卸，可實現加工余量實時監測，加工精度實時檢驗。

1.1 表座的選擇

磁性表座是整個測量裝置的基座。在檢測時是以磁性表座底面吸附到刀架側面上(如圖3)進行測量裝置的定位。吸附力的大小也會影響到定位的精度和測量過程中的穩定性。所以要選擇較大吸力的表座。同時，要保證表座地面的吸附面平整，使測量裝置定位可靠。

1.2 連接桿的選擇

測量裝置的連接桿是固定磁性表座和杠桿千分表的主要支撐單元。其支撐桿的穩定性直接影響到檢測時的測量精度。如果使用較細小的連接桿或者直接使用萬向磁性表座的連接桿，會導致千分表和磁性表座的連接不夠穩定，最終使檢測產生誤差。在此推薦使用自制連接桿。

連接桿可以根據圖4加工。使用螺紋連接的方式連接磁性表座。其材料可以使用45鋼、不銹鋼、模具鋼等，保證其連接的穩定可靠。在加工φ8 mm孔時，需要保證φ8 mm孔自身的尺寸精度和與A基準面的平行度，以確保整個測量裝置裝配好后，能保證杠桿千分表與被測工件軸線的垂直度，以提高測量的精度。

1.3 杠桿表的選擇

在該測量裝置中，杠桿表是最重要的測量裝置。杠桿表的選擇直接關系到測量精度的高低和測量穩定性的好壞。在此，為了提高測量的精度，推薦使用杠桿千分表。杠桿千分表的測量精度可達到0.001 mm，但測量范圍只有1 mm左右。如果使用杠桿百分表，雖然測量范圍可增加至3 mm左右，但其測量精度只能達到0.01 mm。所以相比之下，杠桿千分表的測量精度更高。

同時，杠桿千分表的測頭擺動方式也有上下擺動和左右擺動兩種。加工中常用的杠桿表都是上下擺動的。但是在該測量機構中，如果使用上下擺動的千分表，就需要把千分表旋轉90°進行安裝(如圖5所示)。在這種安裝方式中，測量時讀取表盤刻度就顯得較為不便。因為整個測量裝置是利用磁性表座吸附在機床刀架上的，所以受到機床刀架的干涉影響，讀數時無法直接面對表盤，如果傾斜一定角度進行讀數，那么讀數時就會存在一定的斜角誤差，而讀數的誤差也會直接影響到測量的最終結果。所以在條件允許的情況下，還是推薦使用左右擺動式千分表。這樣在檢測時可以直接面對表盤讀數，可以避免讀數誤差，提高測量精度。

2 檢測裝置的使用方法

2.1 單方向尺寸的檢測方法

在工件加工過程中，單方向臺階尺寸(如圖1)中L1尺寸在檢測過程中，沒有合適的量具可以直接檢測。如果該尺寸精度要求較高，則常規測量方法就無法滿足加工需要，就需要使用檢測裝置用打表測量的方法進行檢測。

檢測時，先將檢測裝置利用磁性表座吸附在車床刀架側面。然后使用手動或手輪進給的方式，使杠桿千分表測頭壓到平面1(如圖6所示)。記錄壓表量為Δ1，為了保證測量的準確性，通常壓表量控制在0.05 mm以內。同時將機床面板的坐標值歸零。然后移動刀架(參考圖6打表軌跡)，將測頭壓到平面2，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機床面板的坐標值記為Z1。此時Z1就是機床從平面1到平面2的移動距離。則該尺寸L1為：

L1=Z1+Δ1-Δ2

(1)

式中：Z1為機床Z軸坐標移動量；Δ1為平面1壓表量；Δ2為平面2壓表量。

2.2 槽寬尺寸的檢測方法

如圖1所示，其L2尺寸就是槽寬尺寸。在該尺寸的檢測中，由于尺寸兩側面高度不一致，所以無法使用內測千分尺或游標卡尺直接測得。同樣需要使用打表方法進行檢測。

如圖7所示，在槽寬尺寸檢測時，使用手動或手輪進給的方式，使杠桿千分表測頭壓到平面3。記錄壓表量為Δ1，同時將機床面板的坐標值歸零。然后移動刀架(參考圖7打表軌跡)，將測頭壓到平面2，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機床面板的坐標值記為Z2。此時Z2就是機床從平面3到平面2的移動距離。在整個打表過程中，兩次壓表的方向是相反的，所以杠桿千分表本身反向間隙無法從表盤刻度上體現出來，所以需要加入杠桿千分表本身的反向間隙ω。則該尺寸L2為：

L2=Z2+d-Δ1-Δ2-ω

(2)

式中：Z2為機床Z軸坐標移動量；d為測頭的直徑；Δ1、Δ2分別為平面3和平面2壓表量；ω為杠桿千分表的反向間隙。

在此，需要強調ω為杠桿千分表的反向間隙，就是杠桿千分表在兩個方向壓表時中間的空隙值。其表反向間隙的數值會直接影響到檢測結果。所以在檢測工件之前，就需要對杠桿千分表的反向間隙做出測定。只有精確測定了杠桿千分表的反向間隙，才能準確計算出所測寬度尺寸的具體數值。

2.3 槽間厚度尺寸的檢測方法

如圖1所示，其L3尺寸就是槽間厚度尺寸。在該尺寸的檢測中，由于尺寸兩側面高度不一致，所以無法使用游標卡尺或公法線千分尺直接測得。也需要使用打表方法進行檢測。

如圖8所示，在槽間厚度檢測時，使用手動或手輪進給的方式，使杠桿千分表測頭壓到平面1。記錄壓表量為Δ1，同時將機床面板的坐標值歸零。然后移動刀架(參考圖8打表軌跡)，將測頭壓到平面4，記錄壓表量為Δ2。然后讀取機床面板的坐標值記為Z3。此時Z3就是機床從平面1到平面4的移動距離。同理，兩次壓表的方向是相反的，所以需要加入杠桿千分表本身的反向間隙ω。則該尺寸L3為：

L3=Z3-d+Δ1+Δ2+ω

(3)

式中：Z3為機床Z軸坐標移動量；d為測頭的直徑；Δ1、Δ2分別為平面1和平面4壓表量；ω為杠桿千分表的反向間隙。

3 杠桿千分表反向間隙測定方法

在槽寬尺寸和槽間厚度尺寸的測量過程中，兩次壓表的方向是相對的，所以杠桿千分表本身反向間隙無法從表盤刻度上體現出來，就需要提前得知該杠桿千分表的反向間隙。此時，可以利用步距規和槽寬打表方法反求杠桿表的反向間隙。

步距規主要用于數控機床直線軸定位精度、重復定位精度和在機測量系統精度的檢測[7]。在檢測杠桿千分表的反向間隙時，也是最佳的檢測工具。如圖9所示，將步距規固定在機床上并找正，使用槽寬尺寸檢測方法或槽間厚度尺寸檢測方法進行打表測量。既可用公式(2)或者公式(3)反求出杠桿表的反向間隙ω的值。

例如：使用槽寬尺寸打表方法檢測步距規10 mm槽寬尺寸，若第一次壓表量Δ1=0.021 mm，第二次壓表量Δ2=0.033 mm，機床移動量為8.060 mm，則可利用公式(2)計算：

L2=Z2+d-Δ1-Δ2-ω

則：10=8.06+2-0.021-0.033-ω即：ω=0.006 mm

通過計算可得，杠桿千分表的反向間隙ω為0.006 mm。

但不同品牌的杠桿千分表其反向間隙都不同，就算同一品牌的杠桿千分表，反向間隙也會有細微的差別。所以每個杠桿千分表的反向間隙都需要經過測定。同時，測量時如果存在測量面不潔凈、表架安裝不夠穩固、測桿與測量方向不垂直等因素，也會造成測量誤差[8]。所以在計算杠桿表反向間隙時，需多測量幾次，取平均值。

4 結語

(1)在數控車削加工中，經常遇到一些無法直接測量的寬度尺寸。該類寬度尺寸兩個測量面不在同一直徑上，無法直接測量。針對此類尺寸，可用磁性表座和杠桿千分表組合的測量裝置進行在機檢測，可達到較高的測量精度。

(2)在磁性表座、連接桿的選擇中，需要保證的是整個測量裝置的穩定性。在杠桿表的選擇中，需要保證的是讀數的便捷性和杠桿表的精度。

(3)在使用該測量裝置進行檢測時，可根據測量面分布方式的不同，分成單方向尺寸的檢測方法、槽寬尺寸的檢測方法、槽間厚度尺寸的檢測方法三種。每一種測量方法對應一種尺寸類型，能做到精確在機檢測。

(4)由于在槽寬尺寸和槽間厚度尺寸的測量過程中，兩次壓表的方向是相對的，需要求得杠桿百分表的反向間隙。對此，可以利用步距規和槽寬打表方法反求杠桿表的反向間隙。

[1] 華茂發.數控機床加工工藝 [M].2版. 北京：機械工業出版社，2010.

[2] 陳天馳,楊海峰,趙恩蘭,等.超聲振動車削的研究現狀[J].組合機床與自動化加工技術，2013(7):5-8.

[3] 鞏亞東,范智廣,鄭敬超.數控車削加工精度分布規律研究[J].工具技術，2011，45(5):57-59.

[4] 羅太景,吳杰.多功能游標卡尺的改進設計[J].煤礦機械，2012(2):180-181.

[5] 白月飛,高青松,金偉.淺談三坐標測量機及其應用[J].現代制造技術與裝備，2009(6):29-31.

[6] 周斌,王斌,林慶,等.杠桿百分表的誤差分析與調修探討[J].東方電機，2010(3):83-89.

[7] 王曉宏,唐軍,張帆,等.步距規使用方法改進[J].工具技術，2014，48(8):141-144.

[8] 何曉凌.杠桿表的原理誤差及對測量的影響[J].計量與測試技術，2010(10):45-47.