一種測量內球面對端面對稱度的測量方法研究

于 洋 戴彥辰 盧存祥

（西安動力控制科技有限公司，西安 710077）

在機械設備傳動過程中，球面連接的應用十分廣泛[1]。內球面結構在部件的連接形式中相對穩定，且可以保證靈活旋轉。在內球面加工中，球面對稱度的加工精度直接影響機械設備正常運行的可行性、安全性和可靠性。內球面對與其連接的端面對稱度要求，是保證部件連接的一個重要位置公差要求。由于球面結構的特殊性，通常采用計量的方法來確定球面的中心，以測量其對端面的對稱度。由于對內球面硬度的要求，同時為了提高內球面的尺寸精度及表面，很多內球面需要進行研磨工序。研磨屬于手工作業，每個工件的加工狀態不一致，無法采用計量的方式測量對稱度。因此，本文研究一種了測量內球面對與其連接的端面對稱度的通用測量方法。

1 對稱度概述

1.1 對稱度的概念

對稱度屬于定位公差，是一個3D公差，用于確保工件上兩要素相對于基準平面是一致的[2]。對稱度公差涉及的要素是中心平面（或公共中心平面）和軸線（或公共軸線、中心直線）。對稱度是指被測中心要素應與基準中心要素重合，或者應滿足基準中心要素的精度要求。

對稱度公差是指實際被測中心要素的位置對基準的允許變動量，主要包括被測中心平面相對于基準中心平面（面對面）、被測中心平面相對于基準軸線（面對線）、被測軸線相對于基準中心平面（線對面）和被測軸線相對于基準軸線（線對線）4種形式。

1.2 對稱度的公差帶

對稱度的公差帶是距離為公差值t且相對基準中心平面（或中心線、軸線）對稱配置的兩平行平面（或直線）之間的區域，如圖1所示。

圖1 對稱度公差帶

1.3 對稱度的測量

根據對稱度的概念，對稱度是很難測量的。因為它的公差帶被限制在一個虛擬平面中，所以通常情況下需要設計專用測具或者利用三坐標測量機進行測量。

利用三坐標測量機測量對稱度[3]的基本步驟：（1）建立基準中心平面；（2）測量兩個被測要素的表面；（3）評估所有點對的中心是否落在公差帶范圍內。

利用專用測具測量對稱度[4]的基本步驟：（1）將基準面限定在測具的定位面上；（2）用百分表或千分表測量被測要素的表面；（3）表的偏移量差值即為對稱度數值。

2 某零件對稱度測量方法研究

2.1 技術難點

某掛環類零件如圖2所示，要求其內球面相對基準B的對稱度不大于0.1 mm，同時要求內球面的表面粗糙度為Ra0.8 μm。該內球面的加工流程為“車球面—熱處理—研球面”。零件經過熱處理后，需要對球面再次加工，才可以保證球面的尺寸及粗糙度。因此，需要利用研磨方式對內球面進行精加工，以保證尺寸SФ10+00.016μm和粗糙度Ra0.8 μm。由于研磨為手工操作，每個工件的內球面加工狀態不一致，利用三坐標測量機計量對稱度不允許存在任何問題，嚴重影響生產效率，因此需要設計一種專用測具來測量對稱度。

圖2 掛環零件設計要求

2.2 測具設計

2.2.1 基準座的設計

基準座外形尺寸如圖3所示。其中，基準孔尺寸為Ф11+00.013μm，給定公差較小，保證與量桿配合時的間隙，提高測量精確度。設計一個M12×1-6H內螺紋，保證與表夾螺母的配合。設計一寬度為2的Ф14 mm環槽，便于彈簧的安裝。設計一個M4的內螺紋銷孔，限定量桿的位置與行程，同時要求A表面與B表面的平行度不大于0.02 mm，以及Ф11 mm孔與A表面的垂直度不大于0.02 mm，保證量桿在測量時可以在相對豎直的方向進行測量。由于B表面為與工件基準面配合的表面，所以要求B表面的平面度不大于0.01 mm，確保基準面水平。此外，要求表面粗糙度Ra0.8 μm，保證B表面與基準面貼合完好。

圖3 基準座

整個基準座采用T10A材料并進行熱處理，硬度58～62 HRC，保證其剛性及硬度良好，以延長其使用壽命，降低磨損量[5]。

2.2.2 測量球的設計

設計一個測量球，如圖4所示。該測量球球面尺寸設計為SФ100-0.005mm，較工件球面尺寸SФ10+0.0160mm小，兩者之間配合間隙最大為0.021 mm，可以保證將測量球順利放置于工件球面內。

圖4 測量球

通過理論分析，測量球直徑小于工件球面直徑，兩者在配合時始終保證球面同一位置的高點接觸。在零件翻轉測量時，同樣是球面同一位置的高點接觸，且利用測量球的同一端面作為測量面。這樣設計的原因是保證測量球的尺寸公差不占有對稱度的公差，如圖5和圖6所示。

圖5 測量球與工件接觸點

圖6 測量球與工件接觸點放大圖

設計測量球的厚度為5.6 mm，工件球面厚度為5 mm。將測量球置于工件內時，單邊會凸出0.3 mm的端面，使得量桿可以測量到測量球的端面。

2.2.3 量桿的設計

設計一個量桿，如圖7所示。

圖7 量桿

設計該量桿的直徑為Ф11-0.006-0.017mm，便于與基準座的引導孔配合。設計一個Ф6 mm×4 mm的凸臺，使之與彈簧連接。設計一個Ф5 mm×5 mm的凸臺，使其在測量時深入內球面與孔配合，用作引導，使測量更加穩定。尺寸5上端面粗糙度要求Ra0.2 μm，保證與測量面接觸光順，提高測量準確度。設計一個深度為1 mm、長度為8 mm的U型槽，使其與基準座連接時限制其位置與行程。

2.3 測量方法

對基準座、測量球、量桿、百分表、工件、進行裝配測量，如圖8所示。測量時，將測量球通過零件端面開口槽置于工件內球面內，再將工件置于基準座的基準平面上，向下壓表，讀取數值A。翻轉工件，同時翻轉測量球，目的是保證測量球與工件的接觸點與第一個基準面測量時保持一致，同時確保測量端面是同一端面，隨后向下壓表，讀取數值B。于是，工件內球面對端面的對稱度即為A-B。

圖8 測具裝配圖

4 結語

通過分析對稱度的公差帶、分類以及測量方式，設計了一種測具及并提出了一種測量方法，解決了內球面對端面對稱度的測量問題，擺脫了此種對稱度的測量需要100%進行計量的束縛，提高了檢測精確度及檢測效率，并為類似的球面對端面的對稱度的測量提供了一種新思路與新方法。