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精密转子垂直度量具误差分析与优化设计

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 213次

  要: 对于外圆相对端面有较高垂直度要求的一类精密转子零件,修研端面过程如何实现垂直度的及时测量是提高修研精度和效率的关键。本文结合精密转子的制造,设计了一种垂直度量具,建立起测量模型,通过对测量误差的分析,优化量具的关键参数设计。该量具结构简单,测量精度高(≤0.001),完全满足精密研磨过程的现场垂直度测量需求。该量具也同样适用于精密内孔与端面的垂直度测量。

关键词:精密转子   垂直度   现场测量

中图分类号:TH12

Error Analysis and Optimization of Verticality Measuring Tool with Precision Rotor Parts

ZHANG Xiaoqiang ZHOU Lin YI Zhongquan

( Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of Engineering and Physics, Sichuan Mianyang 621900, China)


Abstract: For a class of rotor parts that require higher degree of vertical precision between cylindrical surface and end surface, how to measure it online during manufacturing process is the key factors that affecting the accuracy and effectiveness. For the precision manufacturing process of rotor parts, there  designed a verticality measuring tool, established measurement model and analyzed the measurement error, then optimized the key parameters of the measuring tool. The measuring tool have simple structure, high accuracy (0.001), and fully meet the needs of process measurement. The measuring tool can also be used in vertical measurement about bore and its end surface.

Key Words: Rotor  Verticality   Process Measurement 


 


0 前言

精密转子广泛应用于机械加工和测量领域,通常要求具有较高的圆度、圆柱度,某些场合下还要求端面相对外圆具有较高的垂直度。本文的应用对象如图1所示。制造该类转子首先精磨外圆,再以外圆为基准,修研端面,同时满足平面度和垂直度要求。其中,修研端面依靠手工完成,其关键在于修研的过程需要随时测量端面相对外圆的垂直度变化,以调整修研策略。传统的三坐标测量机测量效率低,操作过程复杂,且对环境要求较高,不适用于加工现场的测量。基于相对测量原理[4],本文设计了一种垂直度量具,以该量具为研究对象,对其测量误差的产生机制进行分析,进而指导结构设计优化。

图1 转子

 

1 垂直度量具简介

量具如图2所示,图3为测量示意图。测量过程基于三点假设:

1)  转子基准面B为理想平面,平面度为0

2)  精密平台为理想平面,平面度为0

3)  被测转子各截面圆为理想圆,圆度为0

测量时将基准进行转换,以被加工面,即转子B面为基准,测量外圆相对基准B面的垂直度。实际操作过程是将转子B面向下置于精密平台,工装两球头和转子下端外圆面接触定位,千分表测头与转子上端外圆面接触压表,记录千分表读数。沿圆周方向移动量具,记录不同分度位置处的千分表读数,读数最大差值δmax的一半,即δmax/2为转子外圆相对基准面B的垂直度[1]。若要得到端面相对外圆基准的垂直度,则只需做一变换:(δmax/2)×(ØD / H),其中ØD为转子外圆直径,H为转子长度。通常H>ØD,因此,将基准进行转换以后的测量也可以被认为是将转子端面相对外圆基准的垂直度误差进行了放大测量,在同一测量条件下,测量精度和测量分辨率更高。

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

千分表

工件


2 测量误差分析

上节提到三点假设,实际也是误差来源的三个方面。其中基准面B是待加工表面,测量的目的是为了获得垂直度偏差的趋势和方向,其影响可以忽略,需要注意的是修研时尽可能将该面控制成“凹”形,以避免测量时转子晃动,影响测量结果。精密平台选用“000”级平台,平面度约0.5μm,实际使用的局部范围精度更高,因此该部分误差也可忽略不计。三点假设中的最后一点,转子外圆是影响测量的关键,由测量过程分析可知,局部圆度偏差[2]会导致检具球头定位误差。本文重点讨论检具球头球心距、局部圆度偏差综合作用下的测量误差。

定性分析可知,当球心距很大,接近转子外圆直径与两个定位球半径之和时,极小的局部圆度偏差就可能导致很大的测量误差,甚至当球心距等于外圆直径与两个定位球半径之和时,已无法实现量具定心,测量误差无穷大;当球心距很小,接近圆度误差时,无法实现量具定向,导致测头法线随机偏移,误差无穷大。由此,球心距存在一个优化的极值点,能够将转子外圆圆度误差对测量误差的影响降低到最小。

误差几何模型如图4所示,其中:

R---转子外圆半径;

---转子外圆半径差,即圆度误差;

r---定位球头半径;

e---定位球头球心距;

L---测头与外圆面的距离,即千分表示值。

4 误差来源几何模型

由该模型得到如下方程:

                                                 式(1

解方程:

,,,            式(2

最大差值:

-                                                     式(3

以该Ø100转子为测量对象,即R=50,同时假设=0.001r=5e=[0.05,106],计算,如图5所示。

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

e(mm)

e(mm)

δmax

(mm)

δmax

(mm)

5 计算结果

结论:

1),约为圆度误差0.001的一半,量具无法完全避免由圆度误差引起的测量误差;

2)由图,当球心距e靠近取值区间两端时,误差陡增,当e[0.08,100]时,测量误差不超过1μm,因此,球心距有很宽的选择区间。

实际应用时,e过小容易导致操作过程中球头与圆柱面接触不充分,引入粗大误差,因此一般取e=30mm,此时圆度误差的导致的测量误差在可接受的范围内。

3 量具对比测量验证

为了验证所设计的垂直度量具的测量精度,同一转子分别利用该量具和三坐标测量机测量垂直度,对比结果见下表1

表1 垂直度测量

 

量具测量(μm

三坐标(μm

转子φ100外圆与端面垂直度

1

0.6

实际应用表明,该量具综合测量精度优于1μm,适用于高精度转子、内孔等回转类零件端面垂直度的测量[4]

参考文献:

[1]           产品几何技术规范(GPS)形状和位置公差检测规定(GB/T1958-2004)[S].北京:中国标准出版社,2004:2

[2]           产品几何技术规范(GPS)圆度 第1部分:词汇和参数(GB/T24632.1-2009)[S].北京:中国标准出版社,2009:2

[3]           魏全浩.两种检测垂直度误差的简便方法[J].通用机械,2003(3):64-65

[4]           何洪山.孔与端面垂直度的测定[J].机械制造,1994(12):11

作者简介:

张小强,男,工程师,19869月,中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,研究方向为精密加工

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