大半径小弦长零件的测量方法
编者按
本文介绍一种大半径小弦长特征零件的测量方法，可以准确判定零件的球面是否合格，同时进行两端面间球心距的测量。通过理论分析并制作标准量具，使用标准量具对零件球面进行涂色检查，提高了测量结果的稳定性。
1 序言
在机械加工中，有些零件会存在一些特殊的特征，比如其圆弧直径尺寸非常大，但有效的圆弧部分非常短，给加工制造带来一些困难。因为其有效圆弧部分短，所以常规测量手段的测量结果是否准确，就需要进行分析判断。同时，如果知道常规测量手段存在误差，如何对零件进行检测，并且准确地进行反馈，是需要研究的问题。
2 测量存在的问题
图1为零件结构，端面球径为（224.54±0.05）mm，有效的圆弧部分夹角为4°。除了要测量球径外，还要测量两端面外球的中心距离，又会增加一些测量难度。
图1 零件结构
最初使用三坐标测量仪进行测量，测量结果不稳定，分别为Sf 225.03mm、Sf 225.52mm和 Sf225.89mm。利用理论的外球中心来测量外球的极半径值，相差也较大。因此，首先要确定是加工问题还是测量问题，才能找到解决办法。
3 机床的加工能力验证
三坐标测量结果出现极大变化可能是因为测量的有效圆弧面积太小，因此需要将其增大。选用直径为200mm的试件（见图2）进行车削，然后对试件进行测量，测量方式为扫掠打点，多层拟合，其结果为Sf224.5136mm，与标准值相差0.0264mm，说明机床的加工能力满足要求。为了进一步验证结果的准确性，选用不同的三坐标测量仪，采用打点的方式进行测量，测量结果为Sf 224.5155mm，与标准值相差0.0245mm，再次证明了测量结果的稳定性，说明机床的加工能力能够满足加工要求。
图2 试件加工图样及实物
4 确定合理的测量方法
由于使用三坐标测量仪不能满足球径测量要求，所以改用涂色检查法，使用标准量具对零件进行涂色检查。
要想获得理想的测量效果，就要保证标准量具的准确性，因此应对标准量具的加工过程进行确认和控制。
利用前期的经验，使用试件验证加工内球量具的能力。量具试件如图3所示。三坐标测量内球结果为Sf 224.53758mm，与标准值的差值为0.00242mm，说明机床可以加工出精度足够高的量具。
图3 量具试件加工图样及实物
该零件还需要测量两端面圆球的球心距。现已证明，机床的加工能力是满足要求的，因此换一种思路，将球心距转换为圆球最高点进行测量。测量时，量具球面与零件球面接触，量具端面至球面最高点的距离为固定值，可计算得出量具两端面的理论长度值。
5 量具的制作
机床有可靠的加工精度，接下来就是量具的制作。量具的加工图样及实物如图4所示。
图4 量具加工图样及实物
6 测量
涂色检查球面直径的结果如图5所示。涂色剂为红丹粉和机械油的混合物，检查标准为有效面积的70%涂色即可。经检查，零件合格。
图5 涂色检查结果
零件的球面直径为224.54mm，中心距离尺寸为（1.65±0.20）mm。量具制作时，其球面最高点距端面距离为3.42mm，量具的厚度为20mm。通过计算，零件使用量具测量时，长度尺寸L＝224.54＋20＋20－3.42－3.42－1.65＝256.05（mm）。
中心距的公差为±0.20mm。将量具装在零件的两端，通过高度仪进行测量，其结果为256.18mm，偏大，零件合格。零件偏大的原因可能是量具与零件的配合不是非常完美，有局部干涉的地方。图6为零件装夹后的状态及测量方法。
图6 零件装夹后的状态及测量方法
7 需注意的要点
使用该方法进行零件的检测，有几点需要特别注意，否则会影响零件的测量结果，甚至会导致误判。
（1）量具的加工 量具的加工是该方法的重中之重。量具若存在误差，则测量结果必然存在误差。量具上设计有一个小孔，它除了用于穿心轴定位之外，还有一个作用是校正刀具X向的补偿量。由于加工的量具表面为球面，因此刀具不能使用X向的补偿，若使用补偿之后，其球面的圆心会偏离中心线。
同时，由于量具非常小，其外径和有效圆弧面积与零件相似，量具也无法测量。在加工量具时，使用量具试件的加工程序，多余部分空走刀，保证使用验证过的加工程序，从而控制量具的加工质量。
量具的总厚度需要由磨削来保证，以减小测量误差。
（2）零件的球面车削 零件内孔已经存在，零件车削时也要控制刀具X向的对刀，不允许有补偿量。首先需要测量零件的内孔，确定内孔的实测值D；然后在机床上将零件找正，必然会存在一个跳动x1；将刀具慢慢移动，接触至零件内孔表面，此时零件需要旋转。当刀具接触至零件的最低点时，此时应该输入的对刀直径D1＝D－x1。
8 结束语
在确定测量方法时，首先要进行理论分析，确认测量方法的科学性、可靠性和再现性。如果需要制作辅助工装、量具，一定要保证工装、量具的质量，并且要经过验证。
制造技术和测量技术在不断地更新，传统的机械加工方法结合现代高精测量设备，会发挥意想不到的作用。因此在零件的生产制造过程中，要充分利用现有的设备，制定合理的工艺和方法。
本文发表于《金属加工（冷加工）》2021年第4期 46-48页，作者：西安庆安航空机械制造有限公司 刘壮壮，原标题：《大半径小弦长零件的测量方法》。