□ 田正芳 □ 陳勝遷 □ 張世國(guó)

1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南張家界 427000 2.張家界汽車(chē)配件股份有限公司 湖南張家界 427000

1 汽車(chē)后橋減速器殼體垂直度要求

汽車(chē)后橋減速器殼體是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中支撐兩軸線垂直相交的錐齒輪殼體類(lèi)零件,殼體中兩組圓柱孔安裝兩組軸承,以支撐兩組錐齒輪實(shí)現(xiàn)嚙合,進(jìn)而將發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)扭矩輸出至兩個(gè)后輪。為保證兩組錐齒輪的安裝及嚙合精度,設(shè)計(jì)圖紙對(duì)兩組軸承孔的軸線提出了較高的垂直度要求。

汽車(chē)后橋減速器殼體圖低如圖1所示。其中:φ80 mm與φ100 mm圓柱孔為安裝錐齒輪的一組軸承孔,兩者的公共軸線為H-K;兩個(gè)φ90 mm半圓孔為另一組錐齒輪的軸承孔,兩者的公共軸線為A-B。設(shè)計(jì)要求公共軸線A-B對(duì)公共軸線H-K的垂直度公差為0.05 mm。

汽車(chē)后橋減速器殼體實(shí)物如圖2所示,減速器總成如圖3所示。

2 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)概況

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種新型高效率精密測(cè)量?jī)x器,具有測(cè)量精確可靠、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀、相互位置的測(cè)量,能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)及自動(dòng)化測(cè)量。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求為公共軸線A-B相對(duì)于公共軸線H-K的垂直度公差為0.05 mm。筆者選用雷頓Miracle系列NC564三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),X、Y、Z方向行程依次為500 mm、600 mm、400 mm,示值精度為2.1+3.3L/1 000 μm,探測(cè)精度為2.2 μm,L為被測(cè)尺寸。采用TP20測(cè)座,碳纖維加長(zhǎng)桿接十字測(cè)針。

▲圖1 汽車(chē)后橋減速器殼體圖紙

▲圖2 汽車(chē)后橋減速器殼體實(shí)物

▲圖3 汽車(chē)后橋減速器總成

3 裝夾

汽車(chē)后橋減速器殼體裝夾方案如圖4所示。汽車(chē)后橋減速器殼體放置于兩個(gè)等高墊鐵上,使公共軸線H-K大致垂直于工作臺(tái)平面,并防止十字測(cè)針測(cè)φ80 mm圓柱孔時(shí)碰撞工作臺(tái)。同時(shí)將φ90 mm半圓孔軸線大致平行于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)械坐標(biāo)軸X軸,防止十字測(cè)針與φ90 mm半圓孔半圓柱面產(chǎn)生干涉。為防止慣性使汽車(chē)后橋減速器殼體產(chǎn)生位移,用熱熔膠在汽車(chē)后橋減速器殼體與墊鐵、工作臺(tái)面之間進(jìn)行固定。

▲圖4 汽車(chē)后橋減速器殼體裝夾方案

4 垂直度誤差測(cè)量

先采用手動(dòng)方式粗建測(cè)量坐標(biāo)系。測(cè)量基準(zhǔn)C平面作為Z軸零點(diǎn),分別測(cè)量左右φ90 mm半圓孔半圓柱面各一個(gè)界面圓,擬合為公共軸線,作為X軸。測(cè)量φ235 mm圓,其投影在基準(zhǔn)C平面上的圓心為X軸、Y軸的原點(diǎn)。為避免手動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生誤差,通過(guò)軟件編程自動(dòng)測(cè)量上述元素,修正坐標(biāo)系以提高精度。

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的是兩組孔公共軸線的垂直度,而軸線是虛擬元素,不能夠通過(guò)直接測(cè)量得到。對(duì)此,測(cè)量每個(gè)孔上至少兩個(gè)截面圓,將φ80 圓柱孔的兩個(gè)截面圓與φ100 mm圓柱孔的兩個(gè)截面圓擬合構(gòu)造為公共軸線H-K,將左側(cè)φ90 mm半圓孔的兩個(gè)截面圓與右側(cè)φ90 mm半圓孔的兩個(gè)截面圓擬合構(gòu)造為公共軸線A-B。公共軸線擬合構(gòu)造如圖5所示。

▲圖5 公共軸線擬合構(gòu)造

根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求,被測(cè)要素為φ90 mm半圓孔的公共軸線A-B,基準(zhǔn)要素為φ80 mm圓柱孔與φ100 mm圓柱孔的公共軸線H-K,因此在軟件界面中,將公共軸線A-B的實(shí)際元素拖入公差計(jì)算被測(cè)元素框,將公共軸線H-K的實(shí)際元素拖入?yún)⒖荚乜?公差帶中輸入0.05 mm,得到公共軸線A-B對(duì)公共軸線H-K的垂直度公差為0.055 mm,顯然測(cè)量結(jié)果表明該項(xiàng)公差已經(jīng)超出圖紙的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)實(shí)際加工情況,再以公共軸線A-B為基準(zhǔn),測(cè)量公共軸線H-K相對(duì)于公共軸線A-B的垂直度公差,結(jié)果為0.034 1 mm,在圖紙的設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。那么,究竟該如何判定呢？

為避免測(cè)量時(shí)操作者或機(jī)器測(cè)量系統(tǒng)自身誤差的影響,筆者在測(cè)量另一汽車(chē)后橋減速器殼體時(shí)特意進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在同樣符合測(cè)量環(huán)境要求的前提下,兩個(gè)公共軸線的垂直度公差在交換基準(zhǔn)后輸出的結(jié)果有明顯不同。

兩例測(cè)量結(jié)果顯示,以公共軸線H-K為基準(zhǔn)評(píng)價(jià)公共軸線A-B的垂直度公差,結(jié)果大于以公共軸線A-B為基準(zhǔn)評(píng)價(jià)公共軸線H-K的垂直度公差。

5 傳統(tǒng)方法檢測(cè)與裝配驗(yàn)證

為解決汽車(chē)后橋減速器殼體合格判定問(wèn)題,筆者與汽車(chē)后橋減速器殼體生產(chǎn)廠家張家界汽車(chē)配件有限公司的技術(shù)工程師采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法,標(biāo)準(zhǔn)芯棒與測(cè)量孔貼合,模擬孔的軸線,將汽車(chē)后橋減速器殼體放置于檢測(cè)平臺(tái)上,用百分表測(cè)量被測(cè)軸線的垂直度。傳統(tǒng)檢測(cè)方法如圖6所示。將基準(zhǔn)芯棒與軸套1、軸套2分別裝入φ80 mm與φ100 mm圓柱孔,校正基準(zhǔn)芯棒軸線垂直或者水平,保證汽車(chē)后橋減速器殼體不沿軸線移動(dòng),繞基準(zhǔn)芯棒旋轉(zhuǎn)汽車(chē)后橋減速器殼體180°,百分表觸頭接觸φ90 mm半圓孔的最低表面,兩處百分表指針的最大讀數(shù)差值即為垂直度公差。經(jīng)檢測(cè),第一件汽車(chē)后橋減速器殼體為合格,第二件汽車(chē)后橋減速器殼體由于φ80 mm與φ100 mm圓柱孔軸線存在較大的同軸度誤差,芯棒不能穿過(guò)兩個(gè)軸套而無(wú)法檢測(cè)。且經(jīng)產(chǎn)品組裝驗(yàn)證,第一件汽車(chē)后橋減速器殼體裝配后可以正常工作,說(shuō)明三坐標(biāo)檢測(cè)以公共軸線H-K為基準(zhǔn)評(píng)價(jià)公共軸線A-B的垂直度公差可能發(fā)生誤判。

▲圖6 傳統(tǒng)檢測(cè)方法

6 原因分析

6.1 生產(chǎn)工藝造成孔軸線錯(cuò)位

經(jīng)向汽車(chē)后橋減速器殼體生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員了解,汽車(chē)后橋減速器殼體與軸承座組合后進(jìn)行加工,φ90 mm半圓孔為同一主軸頭鏜刀桿一次性精鏜完成,φ80 mm與φ100 mm圓柱孔分別由兩個(gè)不同的主軸鏜頭從兩個(gè)方向精鏜完成。兩個(gè)φ90 mm半圓孔由一個(gè)鏜頭一次性鏜削完成,孔的同軸度要求容易保證。φ80 mm與φ100 mm圓柱孔分別由兩個(gè)鏜頭鏜削完成,孔的同軸度受機(jī)器主軸同軸精度影響,如果加工過(guò)程中發(fā)生碰撞,會(huì)造成更大的同軸度誤差。汽車(chē)后橋減速器殼體鏜孔過(guò)程如圖7所示。

▲圖7 汽車(chē)后橋減速器殼體鏜孔過(guò)程

6.2 基準(zhǔn)軸線擬合構(gòu)造因偏轉(zhuǎn)角度而導(dǎo)致誤差放大

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1958—2004《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)形狀和位置公差檢測(cè)規(guī)定》,垂直度公差為相對(duì)位置公差,即被測(cè)要素的實(shí)際方向?qū)τ诨鶞?zhǔn)相垂直的理想方向之間所允許的最大變動(dòng)量,也就是圖紙中給出的用以限制被測(cè)要素偏離垂直方向所允許的最大變動(dòng)范圍。公共軸線A-B對(duì)公共軸線H-K的垂直度公差帶為垂直于公共軸線H-K的圓柱面所限定的區(qū)域,且公差值為φt,如圖8所示。

▲圖8 圖紙垂直度公差帶

然而,實(shí)際測(cè)量時(shí),由于φ80 mm與φ100 mm圓柱孔兩個(gè)軸線存在同軸度誤差,通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)孔多個(gè)截面圓而擬合構(gòu)造得到的實(shí)際軸線必然偏離理論軸線,并構(gòu)成一定的夾角。根據(jù)三坐標(biāo)原理,公共軸線H-K為φ80 mm與φ100 mm圓柱孔實(shí)測(cè)各截面圓擬合軸線的最小包絡(luò)區(qū)域圓柱的中心線。實(shí)際垂直度公差帶如圖9所示。由于擬合后的公共軸線H-K偏離理論軸線,產(chǎn)生夾角θ,在同軸度相同的情況下,兩組孔間距越小,夾角越大。這一夾角使垂直于公共軸線H-K且包絡(luò)實(shí)際公共軸線A-B的區(qū)域明顯放大。

由圖9可以看出,誤差放大量與偏轉(zhuǎn)夾角、被測(cè)元素實(shí)際長(zhǎng)度有關(guān),可由t=lsinθ近似計(jì)算。

▲圖9 實(shí)際垂直度公差帶

以公共軸線A-B為基準(zhǔn)測(cè)量公共軸線H-K垂直度公差如圖10所示。由于兩個(gè)φ90 mm半圓孔由同一鏜頭加工,同軸度較好,各截面圓發(fā)生的偏移很小,加之公共軸線H-K實(shí)際長(zhǎng)度比公共軸線A-B短很多,因此測(cè)量結(jié)果更接近汽車(chē)后橋減速器殼體的真實(shí)情況。

▲圖10 以公共軸線A-B為基準(zhǔn)測(cè)量公共軸線H-K垂直度公差

事實(shí)證明,對(duì)于長(zhǎng)距短孔類(lèi)零件,若采用三坐標(biāo)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)程序,單從測(cè)量數(shù)據(jù)上看,零件會(huì)被視為超差品,但此類(lèi)零件經(jīng)裝配試驗(yàn)后證明沒(méi)有問(wèn)題,說(shuō)明既不是加工設(shè)備精度低引起,也不是測(cè)量軟件計(jì)算存在誤差引起,主要原因是設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注不合理。

7 檢測(cè)評(píng)價(jià)總結(jié)

(1)汽車(chē)后橋減速器殼體孔與孔軸線的垂直度公差,采用三坐標(biāo)測(cè)量,相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)效率高,準(zhǔn)確性好,但在評(píng)價(jià)時(shí)要注意選擇合適的檢測(cè)評(píng)價(jià)方案,否則容易造成結(jié)果誤判,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

(2)對(duì)于短圓柱孔,應(yīng)盡可能在孔的全長(zhǎng)上多測(cè)幾個(gè)截面圓,以這些在同一軸線上的多個(gè)截面圓擬合構(gòu)造的公共軸線作為基準(zhǔn),減少截面圓偏移量大而間距短的情況,避免造成擬合的基準(zhǔn)軸線偏角大,從而造成誤差放大。

(3)評(píng)價(jià)基準(zhǔn)根據(jù)加工工藝的實(shí)際情況選擇,對(duì)于不合理的設(shè)計(jì)基準(zhǔn),要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)人員溝通協(xié)商進(jìn)行合理調(diào)整。

(4)為避免放大誤差,評(píng)價(jià)應(yīng)采用長(zhǎng)度較長(zhǎng)、直線度擬合較好的基準(zhǔn)軸線。

(5)盡可能提高被測(cè)元素的形狀精度,減小表面粗糙度值,避開(kāi)零件上的鑄造砂眼等缺陷。

(6)在允許的情況下,采用直徑較大的測(cè)桿和測(cè)球,有利于減小由測(cè)量系統(tǒng)引起的誤差。