龍 慧，黃長征，李增煜，梁添煒

（韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005）

帶花鍵的齒輪作為一種基礎(chǔ)傳動(dòng)零件，在機(jī)械調(diào)速齒輪箱中廣泛使用，有時(shí)為了保證裝配精度及穩(wěn)定傳動(dòng)的需要，齒輪花鍵孔的里端要求加工有一定錐度，且里端內(nèi)錐孔的長度還有嚴(yán)格的尺寸公差要求.圖1為某一帶里端內(nèi)錐孔的花鍵齒輪結(jié)構(gòu)示意圖，該里端內(nèi)錐孔的端口為錐形，內(nèi)錐測(cè)量始點(diǎn)為A點(diǎn)，里端帶內(nèi)錐孔長度LC有公差要求.但是，目前在測(cè)量LC時(shí)，現(xiàn)有測(cè)量裝置難以定位里端內(nèi)錐長度的測(cè)量始點(diǎn)A，使里端內(nèi)錐孔的圓柱孔長度難以測(cè)量.

目前，里端內(nèi)錐孔長度測(cè)量裝置的工程應(yīng)用方法主要有離線剖切法［1］、量具測(cè)量法［2］、光學(xué)測(cè)量法［3-4］.離線剖切法耗時(shí)、耗力；量具測(cè)量法由于存在測(cè)量定位誤差和較大的測(cè)量傳遞誤差，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；光學(xué)測(cè)量法借助激光技術(shù)，測(cè)量精度高，但是成本高、效率低［5］.由于上述原因，目前實(shí)際工程中的測(cè)量方法還是難以實(shí)現(xiàn)高精度和高效率測(cè)量.

文獻(xiàn)［6］中提出一種里端內(nèi)錐孔長度測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置測(cè)量效率雖高，但測(cè)量容易發(fā)生由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱而出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，以及測(cè)量裝置存在傳遞誤差和測(cè)量尺寸校準(zhǔn)效率低，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不精準(zhǔn).為此，筆者提出一種結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔組合式長度測(cè)量裝置.該組合式長度測(cè)量裝置由定位塞桿和測(cè)量塞桿組成，定位塞桿的外錐面抵在被測(cè)圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔的過渡位置，實(shí)現(xiàn)長度測(cè)量定位；測(cè)量塞桿從被測(cè)圓柱齒輪的內(nèi)錐孔的另端插入，與定位塞桿平面配合，定位塞桿和測(cè)量塞桿均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量尺寸平穩(wěn)傳遞，再根據(jù)千分表的計(jì)數(shù)，測(cè)量出圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔的長度.

圖1 帶里端內(nèi)錐孔的花鍵齒輪

圖2 測(cè)量裝置的定位塞桿

1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

測(cè)量裝置的定位塞桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示.定位塞桿的一端呈圓臺(tái)形，端平面為一圓平面，側(cè)面為圓錐面，錐角β大于圖1所示被測(cè)齒輪花鍵孔內(nèi)錐面的錐角α，即β＞α.由于該測(cè)量塞桿的錐角大于零件的錐角，這樣定位塞桿的外錐面能抵在被測(cè)圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔，實(shí)現(xiàn)通過測(cè)量塞桿錐面抵住被測(cè)齒輪長度測(cè)量始點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的準(zhǔn)確定位.

圖3測(cè)量裝置的測(cè)量塞桿

圖4 測(cè)量裝置工作狀態(tài)示意圖

測(cè)量裝置的測(cè)量塞桿結(jié)構(gòu)示于3中.測(cè)量塞桿的一端部設(shè)有圓柱形的配合塊，其端面上設(shè)有與定位塞桿端平面相配的圓平面，即定位塞桿與測(cè)量塞桿的配合塊的配合方式采用平面配合緊密接觸.采用平面接觸傳遞，接觸面積區(qū)域大，因而定位塞桿與測(cè)量塞桿能實(shí)現(xiàn)精確配合，提高測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性.測(cè)量裝置的定位塞桿和測(cè)量塞桿均為軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，測(cè)量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)而影響測(cè)量精度，避免了操作晃動(dòng)或其它不精密操作誤差的影響.根據(jù)幾何關(guān)系，配合塊的外端面為平面，即可測(cè)量塞桿千分表的測(cè)頭頂點(diǎn)與定位塞桿端平面.

實(shí)際測(cè)量前，將測(cè)量塞桿置于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，利用量塊精確測(cè)量千分表表針頭至配合塊外端平面的距離.實(shí)際測(cè)量時(shí)，雖然測(cè)量塞桿的定位塞桿的端平面有一定的表面平整度，但在加工精度保證情況下，實(shí)際表面平整度誤差尺寸足夠小.因此實(shí)際可認(rèn)為測(cè)量塞桿的端平面將與定位塞桿的端平面的兩者完全貼合，即認(rèn)為測(cè)量塞桿與定位塞桿在端平面處完全重合.由此，便能實(shí)現(xiàn)齒輪里端內(nèi)錐孔長度從定位塞桿傳遞至測(cè)量塞桿上.測(cè)量塞桿上還設(shè)置有千分表，千分表在測(cè)量時(shí)與圓柱齒輪的端面接觸，即抵在被測(cè)圓柱齒輪里端內(nèi)錐孔長度的端點(diǎn).

測(cè)量裝置的工作狀態(tài)如圖4所示.測(cè)量裝置的定位塞桿從被測(cè)圓柱齒輪的底端插入，定位塞桿的錐面抵住被測(cè)齒輪的內(nèi)錐頂點(diǎn)A，即長度測(cè)量始點(diǎn)位置，測(cè)量始點(diǎn)A至定位塞桿端平面的距離LA為固定值.測(cè)量塞桿從被測(cè)圓柱齒輪的內(nèi)錐孔的另端插入并與定位塞桿的平面配合，測(cè)量塞桿上的千分表測(cè)頭抵在被測(cè)內(nèi)錐孔的端點(diǎn)B，即長度測(cè)量終點(diǎn)位置，定位塞桿和測(cè)量塞桿的重合配合平面至測(cè)量終點(diǎn)B的距離LB可根據(jù)千分表指示計(jì)算得知，因此被測(cè)零件的長度值LC為測(cè)量始點(diǎn)A至配合平面距離LA和配合平面至測(cè)量終點(diǎn)B的距離LB之和，即LC=LB+LA.

2 裝置測(cè)量原理

測(cè)量原理如圖5所示.測(cè)量時(shí)，由于定位塞桿的錐角β大于里端帶內(nèi)錐孔的花鍵齒輪的錐角α，定位塞桿的錐面抵住被測(cè)齒輪的內(nèi)錐頂點(diǎn)A.此時(shí)，定位塞桿的安裝關(guān)系如圖6所示，測(cè)量始點(diǎn)A為測(cè)量塞桿的錐面與花鍵齒輪圓柱孔的圓柱面的交點(diǎn)，由于測(cè)量始點(diǎn)A為花鍵齒輪圓柱面上點(diǎn)，因此根據(jù)三角計(jì)算關(guān)系，可求得測(cè)量始點(diǎn)A至定位塞桿端面的距離為LA計(jì)算式

式中：D1—花鍵孔內(nèi)徑；d1—定位塞桿端平面的直徑.

在安裝完成定位塞桿后，將測(cè)量塞桿從另一端放入，如圖5所示.此時(shí)，在重力作用下，測(cè)量塞桿與定位塞桿在端平面處完全貼合，實(shí)現(xiàn)將花鍵孔長度的測(cè)量始端經(jīng)定位塞桿傳遞至測(cè)量塞桿上.由于測(cè)量前千分表針頭至配合平面的距離為已知，再根據(jù)千分表指示，可得到端平面至千分表針頭的距離LB，最后可求得測(cè)量始點(diǎn)A至測(cè)量終點(diǎn)B的距離，即里端內(nèi)錐孔的長度LC.

批量測(cè)定某型號(hào)零件時(shí)，首先需對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定工作，即標(biāo)定定位塞桿的測(cè)量始點(diǎn)到千分表測(cè)頭端點(diǎn)的距離LC.為此，第一步需計(jì)算測(cè)量始點(diǎn)至端平面的距離LA，由于針對(duì)是某一確定型號(hào)花鍵孔，則其花鍵圓柱孔內(nèi)徑D1、定位塞桿直徑d1以及錐角β基本尺寸確定且為一恒定不變值，根據(jù)式（1）求得LA的基本尺寸；第二步需利用量塊標(biāo)定端平面至千分表針頭的距離LE.考慮千分表的使用特性和必須有一定的讀數(shù)余量，測(cè)量裝置在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須預(yù)留一定的壓縮量LD，則標(biāo)定端平面至千分表針頭的距離LE的表達(dá)式為

式中，LE為千分表在無壓縮時(shí)至配合面的距離（即標(biāo)定值），壓縮量LD必須保證被測(cè)零件的內(nèi)錐孔長度處于公差范圍內(nèi)，千分表均會(huì)產(chǎn)生有效偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)千分表有效測(cè)量.

圖5 測(cè)量原理圖

圖6 定位塞桿裝配示意圖

將式（2）代入式（1），千分表完全釋放時(shí)至標(biāo)定平面距離LE的基本尺寸計(jì)算式為

式中，LB—標(biāo)定尺寸值；LC—被測(cè)圓柱齒輪內(nèi)錐孔長度的基本尺寸；LA—某測(cè)量零件始點(diǎn)至端平面恒定長度值；LD—考慮測(cè)量范圍的壓縮量.

測(cè)量裝置標(biāo)定完成后，將千分表壓縮一定值，再旋轉(zhuǎn)千分表表盤，使千分表零刻度線對(duì)準(zhǔn)千分表指針，即完成整個(gè)測(cè)量裝置的調(diào)節(jié)工作.然后將被測(cè)零件裝配到測(cè)量裝置上，根據(jù)千分表的偏轉(zhuǎn)讀數(shù)LF，即可測(cè)量?jī)?nèi)錐孔長度 L′C為：

式中：L′C—被測(cè)齒輪的里端內(nèi)錐孔的實(shí)際值；LC—被測(cè)零件長度的基本尺寸；LF—千分表的讀數(shù)；δ表示配合公差.

3 工程實(shí)例

3.1 零件尺寸

某公司生產(chǎn)的花鍵齒輪的零件圖如圖7所示.其中，花鍵孔小徑直徑為花鍵齒輪的里端內(nèi)錐孔的放大圖如圖7(c)所示，其測(cè)量始點(diǎn)為里端內(nèi)錐結(jié)構(gòu)，其長度值為即花鍵孔長度LC合格尺寸在（27.990～28.194）mm 范圍內(nèi).

3.2 測(cè)量裝置尺寸確定

測(cè)量裝置必須與被測(cè)齒輪配合精確，減少徑向和軸向竄動(dòng)［7］.為此，如圖8所示，測(cè)量塞桿直徑基本尺寸與花鍵孔的配合尺寸為；定位塞桿與花鍵孔的配合尺寸為測(cè)量裝置的定位塞桿的錐角β設(shè)為40°，大于圖7(c)被測(cè)量零件的錐角35°，實(shí)現(xiàn)定位塞桿的精確定位.

圖7 花鍵齒輪零件圖

圖8 測(cè)量裝置與被測(cè)零件的配合尺寸

圖9 測(cè)量塞桿的標(biāo)定示意圖

3.3 測(cè)量裝置參數(shù)設(shè)定

測(cè)量開始前，首先需進(jìn)行標(biāo)定工作，測(cè)量塞桿的標(biāo)定方式如圖9所示.花鍵齒輪的花鍵孔長度基本尺寸28.092 mm，花鍵孔的小徑直徑基本尺寸為29.007 mm，設(shè)定定位塞桿端面直徑d1為10 mm，錐角β為40°，根據(jù)式（1），計(jì)算得測(cè)量始點(diǎn)至配合面的距離為LA為7.974 mm.為了保證測(cè)量裝置在被測(cè)長度上下偏差值為102 μm的范圍內(nèi)仍能滿足測(cè)量需求，另外設(shè)定48 μm的余量，以便于讀數(shù).即在標(biāo)定時(shí)過程中千分表預(yù)設(shè)150 μm的壓縮量.由此，根據(jù)測(cè)量的花鍵孔長度基本尺寸為28.092 mm，即可由式（2）計(jì)算標(biāo)定值為19.968 mm.

標(biāo)定工作完成后，壓縮千分表的壓縮值為150μm，然后，旋轉(zhuǎn)千分表表盤旋轉(zhuǎn)，使表盤零位對(duì)準(zhǔn)千分表指針.

完成整個(gè)測(cè)量裝置的調(diào)節(jié)工作后，將被測(cè)零件裝配到測(cè)量裝置上，根據(jù)千分表的偏轉(zhuǎn)量，便能直接得出花鍵孔的長度值.若千分表指針順時(shí)針或逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)在格數(shù)小于102小格，即尺寸變化0.102 mm以內(nèi)，則判定為合格產(chǎn)品；反之，為不合格產(chǎn)品.

在實(shí)際測(cè)試工作時(shí)，由于配合公差、定位塞桿及測(cè)量塞桿等制造公差影響，導(dǎo)致被測(cè)零件測(cè)量值存在誤差.因此，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)考慮這些因素，將采用更為嚴(yán)格的判斷標(biāo)準(zhǔn).如千分表的偏轉(zhuǎn)格數(shù)為80小格作為判斷產(chǎn)品合格的標(biāo)準(zhǔn).

上述測(cè)量過程由于測(cè)量裝置為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量過程十分簡(jiǎn)便，同時(shí)測(cè)量裝置采用平面?zhèn)鬟f尺寸，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)用性強(qiáng).

4 結(jié)論

工程應(yīng)用表明，該組合式長度測(cè)量裝置能實(shí)現(xiàn)里端內(nèi)錐孔長度測(cè)量.組合式長度測(cè)量裝置通過定位塞桿的錐面能實(shí)現(xiàn)測(cè)量長度定位，測(cè)量塞桿與定位塞桿利用平面?zhèn)鬟f測(cè)量尺寸，減少傳遞誤差，同時(shí)，測(cè)量裝置完全采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，測(cè)量過程簡(jiǎn)便且誤差少，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方法巧妙，成本低廉，能很好滿足工程實(shí)際需要.同時(shí)為實(shí)現(xiàn)測(cè)量里端設(shè)為各種過渡形狀的內(nèi)孔長度提供很好借鑒.

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