李 軍，張 蕾，謝朝陽(yáng)

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院， 北京 100072； 2.中國(guó)兵器科學(xué)研究院， 北京 100089)

核心部件結(jié)構(gòu)的尺寸公差及位置度控制，能夠直接影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的性能[1-6]。目前已有大量針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀和位置度檢測(cè)和控制的方法，包括眾多先進(jìn)的接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量手段，取得了較好的應(yīng)用效果[7-13]。位置度量規(guī)是其中一種控制措施。通過(guò)量規(guī)結(jié)構(gòu)模擬控制實(shí)際關(guān)聯(lián)殼體結(jié)構(gòu)，檢測(cè)被測(cè)要素的實(shí)際輪廓是否超越規(guī)定邊界，實(shí)現(xiàn)被測(cè)結(jié)構(gòu)位置度檢驗(yàn)，由于其不需要測(cè)出被測(cè)要素的實(shí)際尺寸和形位誤差，所以在效率和重復(fù)性上具備優(yōu)勢(shì)，適合于量產(chǎn)結(jié)構(gòu)的位置度檢驗(yàn)[14-16]。

本研究背景為一種坦克火控系統(tǒng)，其作為坦克瞄準(zhǔn)和發(fā)射系統(tǒng)，用以縮短射擊反應(yīng)時(shí)間，提高命中率，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件火控殼體精度直接影響到瞄準(zhǔn)打擊精度，因此其單件精度以及批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)產(chǎn)品一致性精度保證至關(guān)重要。為保證產(chǎn)品在裝配過(guò)程中無(wú)需選配，且滿(mǎn)足產(chǎn)品在后期保養(yǎng)維護(hù)中互換性要求，需嚴(yán)格保證關(guān)鍵殼體的孔組位置度要求。本研究旨在設(shè)計(jì)一種量產(chǎn)檢驗(yàn)用關(guān)鍵殼體孔組位置度量規(guī)，以達(dá)到精度保證要求。

1 孔組位置度檢測(cè)方式

機(jī)械零件的形狀和位置誤差是零件的主要技術(shù)參數(shù)之一[17]，其在一定程度上影響整個(gè)關(guān)鍵殼體的質(zhì)量，也影響到由這些關(guān)鍵殼體裝配的質(zhì)量。準(zhǔn)確、全面地檢測(cè)形位誤差對(duì)保證殼體產(chǎn)品質(zhì)量，滿(mǎn)足零部件互換性要求方面具有重要意義。目前對(duì)四周分布孔組位置度誤差的測(cè)量方法一般有兩種：

1) 坐標(biāo)測(cè)量裝置(如萬(wàn)能工具顯微鏡或三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x)檢測(cè)。采用該方法具有普遍適應(yīng)性，其優(yōu)點(diǎn)是能夠定量檢測(cè)孔的位置度誤差，但測(cè)量成本、時(shí)間成本高，且對(duì)于檢驗(yàn)人員的技術(shù)要求較高，適合于小批量多品種產(chǎn)品的檢驗(yàn)，或用于科研試制階段的產(chǎn)品檢驗(yàn)[18-21]。

2) 功能量規(guī)檢測(cè)。其原理是模擬零件的裝配使用，檢測(cè)時(shí)將零件模擬安裝在量規(guī)的定位銷(xiāo)上，將測(cè)量銷(xiāo)通過(guò)量規(guī)上的導(dǎo)向孔分別插入零件被測(cè)孔內(nèi)，若測(cè)量銷(xiāo)自由通過(guò)就判定零件位置度合格，否則需要做返修或報(bào)廢處理。此方法不用測(cè)出被測(cè)要素的實(shí)際尺寸和形位誤差，檢驗(yàn)效率高，比較適合于大批量生產(chǎn)零件且孔公差較小的孔組位置檢測(cè)以及批產(chǎn)階段的產(chǎn)品檢驗(yàn)[22-26]。

2 孔組位置度量規(guī)

2.1 設(shè)計(jì)原理及量規(guī)結(jié)構(gòu)

按照位置度功能量規(guī)GB/T 8069—1998的規(guī)定，當(dāng)最大實(shí)體要求應(yīng)用于被測(cè)要素和(或)基準(zhǔn)要素時(shí)，用來(lái)確定它們的實(shí)際輪廓是否超出邊界(最大實(shí)體實(shí)效邊界或最大實(shí)體邊界)的全形通規(guī)[27]。若量規(guī)能夠自由通過(guò)被測(cè)要素的實(shí)體，就表示該實(shí)體未超過(guò)規(guī)定的邊界，工件合格。它不需要測(cè)出被測(cè)要素的實(shí)際尺寸和形位誤差大小。

功能量規(guī)有4種型式：整體型、組合型、插入型和活動(dòng)型。

具有臺(tái)階形或不同尺寸插入件的插入型功能量規(guī)稱(chēng)為臺(tái)階式插入型功能量規(guī)；具有光滑插入件的插入型功能量規(guī)稱(chēng)為無(wú)臺(tái)階式插入型功能量規(guī)。

一般功能量規(guī)的工作部位由檢驗(yàn)部位、定位部位、導(dǎo)向部位3部分組成。

1) 檢驗(yàn)部位

檢驗(yàn)部位的尺寸、形狀、方向和位置應(yīng)與被測(cè)要素的邊界(最大實(shí)體實(shí)效邊界或最大實(shí)體邊界)的尺寸形狀、方向和位置相同。

2) 定位部位

若基準(zhǔn)要素為中心要素，且最大實(shí)體要求應(yīng)用于基準(zhǔn)要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應(yīng)與基準(zhǔn)要素的邊界(最大實(shí)體實(shí)效邊界或最大實(shí)體邊界)的尺寸、形狀、方向和位置相同。

若基準(zhǔn)要素為中心要素，且最大實(shí)體要求不應(yīng)用于基準(zhǔn)要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應(yīng)由基準(zhǔn)要素的實(shí)際輪廓確定，保證定位部位相對(duì)于實(shí)際基準(zhǔn)要素不能浮動(dòng)。

若基準(zhǔn)要素為實(shí)際要素，則定位部位的尺寸、形狀、方向和位置應(yīng)與實(shí)際基準(zhǔn)要素的理想要素相同。

3) 導(dǎo)向部位

導(dǎo)向部位的形狀、方向和位置應(yīng)與檢驗(yàn)部位或定位部位的形狀、方向和位置相同。

由檢驗(yàn)部位或定位部位兼作導(dǎo)向部位(無(wú)臺(tái)階式)，導(dǎo)向部位的尺寸由檢驗(yàn)部位或定位部位確定。

功能量規(guī)的檢測(cè)方式如圖1所示。

圖1 工件的圖樣標(biāo)注及功能量規(guī)各工作部位的示例

2.2 功能量規(guī)零部件工作部位設(shè)計(jì)

2.2.1 功能量規(guī)設(shè)計(jì)中使用符號(hào)的意義

2.2.2 功能量規(guī)計(jì)算公式

功能量規(guī)工作部位尺寸的計(jì)算公式如表1所示。

表1 功能量規(guī)工作部位尺寸的計(jì)算公式

功能量規(guī)的計(jì)算公式根據(jù)工作部位的不同，包括兩種情況，一種情況是工作部位為外要素，如果工作部位類(lèi)似于孔軸配合的軸的尺寸，則其為外要素；另外一種情況是工作部位為內(nèi)要素，如果工作部位類(lèi)似于孔軸配合的孔的尺寸，則其為內(nèi)要素。需要開(kāi)展設(shè)計(jì)計(jì)算的部位包括以檢驗(yàn)部位、定位部位、導(dǎo)向部位3個(gè)部分，各個(gè)部位的尺寸及公差計(jì)算相互獨(dú)立進(jìn)行，最終形成功能量規(guī)尺寸和公差的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.3 功能量規(guī)的公差

功能量規(guī)各工作部位的公差值如表2所示，給出了功能量規(guī)不同綜合公差尺寸下，功能量規(guī)各個(gè)部分的尺寸公差、形位公差、允許磨損量及最小間隙值。

綜上，通過(guò)對(duì)孔組位置度量規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程的分析，得到其設(shè)計(jì)思路為：首先分析被測(cè)零件工作部位孔組結(jié)構(gòu)形式，分類(lèi)其為內(nèi)要素或外要素，選擇相應(yīng)的分類(lèi)計(jì)算公式；其次選定功能量規(guī)結(jié)構(gòu)及定位方式，依次設(shè)計(jì)檢驗(yàn)部位、定位部位以及導(dǎo)向部位基準(zhǔn)尺寸；最后根據(jù)被測(cè)零件位置度公差精度要求，確定孔組位置度量規(guī)檢驗(yàn)部位、定位部位以及導(dǎo)向部位精度分配，最終形成功能量規(guī)尺寸和公差的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得滿(mǎn)足檢測(cè)精度和效率要求的位置度檢驗(yàn)量規(guī)結(jié)構(gòu)。

3 關(guān)鍵殼體位置度量規(guī)設(shè)計(jì)示例

準(zhǔn)確、全面地檢測(cè)形位誤差對(duì)保證關(guān)鍵殼體產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)零部件的互換性具有重要意義。針對(duì)關(guān)鍵殼體的結(jié)構(gòu)形式及檢測(cè)要求，開(kāi)展專(zhuān)用功能量規(guī)的設(shè)計(jì)是一種通用的應(yīng)用實(shí)踐，已經(jīng)在其他行業(yè)形成了大量的研究成果[28-36]。

針對(duì)關(guān)鍵殼體結(jié)構(gòu)，被測(cè)零件中心沒(méi)有定位孔，也不是以中心孔為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，功能量規(guī)的定位部位無(wú)法插入被測(cè)零件，因此無(wú)法直接照搬GB/T 8069—1998功能量規(guī)設(shè)計(jì)。本研究調(diào)整以檢具體A、B兩個(gè)平面為測(cè)量基準(zhǔn)，使得檢具體上兩個(gè)基準(zhǔn)面與被檢殼體兩個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)本研究關(guān)鍵殼體結(jié)構(gòu)用功能量規(guī)的設(shè)計(jì)。在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，這兩個(gè)平面與加工后的關(guān)鍵殼體設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面緊密貼合，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的位置度量規(guī)僅以檢驗(yàn)工裝模板與被測(cè)關(guān)鍵殼體的接觸面為定位部位，無(wú)定位銷(xiāo)。以位置度量規(guī)的導(dǎo)向銷(xiāo)和工裝模板的導(dǎo)向孔為導(dǎo)向基準(zhǔn)，采用臺(tái)階式插入型量規(guī)，依次插入多個(gè)測(cè)銷(xiāo)，如果多個(gè)測(cè)銷(xiāo)的檢驗(yàn)部位能同時(shí)插入，則零件判為合格，否則判為不合格。

表2 功能量規(guī)各工作部位尺寸公差、形位公差、允許磨損量及最小間隙 μm

注：綜合公差Tt等于被測(cè)要素或基準(zhǔn)要素的尺寸公差(TD、Td)及其形位公差(t＇)之和，即Tt=TD(或Td)+t＇

圖2 被測(cè)關(guān)鍵殼體零件簡(jiǎn)圖

采用兩個(gè)平表面整體型臺(tái)階式插入型功能量規(guī)。用檢驗(yàn)工裝模板，將零件殼體套入工裝模板內(nèi)，將工裝模板墊在零件支耳處，在工裝模板的對(duì)應(yīng)位置加工導(dǎo)向孔，采用銷(xiāo)定位檢驗(yàn)零件支耳的位置度。

以下具體介紹位置度功能量規(guī)的尺寸鏈分析示例。

DMV=DM-t′=20-0.2=19.8 mm

Tt=TD+t′=0.2+0.2=0.4 mm

由表2可得：

T1=W1=0.008 mm

TG=WG=0.005 mm

Smin=0.004 mm

t1=0.012 mm

由功能量規(guī)檢驗(yàn)部位的基本偏差數(shù)值，可得：

F1=0.028 mm

對(duì)于檢驗(yàn)部位

d1B=DMV=19.8 mm

d1W=(d1B+F1)-(T1+W1)=(19.8+0.028)-

(0.008+0.008)=19.812 mm

對(duì)于導(dǎo)向部位

取dGB=DGB=8 mm

DGW=DGB+(TG+WG)=8+(0.005+0.005)=8.010 mm

dGW=(dGB+Smin)-(TG+WG)=

(8-0.004)-(0.005+0.005)=7.986 mm

被測(cè)孔及位置度量規(guī)檢驗(yàn)部位的尺寸公差帶如圖3所示。通過(guò)功能量規(guī)定位部位外要素基本尺寸Φ19.8 mm，結(jié)合檢驗(yàn)部位基本偏差0.028 mm，檢驗(yàn)部位尺寸公差0.008 mm，檢驗(yàn)部位允許磨損量0.008 mm，依據(jù)表1所示公式，獲得定位部位外要素的磨損極限尺寸Φ19.812 mm。

導(dǎo)向部位的尺寸公差帶如圖4所示。通過(guò)功能量規(guī)導(dǎo)向部位基本尺寸Φ8 mm，結(jié)合導(dǎo)向部位尺寸公差0.005 mm，導(dǎo)向部位允許磨損量0.005 mm，導(dǎo)向部位最小間隙為0.004 mm，依據(jù)表1所示公式，獲得導(dǎo)向部位磨損極限尺寸為Φ8.010 mm。

圖3 檢驗(yàn)部位的尺寸公差帶

圖4 導(dǎo)向部位的尺寸公差帶

圖5 位置度量規(guī)尺寸及公差

圖6 檢驗(yàn)工裝模板

在實(shí)際使用過(guò)程中，將被測(cè)關(guān)鍵殼體的A、B基準(zhǔn)與檢驗(yàn)工裝模板的C、D基準(zhǔn)緊密貼合，將關(guān)鍵殼體的支耳底面與檢驗(yàn)工裝模板的上平面靠齊，將位置度量規(guī)的測(cè)銷(xiāo)穿過(guò)檢驗(yàn)工裝模板，測(cè)銷(xiāo)的導(dǎo)向部位(即導(dǎo)向部位的活動(dòng)件)，插入檢驗(yàn)工裝模板的導(dǎo)向部位(即導(dǎo)向部位的固定件)，檢驗(yàn)部位插入被測(cè)關(guān)鍵殼體，依次插入每個(gè)被測(cè)孔位，所有孔均可插入則被測(cè)關(guān)鍵殼體孔組位置度檢測(cè)合格。

綜上，本節(jié)基于典型應(yīng)用，首先通過(guò)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的統(tǒng)一，其次分析被測(cè)零件位置度公差精度要求，分別分析孔組位置度量規(guī)檢驗(yàn)部位、定位部位以及導(dǎo)向部位考慮最小間隙以及磨損量后的基準(zhǔn)尺寸及公差，形成功能量規(guī)尺寸和公差的設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得滿(mǎn)足檢測(cè)精度和效率要求的位置度檢驗(yàn)量規(guī)結(jié)構(gòu)，展示了量規(guī)檢驗(yàn)的尺寸保證的具體應(yīng)用案列，為后續(xù)其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)孔組位置度檢驗(yàn)量規(guī)的設(shè)計(jì)提供參考。

4 結(jié)論

本研究在功能量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)關(guān)鍵殼體結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)及檢測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)了一種新結(jié)構(gòu)的孔位置度量規(guī)的分析設(shè)計(jì)計(jì)算。在合理分配量規(guī)尺寸公差基礎(chǔ)上，分別實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)部位、定位部位、導(dǎo)向部位的尺寸公差設(shè)計(jì)和尺寸鏈計(jì)算，得到了滿(mǎn)足檢測(cè)精度和效率要求的位置度檢驗(yàn)量規(guī)結(jié)構(gòu)，便捷有效地實(shí)現(xiàn)孔組位置度公差的檢驗(yàn)，解決了關(guān)鍵產(chǎn)品孔組軸線(xiàn)位置度難以控制且檢驗(yàn)效率低的問(wèn)題。目前已在實(shí)際檢驗(yàn)中批量使用，進(jìn)一步驗(yàn)證了其有效性和便捷性。此專(zhuān)用功能量規(guī)設(shè)計(jì)思路及方法具有一定的普遍適應(yīng)性，可用于指導(dǎo)類(lèi)似結(jié)構(gòu)位置度檢驗(yàn)量規(guī)的設(shè)計(jì)分析。

[1] 鄭似玉,滕金芳,羌曉青.位置度超差對(duì)軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)性能影響的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械,2016,44(11):20-24.

[2] 王鵬,石永強(qiáng),孫長(zhǎng)庫(kù).發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)合面孔位置度測(cè)量方法的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2013,34(1):51-56.

[3] 郭崇穎.復(fù)雜產(chǎn)品幾何誤差評(píng)定與裝配精度預(yù)測(cè)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

[4] 馬紅坤.提高滾筒筒皮與接盤(pán)焊接后的工藝位置度[J].工程技術(shù)(引文版),2017(1):24.

[5] 郭苗.評(píng)價(jià)位置度時(shí)基準(zhǔn)正確選擇[J].金屬加工,2016(15):4-6.

[6] 李研,李君洋,董云山.螺紋孔位置度實(shí)用檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2017,33(5):91-92.

[7] 湯志鈞,汪海華.對(duì)稱(chēng)孔位置度三坐標(biāo)測(cè)量方法的探討[J].軌道交通裝備與技術(shù),2016(4):50-51.

[8] 寇植達(dá).關(guān)于孔系位置度標(biāo)注和檢測(cè)方法的研究與探討[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2016(9):219-220.

[9] 陳朝.孔組位置度視覺(jué)測(cè)量技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2015.

[10] 孫增玉,劉柯,劉華,等.基于激光掃描的助推級(jí)位置度測(cè)量方法[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù),2016(6):78-81.

[11] 丁立軍,戴曙光,穆平安,等.逆向工程技術(shù)在零件尺寸和位置度誤差測(cè)量中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2014(3):123-126.

[12] 張曉宇.地鐵輪裝制動(dòng)盤(pán)形位公差檢測(cè)方法的改進(jìn)[J].機(jī)械工程師,2016(7):116-118.

[13] 王冬.大型收獲機(jī)械底盤(pán)機(jī)架形位誤差在線(xiàn)檢測(cè)方法研究和系統(tǒng)研制[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.

[14] 柳翔宇.對(duì)標(biāo)準(zhǔn)《功能量規(guī)》若干問(wèn)題的分析[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2001(5):10-14.

[15] 劉巽爾.GB/T 8069—1998《功能量規(guī)》簡(jiǎn)介[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2000(4):12-18.

[16] 王麗.現(xiàn)代位置度檢具設(shè)計(jì)制造新論[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2016,5(2):216.

[17] 吳瑋.零件位置度的測(cè)量能力分析[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2017,44(2):32-34.

[18] 張爽,高金剛,王華.孔組作為基準(zhǔn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量方法[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014(14):150-152.

[19] 唐海燕,于麗娟.基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的齒輪輪齒相對(duì)鍵槽位置度檢測(cè)方法[J].機(jī)械傳動(dòng),2014(5):163-165.

[20] 董戰(zhàn)坤,邱惠群.三坐標(biāo)檢測(cè)螺紋定位孔位置度方法[J].金屬加工(冷加工)冷加工,2016(s1):100-102.

[21] 全亮斌.轉(zhuǎn)盤(pán)孔徑和分度圓位置度的自動(dòng)測(cè)量[J].機(jī)械工程師,2016(3):120-121.

[22] 梁愛(ài)琴,全林斯,李冠峰.孔位置度綜合量規(guī)的設(shè)計(jì)方法研究[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995(2):161-166.

[23] 何寧珍.功能量規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)例[J].裝備制造技術(shù),2016(5):206-8.

[24] 郝嘯宇,湯志鈞.位置度檢測(cè)工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝,2017(4):25-26.

[25] 馮乾新,梁瑞麗.孔組位置度量規(guī)的設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù),2015,49(1):87-90.

[26] 董添.孔組位置度算法研究[J].工程技術(shù):文摘版,2016(4):292.

[27] GB/T 8069—1998，功能量規(guī)[S].

[28] 張直.位置度測(cè)量裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:2114804,1992-12-30.

[29] 楊俊.一種汽車(chē)零件位置度檢測(cè)裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:205245924,2016-05-18.

[30] 彭芝英.一種汽車(chē)零件開(kāi)口孔位置度檢測(cè)裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:105444671,2016-03-30.

[31] 孟國(guó)興,董建軍,黃振宇,等.用于機(jī)床的內(nèi)防護(hù)上導(dǎo)軌位置度測(cè)量裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:20560728,2016-09-28.

[32] 劉旭,高士同,成崗,等.軸套零件槽寬度和位置度檢測(cè)裝置[P].中國(guó)專(zhuān)利:205843520,2016-12-28.

[33] 梁紅日,林國(guó)勇.一種用于檢測(cè)齒輪室的軸承孔位置度的檢具[P].中國(guó)專(zhuān)利:105486190,2016-04-13.

[34] 李兵,蘭夢(mèng)輝,孫彬,等.一種位置度快速檢測(cè)裝置及測(cè)量方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:105806282,2016-07-27.

[35] 何改云,郭龍真,丁伯慧,等.一種通過(guò)優(yōu)化夾具布局控制孔組復(fù)合位置度誤差的方法[P].中國(guó)專(zhuān)利:104537172,2015-04-22.

[36] 王玉杰,殷保華.孔位置度綜合量規(guī)的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J].機(jī)械工程師,2013(9):46-48.

[37] GB/T 1804—2000，一般公差 未注公差的線(xiàn)性和角度尺寸的公差[S].