文/錢笑臨1 潘 華2 錢文俊2 陳彥杰2

一、花鍵的特點(diǎn)和應(yīng)用

花鍵零件在機(jī)動(dòng)車中主要用于運(yùn)動(dòng)過程的扭矩傳遞[1]。常見的花鍵有兩種：矩形花鍵和漸開線花鍵。矩形花鍵多齒工作，承載能力高，對(duì)中性好，導(dǎo)向性好，齒根較淺，應(yīng)力集中較小。如：汽車變速器輸入軸花鍵，多采用矩形花鍵。漸開線花鍵的齒輪廓為漸開線，收載時(shí)齒上有徑向力，能起自定心的作用，使各齒受力均勻，具有強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，漸開線花鍵連接適用于載荷較大、定心精度要求較高、尺寸較大的應(yīng)用場(chǎng)合。與矩形花鍵比較，漸開線花鍵齒數(shù)多，齒端、齒根部厚、承載能力強(qiáng)，易于自動(dòng)定心，安裝精度高。同時(shí)，漸開線花鍵鍵齒較短，齒根較寬，不發(fā)生根切的齒數(shù)較小。

花鍵量廣泛用于花鍵孔、軸零部件批量生產(chǎn)中的過程檢驗(yàn)。其自身精度要求較高，檢測(cè)項(xiàng)目有：齒厚、齒槽寬和小徑等參數(shù)。與之相關(guān)的檢測(cè)應(yīng)用有：以光學(xué)分度頭檢測(cè)齒距累積誤差；以專用量規(guī)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的外星輪、三銷軸叉；齒輪測(cè)量機(jī)對(duì)花鍵的綜合檢測(cè)等[2]。

二、檢測(cè)依據(jù)與檢測(cè)方法分析

1.關(guān)于檢測(cè)依據(jù)

花鍵量規(guī)檢測(cè)依據(jù)主要有：GB/T 5106-2012《圓柱直齒漸開線花鍵量規(guī)》和JJF 1557-2016《圓柱直齒漸開線花鍵量規(guī)校準(zhǔn)規(guī)范》。環(huán)規(guī)是量規(guī)的一種形式。對(duì)于花鍵環(huán)規(guī)，GB/T 5106-2012包含了“非全齒通段環(huán)規(guī)”的要求和環(huán)規(guī)棒間距的檢驗(yàn)方法。環(huán)規(guī)棒間距也是很多企業(yè)用戶著重控制的一個(gè)參數(shù)。JJF 1557-2016中關(guān)于花鍵環(huán)規(guī)的參數(shù)包括齒厚（S）、齒槽寬（E）、環(huán)規(guī)小徑（Dii）、齒形（Fα）齒向（Fβ）誤差、分度誤差（Fр）[3]。

2.檢測(cè)方法分析

GB/T 5106-2012、JJF 1557-2016兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于花鍵環(huán)規(guī)的檢測(cè)都做了介紹。具體的檢測(cè)實(shí)施需要根據(jù)給出的建議，選擇適合的設(shè)備和量具來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。下文將根據(jù)影像儀的應(yīng)用特點(diǎn)加以闡述和分析（見表1）。

表1 GB/T 5106-2012 與JJF 1557-2016中花鍵環(huán)規(guī)的檢測(cè)方法

在GB/T 5106-2012中簡(jiǎn)單地給出了推薦的方法，未作更為詳細(xì)描述或規(guī)定。JJF 1557-2016中則給出了每個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)器和檢測(cè)過程實(shí)施的具體要求。從這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)給出的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法中有幾點(diǎn)值得關(guān)注。

① 環(huán)規(guī)小徑參數(shù)

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別以測(cè)長(zhǎng)儀和三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，都屬于接觸式測(cè)量。雖然，最終結(jié)果都是輸出直徑，但評(píng)價(jià)方式上有本質(zhì)的區(qū)別。以測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)量直徑屬于兩點(diǎn)法檢測(cè)，直接給出兩點(diǎn)間的線性尺寸。三坐標(biāo)采集若干點(diǎn)后，提取的圓在擬合方式上有最小二乘法、最大內(nèi)接和最小外切等方式，規(guī)范中并未展開討論。

② 環(huán)規(guī)齒槽寬

當(dāng)以塊規(guī)和量棒進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的規(guī)格配置不同的塊規(guī)組合，必須加入塊規(guī)校準(zhǔn)證書給出的修正量進(jìn)行計(jì)算。拼接塊規(guī)和修正值的計(jì)算對(duì)檢測(cè)人員的手法、經(jīng)驗(yàn)有較高的要求，對(duì)于不同規(guī)格的花鍵環(huán)規(guī)的檢測(cè)將重復(fù)以上過程，對(duì)時(shí)間也有較大需求。

③ 環(huán)規(guī)齒厚和環(huán)規(guī)齒槽寬兩個(gè)參數(shù)

GB/T 5106-2012中的7.1.1和7.3.1分別規(guī)定了必須對(duì)所有鍵齒和齒槽進(jìn)行測(cè)量。那么，當(dāng)使用測(cè)長(zhǎng)儀檢測(cè)時(shí)，測(cè)量的次數(shù)為齒數(shù)的0.5×齒數(shù)（次）（偶數(shù)齒環(huán)規(guī)）或0.5×（齒數(shù)+1）（次）（奇數(shù)齒環(huán)規(guī)），并且兩次測(cè)量間需重新固定三針后，調(diào)整至讀數(shù)拐點(diǎn)位置。

④ 不同規(guī)格的環(huán)規(guī)

根據(jù)GB/T 5106-2012的D.2.4在實(shí)施接觸式測(cè)量時(shí)對(duì)量棒直徑進(jìn)行計(jì)算。三針多用于外螺紋中徑的測(cè)量，規(guī)格有限，當(dāng)用于花鍵環(huán)規(guī)時(shí)，需加以訂制[5]。

⑤ 單項(xiàng)誤差

單項(xiàng)誤差包括：齒型誤差、齒向誤差和分度誤差。該項(xiàng)目的檢驗(yàn)需將檢測(cè)對(duì)象在空間上進(jìn)行調(diào)心調(diào)平，沿圓周方向?qū)X面進(jìn)行連續(xù)掃描。因此，只能以齒輪測(cè)量中心配專用的軟件模塊進(jìn)行檢測(cè)。

三、花鍵環(huán)規(guī)的影像法檢測(cè)的實(shí)施

測(cè)量設(shè)備：HEXAGON Optiv Advance 862復(fù)合式高精度影像儀檢測(cè)尺寸，設(shè)備最大允許誤差計(jì)算公式：

軟件系統(tǒng)：PC-DIMS；專用工裝。測(cè)量對(duì)象為某規(guī)格花鍵環(huán)規(guī)，由于齒厚、齒槽寬都可以通過跨棒距的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行公式轉(zhuǎn)換，因此檢測(cè)參數(shù)為環(huán)規(guī)小徑、跨棒距。檢測(cè)過程如下：

1.建立坐標(biāo)系

① 將工件抵靠在專用工裝的V型口上，以壓板固定。將鏡頭十字線移動(dòng)至花鍵上方，視場(chǎng)內(nèi)至少包含一個(gè)完整的齒。在0o與180o象限位第一齒面兩側(cè)分別構(gòu)造兩根二維直線（見圖1、圖2）。

圖1 直線元素提取

圖2 構(gòu)造交點(diǎn)

② 兩組直線分別使用構(gòu)造點(diǎn)命令求出交點(diǎn)（圖3），使用構(gòu)造線命令提取兩個(gè)交點(diǎn)的連線（見圖4）作為基準(zhǔn)軸線，交點(diǎn)中心作為零點(diǎn)。

圖3 構(gòu)造直線

圖4 視場(chǎng)范圍

2.環(huán)規(guī)小徑的檢測(cè)

① 將鏡頭十字線移動(dòng)至花鍵上方，視場(chǎng)內(nèi)至少包含兩個(gè)完整的齒。鼠標(biāo)左鍵在齒頂（圖5）分別點(diǎn)擊兩次獲得一段曲線。

圖5 構(gòu)造理論圓

② 移動(dòng)鏡頭視場(chǎng)以零點(diǎn)為圓心在圓周上的多個(gè)位置重復(fù)上一步操作獲得多段曲線，根據(jù)技術(shù)要求中的擬合方式，將分段曲線擬合為一個(gè)完整圓。創(chuàng)建距離命令，輸出直徑結(jié)果。

3.跨棒距的檢測(cè)

在構(gòu)建幾何元素功能中選擇構(gòu)造圓命令，構(gòu)建方式為與齒面兩側(cè)曲線相切的方式。此時(shí)，對(duì)于偶數(shù)齒環(huán)規(guī)，在0o與180o位置生成了一組理論圓，該圓的直徑可以是根據(jù)GB/T 5106-2012提供量棒直徑的計(jì)算結(jié)果或是配套針規(guī)的校準(zhǔn)值。

選擇距離評(píng)價(jià)命令，在元素選擇列表中同時(shí)選中兩個(gè)理論圓（相切圓1、2）（見圖5），輸入標(biāo)稱值和極限值。對(duì)于內(nèi)花鍵，在圓選項(xiàng)中選擇“減半徑”進(jìn)行補(bǔ)償，完成跨棒距的評(píng)價(jià)。

4.檢測(cè)結(jié)果

筆者所在實(shí)驗(yàn)室與合作實(shí)驗(yàn)室選用兩種計(jì)量特性類似的影像儀分別實(shí)施檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備分別為使用影像儀1，設(shè)備最大允許誤差按公式（1）計(jì)算。

影像儀2，設(shè)備最大允許誤差公式：

高精度測(cè)長(zhǎng)儀，設(shè)備最大允許誤差計(jì)算公式：

兩種檢測(cè)方式的檢測(cè)結(jié)果和測(cè)量不確定度（跨棒距）見表2。

表2 花鍵環(huán)規(guī)檢測(cè)結(jié)果比對(duì)mm

四、結(jié)果比對(duì)分析

表2中的檢測(cè)結(jié)果均屬于線性尺寸，選擇跨棒距數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)結(jié)果分析。其中：結(jié)果1、結(jié)果2為非接觸檢測(cè)方式間的比對(duì)（比對(duì)1）；結(jié)果1、結(jié)果3為非接觸與接觸方式間的比對(duì)（比對(duì)2）。

檢測(cè)完畢后，將兩組檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)比對(duì)雙方的測(cè)量不確定度和檢測(cè)結(jié)果中的最大差值，計(jì)算出En值對(duì)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，根據(jù)以下公式（4）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

公式（4）中：

En—實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)試驗(yàn)的比率值；

Δmax—比對(duì)雙方測(cè)量結(jié)果最大差值；

U1—比對(duì)方測(cè)量擴(kuò)展不確定度；

U2—參考方測(cè)量擴(kuò)展不確定度。

判斷方法：比對(duì)雙方試驗(yàn)的|En|≤1，則認(rèn)為比對(duì)結(jié)果為滿意；|En|＞1，則認(rèn)為不滿意。

根據(jù)比對(duì)雙方的測(cè)量結(jié)果與計(jì)算公式（1）得到：

比對(duì)1（結(jié)果1與結(jié)果2）：|En|=0.26＜1；

比對(duì)2（結(jié)果1與結(jié)果3）：|En|=0.59＜1

結(jié)論：此次比對(duì)結(jié)果為滿意。

此外，由于影像儀可測(cè)得跨棒距MRi，可根據(jù)公式（5）進(jìn)一步計(jì)算得到齒槽寬E。

上述計(jì)算公式與計(jì)算過程中：

E-齒槽寬，mm；

Z-齒數(shù)；

D-分度圓直徑，mm；

Db-基圓直徑，mm；

αD-壓力角，?；

DRi-量棒直徑，mm；

MRi-棒間距，mm

五、總 結(jié)

花鍵環(huán)規(guī)的高度一般小于25mm，分度圓直徑小于180mm，齒面對(duì)端面的垂直性良好，其結(jié)構(gòu)滿足影像儀的檢測(cè)要求，不會(huì)發(fā)生遮擋或空間干涉。高精度自動(dòng)影像儀可以對(duì)花鍵環(huán)規(guī)的小徑、跨棒距實(shí)施檢測(cè)。

用于檢測(cè)的光學(xué)設(shè)備需要具備的條件有：高分辨率的可變焦鏡頭和自動(dòng)尋邊功能，在光源調(diào)整至可用范圍的條件下實(shí)現(xiàn)齒邊界的準(zhǔn)確捕捉，減小手動(dòng)尋邊帶來(lái)的測(cè)量誤差；構(gòu)造幾何元素功能，滿足理論圓棒與環(huán)規(guī)分度圓的相切位置要求；可編程功能，利用陣列功能，根據(jù)齒數(shù)與模數(shù)快速實(shí)現(xiàn)每一齒或齒槽的快速自動(dòng)檢測(cè)。相對(duì)接觸式測(cè)量大大提升檢測(cè)效率，降低成本。