传统机械式量具的推陈出新
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在以批量生产为特征的企业中,用于工件内孔、螺纹等相关参数测量的传统机械式量具如专用量规等,迄今仍在工序间稳固地占有一席之地。尽管这种现象还会持续很长时间,但对传统机械式量具的功能拓展和推陈出新一直在进行。近年来出现的多种新颖的机械式量具已在国内外汽车行业获得了应用,从中体现出了传统机械式量具的发展趋势。本文主要介绍两种螺纹检测量具。

图1 加工车间工序检测点的专用量规
踏进一座现代化汽车发动机厂的机加工车间,你在惊叹先进的自动化生产线和数字化在线检测设备的同时,也一定会发现有相当数量置于工序间、排列有序的专用量规(见图1)。这些用于粗加工、半精加工后对工件内孔、螺纹等相关参数进行测量的传统机械式量具已存在很多年,在此期间,虽然在线检测技术取得了迅速发展,不少新型量仪已应用于实际生产,但上述专用量规仍稳固地在企业占有一席之地。鉴于此类传统机械式量具(尤其是螺纹量规)简单直观、可靠价廉,在现场快速检测中起到了很大作用,因此上述状况无疑还会持续下去。但这并不意味着一成不变,对传统机械式量具的功能拓展和推陈出新已经进行了多年,所推出的几种新颖产品已在国内外汽车行业获得了越来越多的应用。下面介绍两种用于螺纹测量的新型量规和专用测量仪。

1 读数式螺孔深度规

  1. 传统螺纹塞规的局限性
    工件经钻孔和攻牙(丝)后,必须对螺孔深度进行控制,虽然其公差较大(一般为数十丝,甚至达1mm以上),但测量很不方便。通常的做法是将专用量规(塞规)通端的杆部部分铣扁,制作出一个台阶,形成孔深的控制界限。但在实际操作中,这种方法难以有效发挥监控作用,尤其当工件上需要检测的孔处于不易看清边界的位置时。为了满足加工工艺对螺孔深度的控制要求,许多国内外企业在进行钻孔、攻丝时往往比额定值加深10%甚至更多,从而消耗了更多加工成本。
    传统塞规的另一个局限性是适应性差。即使零部件上的被测孔径或螺纹完全相同,只要深度各异,就必须配备不同的量规,而在箱体类零件中,孔深不同的情况是很多的,因此为满足生产之需,不得不配备大量塞规,从而增加了成本投入和管理难度。以一种欧洲的主流汽车发动机为例,其需要测量的螺孔为99个,只有4种不同的螺纹规格,但对应的螺孔深度却有10多种,此类情况相当普遍。
  2. Leitech系列读数式螺孔深度规
    丹麦Leitech公司开发的专利产品——读数式螺孔深度规是对传统螺纹塞规的一次突破,其最大特点是能够方便地读出孔深的实测值,且能利用同一量规检测相同螺纹但不同深度的螺孔。无疑,该系列产品也能方便地拓展用于一般的光孔测量,最常见的就是配合螺纹孔测量,用于检测工件的螺纹底孔。此外,该产品具有组合式特点,量规本体与螺纹测头采用分体式结构,通过更换测头能方便地实现量规换型或更新。
    Leitech系列产品包括三种型式(见图2)。其中,图2c只是传统量规的一种延伸,差别仅在于采用分体式结构后,可通过更换螺纹测头方便地完成量规变换,使同一个量规本体可适应不同的测量需求,从而给用户使用带来方便。图2a、2b为读数式螺纹深度规,前者为精密型,后者为普通型,二者的工作原理相似。与传统量规不同,读数式螺纹深度规在螺纹测头和本体(手柄)之间有一个可滑移的刻度筒。测头固连在本体上,在自由状态下(非测量时),经过校正、设置后的刻度筒前端面将很接近测头的顶端。将量规的通端旋入被测螺孔,刻度筒则逐渐进入本体,当测头到达螺纹终点而无法再进入时,即传递出螺孔的深度信息。此时,通过刻度筒上的读数就能实时反映出螺孔深度,如图2b中的读数20mm即为被测螺孔深度(未表示出工件)。精密型与普通型的主要区别在于增加了一个读数细分机构,其工作原理与游标卡尺相同,借助于该机构,深度读数值可读到0.1mm(普通型只能达到0.5mm)。精密型的另一特点是带有锁紧装置,可使刻度值锁定在被测位置,也可在设定的刻度位置预先锁定。如前所述,工件上的待测螺孔往往处于不易检测和看清读数的位置,而利用锁紧装置,就可以在测量完成取出量规后再进行读数。

    图2 Leitech系列读数式螺孔深度规


    图3 量规螺纹测头的更换和校准
  3. 量规测头的更换和校准
    如前所述,由于Leitech量规采用了新颖的分体式结构,因此当用户需要变更测量对象时,只需更换相应的螺纹测头,对通端进行校准后即可投入使用。更换测头时,将Leitech公司提供的套筒套入螺纹测头的通端,将一螺母拧紧在测头上,并贴着套筒端面拧紧,再用扳手将测头拧出(见图3a),然后用软面塑料锤将新的螺纹测头穿过刻度筒轻轻敲入量规本体内,即完成了测头更换(见图3b)。量规深度值的校准则是用Leitech公司提供的一个专用工具来实现的,它是一个带校准盘的圆柱体,其端面上根据不同需要制有多个圆柱孔,对应于不同的螺纹测头。校准时,旋转拨盘让其上的指针对准被校量规的螺距值,这样就设定了一个精确的深度值(均定为10mm)。然后先用小扳手拧松止端一侧的锁紧螺钉,再将量规的通端(GO)放入校准器相应的孔中,捏紧并旋转量规的止端(NOT GO),让量规刻度筒上的刻线对准10mm位置(见图3c),即校准深度值均选用10mm。最后拧紧止端一侧的锁紧螺钉,即完成了对螺纹量规深度值的校准(见图3d)。如操作熟练,完成上述过程仅需2~3分钟。不过相比之下,Leitech量规的此项功能更多地是用于更换新测头,即对使用一段时间后已磨损或发生其它损坏的螺纹测头予以更换。这种量具管理模式能大大降低成本,不但减少了量具报废、更新的投入,也减少了日常管理成本。
  4. 使用效果
    使用这种新型量规的优越性主要体现在:降低了生产成本,包括工量具的消耗;减少了工序间检测时间;由于减少了量规数量,降低了管理成本。
    以中小排量轿车发动机为例,其缸体、缸盖等关键零件的螺纹规格不多,主要为M6、M8、M10和M12,但每个零件上几个螺孔的深度(包括螺纹底孔)却有10多种或更多。据一家已全面采用Leitech螺纹量规的企业所提供的情况,以前采用传统量规时,测量一个有4种螺纹规格、上百个螺孔的缸体耗时71分钟。采用新型量规后,不但量规数量大大减少,而且测量时间缩短到39分钟。

图4 内、外螺纹示意图

2 螺纹参数专用测量仪

  1. 概况
    图4为一段标注了部分参数的内、外螺纹示意图。其中,螺纹中径(Pitch Diameter)是决定螺纹质量的基本参数。目前,国内外企业在生产现场对工件螺纹的检验大多采用极限量规,即分别利用螺纹环、塞规对外、内螺纹进行检测。这种定性检验方法的不足之处是无法获得螺纹相关参数的实际值,而通常安放在精测室中的投影仪、测长仪、工具显微镜乃至三坐标测量机等显然又不适合生产现场的快速检测。鉴于这一情况,美国Johnson公司开发了新颖、实用的螺纹测量仪系列产品,较好解决了上述问题。该系列测量仪主要有以下特点:
    1. 能直接测出螺纹中径和作用中径的精确值;
    2. 能测出螺纹自身形状(如锥度、圆度)及判明是椭圆形还是多棱形;
    3. 可以定性检测螺纹的螺距和牙形半角,准确给出误差来源;
    4. 能测出以螺纹为基准的相关参数(主要是形位公差),如:同轴度、跳动、锥度、(端面)垂直度等。
    Johnson螺纹测量仪的主要技术指标为:外螺纹测量范围:1~500mm,内螺纹测量范围:4.5~500mm,分辨率:1µm,适用被测工件等级:4级、5级、6级的中等精度螺纹。
  2. 测量原理
    与Leitech读数式螺孔深度规一样,Johnson螺纹测量仪也是为适用于批量生产而研制的,因此采用了大家熟悉的比较测量原理,即对应于每一种螺纹参数相同的零件(见图4)提供一个精确的标准件,测量仪的指示表读数是实际工件相对于标准件的偏差值。
    图5、图6给出了外螺纹的测量原理。其中,图5a和图6a反映了单扣中径(切削技术网站注:该值国家标准定义为单一中径)测量原理;图5b和图6b、图6c则为作用中径的测量原理。众所周知,螺纹中径是诸多螺纹参数中最重要的一项。通用量仪测出的都是一个牙的中径值,也可称为“单扣中径”(Pitch Diameter),而对于工件在螺纹全长或某个区段内制造质量的综合评价则用作用中径(Function Size)表示。从图5a和图6a可见,外螺纹的单扣中径是采用3个在圆周上等分布置的盘形测头来测量的。测头顶端呈梯形,其宽度为螺纹节线处的谷宽。测头呈“品”字形布置,其中2个固定在下方,构成类似“V”型架的态势,被测螺纹支于其上后,位于上方的测头降下,嵌入同一牙螺纹后即开始检测。

    图5 Johnson测量仪外螺纹测量原理

    a.测量单扣中径的3个盘形测头 b.测量作用中径的两瓣式弧形测头 c.测量作用中径的圆柱型测头
    图6 测头及其布置方式
    图5b和图6b、图6c给出了外螺纹作用中径的测量原理。与单扣中径的测量不同,此时不是采用单一的盘形测头,而是2种其上带有精密螺纹的测头。第1种是图5b、图6b所示的两瓣式弧形测头,弧形内带有精密螺纹;第2种是3个独立的圆柱型螺纹测头,其布置及操作方式与图6a类似。采用的测头宽度则取决于用户的具体要求,或由Johnson公司在了解被测对象特征后提出方案。无论是何种情况,只要所设计的检具能保证一组测头可靠地压紧在被测工件的螺纹部分,通过以标准件为媒介的比较测量方法,就能准确地获得螺纹的单扣中径值和作用中径值。
    检测内螺纹的工作原理与外螺纹基本相同,唯一的差别是在测量小规格螺孔的单扣中径时,由于在内孔布置三个盘形测头比较困难,因此采用的是两瓣式测头。测头的形状由盘形变成一段弧形,对向嵌入被测工件螺孔的同一牙螺纹,这种情况与测量小孔的内径量表的一组测头很相象。检测工件内螺纹的作用中径时情况相似,两瓣式测头适用于较小的螺孔(可参见图8)。
    当工件螺纹处于完全理想状态时,单扣中径与作用中径应相等,如果不相等,则说明螺纹参数存在误差。但另一方面,通过适当方式对比两者之间的偏差,又可间接地分析出螺距和牙形半角的误差,实现对它们的定性检测。螺纹加工方式决定了其全长部分的牙形半角值相差很小,而由前面的介绍可知,检测“作用中径”的测头被制成与被测工件完全相同的精密螺纹(包括牙形半角)。通过用已校准的Johnson检具的单扣中径测头先对工件末端的一牙完整螺纹进行测量,再用“作用中径”测头的一侧卡在相对应的位置作一次测量,若两者结果不一致,就表明牙形半角存在偏差。在确认工件螺纹部分的锥度符合要求及对牙形半角的偏差有所了解后,还可分析螺距的实际情况。与齿轮的周节误差类似,螺距误差也具有累积误差的性质,故可先将“作用中径”测头的一侧卡在工件末端2~3牙处,获得一个读数后再向内移动,增加接触的牙数,显然,若各次读数均与首次读数很接近,则表明螺距误差甚小,反之则较大。其实作用中径的本质就是工件螺纹段制造质量的综合反映,除了最主要的三要素——中径、牙形半角和螺距外,还反映了圆度、锥度等形状误差的影响。

    图7 台式外螺纹检具

    图8 手持式内螺纹检具
  3. 应用
    Johnson螺纹测量仪的种类很多,在采用相同工作原理的基础上,可根据用户的实际需求提供最合适的型式。
    根据工作方式的不同,Johnson螺纹测量仪可分为台式和手持式两类。图7为采用量表示值的台式外螺纹检具下方的单元用于测量单扣中径,上方的单元用于测量作用中径。图8为手持式内螺纹带表检具所采用的测头为两瓣式,分别用于测量螺纹的单扣中径和作用中径。但若将它们固定在一个底板的两个支架上,则又可成为台式检具。一般来说,手持式检具主要用于检测大型工件,或对工件的螺纹部位进行在线检测,如测量设备上的丝杠或重要的螺孔等。

    图9 综合检测实例
    根据检测对象的不同,Johnson螺纹测量仪可分为单一型和综合型。前面介绍的都属于单一型,虽然通过回转工件或移动测头以改变测量截面,还可以得到圆度、锥度的实测值,但主要还是用于测量螺纹中径。Johnson公司还开发了综合型检具,用于检测那些以螺纹为基准的相关参数,主要是形位公差,如同轴度、跳动、(端面)垂直度等。由于经过精加工的工件内孔对外螺纹有位置公差要求,故必须检测跳动这项指标。检具的右边是一作用中径检测装置,在测出中径值的同时也实现了对螺纹的定位,左边的可调滑块(板)的前端安装有一杠杆量表,其测头与工件内孔圆柱面相接触。当被测工件在夹紧位置沿一个方向间断转动时(为减少测头磨损,可在回转时先微微抬起测头),杠杆量表的最大变化值即为径向跳动。一般情况下,检测跳动这类位置公差时不需配备标准件,但由于图9检具还需测量外螺纹的作用中径,因此还是配备有一个标准件,图9的局部放大图显示了标准件的受检情况。事实上,只要改变杠杆量表测头在工件上的接触位置,将其从内孔转移到端面,就能检测端面跳动,或折算出端面相对螺纹部分的垂直度。
    上述实例采用的都是机械式量表,如果改用带有输出接口的数显量表,就可以实现数据的采集输出,并输入计算机进行各种统计分析及打印存档。实际上,被测螺纹的种类也不局限于标准螺纹,还可扩展到T型螺纹、锥螺纹等。
本文作者:大众动力总成(上海)有限公司 朱正德
原载:《工具展望》2007年第2期
上载于:2008-1-14 14:52:34

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