汽車減速器殼體垂直度公差檢測與評價*

□ 田正芳 □ 陳勝遷 □ 張世國

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.張家界汽車配件股份有限公司 湖南張家界 427000

1 汽車后橋減速器殼體垂直度要求

汽車后橋減速器殼體是汽車傳動系統(tǒng)中支撐兩軸線垂直相交的錐齒輪殼體類零件,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)動機(jī)的傳動扭矩輸出至兩個后輪。為保證兩組錐齒輪的安裝及嚙合精度,設(shè)計(jì)圖紙對兩組軸承孔的軸線提出了較高的垂直度要求。

汽車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對公共軸線H-K的垂直度公差為0.05 mm。

汽車后橋減速器殼體實(shí)物如圖2所示,減速器總成如圖3所示。

2 三坐標(biāo)測量機(jī)概況

三坐標(biāo)測量機(jī)是一種新型高效率精密測量儀器,具有測量精確可靠、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀、相互位置的測量,能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測及自動化測量。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求為公共軸線A-B相對于公共軸線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,探測精度為2.2 μm,L為被測尺寸。采用TP20測座,碳纖維加長桿接十字測針。

▲圖1 汽車后橋減速器殼體圖紙

▲圖2 汽車后橋減速器殼體實(shí)物

▲圖3 汽車后橋減速器總成

3 裝夾

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

▲圖4 汽車后橋減速器殼體裝夾方案

4 垂直度誤差測量

先采用手動方式粗建測量坐標(biāo)系。測量基準(zhǔn)C平面作為Z軸零點(diǎn),分別測量左右φ90 mm半圓孔半圓柱面各一個界面圓,擬合為公共軸線,作為X軸。測量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)。為避免手動測量產(chǎn)生誤差,通過軟件編程自動測量上述元素,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,不能夠通過直接測量得到。對此,測量每個孔上至少兩個截面圓,將φ80 圓柱孔的兩個截面圓與φ100 mm圓柱孔的兩個截面圓擬合構(gòu)造為公共軸線H-K,將左側(cè)φ90 mm半圓孔的兩個截面圓與右側(cè)φ90 mm半圓孔的兩個截面圓擬合構(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對公共軸線H-K的垂直度公差為0.055 mm,顯然測量結(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),測量公共軸線H-K相對于公共軸線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？

為避免測量時操作者或機(jī)器測量系統(tǒng)自身誤差的影響,筆者在測量另一汽車后橋減速器殼體時特意進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)在同樣符合測量環(huán)境要求的前提下,兩個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。

兩例測量結(jié)果顯示,以公共軸線H-K為基準(zhǔn)評價公共軸線A-B的垂直度公差,結(jié)果大于以公共軸線A-B為基準(zhǔn)評價公共軸線H-K的垂直度公差。

5 傳統(tǒng)方法檢測與裝配驗(yàn)證

為解決汽車后橋減速器殼體合格判定問題,筆者與汽車后橋減速器殼體生產(chǎn)廠家張家界汽車配件有限公司的技術(shù)工程師采用傳統(tǒng)檢測方法進(jìn)行檢測。采用傳統(tǒng)檢測方法,標(biāo)準(zhǔn)芯棒與測量孔貼合,模擬孔的軸線,將汽車后橋減速器殼體放置于檢測平臺上,用百分表測量被測軸線的垂直度。傳統(tǒng)檢測方法如圖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,保證汽車后橋減速器殼體不沿軸線移動,繞基準(zhǔn)芯棒旋轉(zhuǎn)汽車后橋減速器殼體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,第一件汽車后橋減速器殼體為合格,第二件汽車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,芯棒不能穿過兩個軸套而無法檢測。且經(jīng)產(chǎn)品組裝驗(yàn)證,第一件汽車后橋減速器殼體裝配后可以正常工作,說明三坐標(biāo)檢測以公共軸線H-K為基準(zhǔn)評價公共軸線A-B的垂直度公差可能發(fā)生誤判。

▲圖6 傳統(tǒng)檢測方法

6 原因分析

6.1 生產(chǎn)工藝造成孔軸線錯位

經(jīng)向汽車后橋減速器殼體生產(chǎn)現(xiàn)場人員了解,汽車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圓柱孔分別由兩個不同的主軸鏜頭從兩個方向精鏜完成。兩個φ90 mm半圓孔由一個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,如果加工過程中發(fā)生碰撞,會造成更大的同軸度誤差。汽車后橋減速器殼體鏜孔過程如圖7所示。

▲圖7 汽車后橋減速器殼體鏜孔過程

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規(guī)定》,垂直度公差為相對位置公差,即被測要素的實(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量,也就是圖紙中給出的用以限制被測要素偏離垂直方向所允許的最大變動范圍。公共軸線A-B對公共軸線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)際測量時,由于φ80 mm與φ100 mm圓柱孔兩個軸線存在同軸度誤差,通過測量兩個孔多個截面圓而擬合構(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、被測元素實(shí)際長度有關(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)測量公共軸線H-K垂直度公差如圖10所示。由于兩個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)際長度比公共軸線A-B短很多,因此測量結(jié)果更接近汽車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)測量公共軸線H-K垂直度公差

事實(shí)證明,對于長距短孔類零件,若采用三坐標(biāo)測量標(biāo)準(zhǔn)程序,單從測量數(shù)據(jù)上看,零件會被視為超差品,但此類零件經(jīng)裝配試驗(yàn)后證明沒有問題,說明既不是加工設(shè)備精度低引起,也不是測量軟件計(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 檢測評價總結(jié)

(1)汽車后橋減速器殼體孔與孔軸線的垂直度公差,采用三坐標(biāo)測量,相對于傳統(tǒng)檢測效率高,準(zhǔn)確性好,但在評價時要注意選擇合適的檢測評價方案,否則容易造成結(jié)果誤判,帶來經(jīng)濟(jì)損失。

(2)對于短圓柱孔,應(yīng)盡可能在孔的全長上多測幾個截面圓,以這些在同一軸線上的多個截面圓擬合構(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)評價基準(zhǔn)根據(jù)加工工藝的實(shí)際情況選擇,對于不合理的設(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,評價應(yīng)采用長度較長、直線度擬合較好的基準(zhǔn)軸線。

(5)盡可能提高被測元素的形狀精度,減小表面粗糙度值,避開零件上的鑄造砂眼等缺陷。

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