高精度孔距无定位间隙测量夹具设计

贵州凯星液力传动机械有限公司 (遵义 563003)叶义书 曾平安 吴晓霞

在机械加工中，凡经过重要的加工工序后，其相应的几何量都需要进行检测，以确定它们的几何量精度是否符合技术要求。

箱体类零件上的孔多为不规则分布，零件外形也呈不规则形状。孔系的中心距检验用常用的游标尺无法检测，这给生产现场的日常首检、巡检、终检带来不便。若按常规检验方法需在测量平板上操作，要使用方箱、角尺、高度尺、等高尺、量块、千分表等量具，测量好一个坐标值后，翻转零件90°，测量另一个坐标值，从而得到孔系两个方向的坐标值。这种测量方法借助的辅助量具多，由此产生的测量误差大，并且操作很不方便。为了准确测量孔系的中心距，在无专用检测量具的情况下，只能在三坐标测量机或精确度高的坐标镗床上进行测量。用三坐标测量机费用高，用坐标镗床效率低。为此介绍一种方便简单的测量夹具。

1.零件结构分析及测量基准的选择

2.测量夹具结构及技术要求

测量夹具结构如图2 所示。

图1 零件图

(2)定位件及主要尺寸的设计 设定装固定套的两孔中心距为(841.3 ±0.015)mm、(285.5 ±0.008)mm，夹具平板装轴承的四个孔D1、D2、D3、D4 中心距公差等级取IT6，具体值如图2 所示。

固定套与夹具平板的孔过盈配合。锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ的圆柱外圆分别与固定套的孔配做，保证间隙在0.005～0.01mm，并作好配对标记。弹性定位套的内锥面与锥形定位销Ⅰ的外锥面配做，菱形弹性定位套的内锥面与锥形定位销Ⅱ的外锥面配做，锥度都为1∶50，保证接触面不少于80%，并作好标记，在装配时不得装错。

图2 测量夹具图

菱形弹性定位套的圆柱部分宽度b 按推荐值，取b=8mm。

为了便于装卸，弹性定位套、菱形弹性定位套的定位外圆直径按下式计算。

定位外圆与孔的最小间隙

式中，b 是菱形弹性定位套的圆柱部分宽度;C 是两定位孔孔距偏差;Cy是两定位销中心距偏差;X2是定位孔直径;C 和Cy的值由两定位孔的孔距尺寸偏差计算而得。

弹性定位套、菱形弹性定位套的定位外圆直径d=22 -0.07=21.93mm，公差取h6，则

四个轴承选用JIS B 1514 标准、精度等级为P5的单列深沟球轴承，轴承外径与夹具平板的孔选用过盈配合。选用分度值为0.001mm 的千分表。

为了减少测量误差，测量夹具的零件加工完成后，用干冰冷却轴承和固定套，冷却后装于夹具平板上。在三坐标测量机上，以两固定套内孔为基准，测量出测量夹具D1、D2、D3、D4 四孔在X、Y 方向的中心偏移量，即制造误差(δXZ、δYZ)，在中心偏移方向把制造误差“δXZ(δYZ)=×××mm”刻于夹具平板表面。用测量夹具测量零件孔距时，补偿掉制造误差。

(3)其他件的设计 支承环与轴承内孔选用过盈配合，并要求用干冰冷却支承环后，再装于轴承内孔，当转动手柄时，支承环随轴承内圈旋转，带动千分表转动。支承表架组件可在径向方向移动，靠螺钉压在支承环上。表架选用与千分表相配的标准表架。压紧螺母压锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ使弹性定位套、菱形弹性定位套涨开，实现与孔X1、X2 无间隙定位。

3.误差分析

图3 误差分析图

(1)测量夹具在X 方向产生的测量误差 一种是定位误差。第一定位X1 和第二定位X2 都采用了弹性胀式定心装置，安装测量夹具时，压紧螺母分别压紧锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ，使弹性定位套和菱形弹性定位套胀开，与孔X1、X2 无间隙定位。但由于固定套与锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ有0.005～0.01mm 的间隙，由此在X 方向有可能产生平移或绕两定位孔X1、X2 中心连线的中点O 旋转，从而产生定位误差。当安装测量夹具向X 方向平移时，最大移动量为0.01mm。当安装测量夹具绕O 点旋转时，在X 方向产生的移动量小于安装测量夹具平移时的移动量0.01mm。因此在X 方向产生的定位误差δXD为0.01mm。

另一种是制造误差。测量夹具的四个测量点D1、D2、D3、D4 的中心偏移量(制造误差δXZ)已测出，并作了标记，在测量零件孔距时补偿掉，因此测量夹具在X 方向产生的制造误差似为零。

综上所述，当环境条件和人为等因素引起的测量误差不予考虑时，测量夹具在X 方向产生的测量误差δXC等于定位误差δXD，即δXC=δXD=0.01mm。

(2)测量夹具在Y 方向产生的测量误差 一种是定位误差。如前所述，弹性定位套和菱形弹性定位套与孔X1、X2 无间隙定位。但由于固定套与锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ有0.005～0.01mm 的间隙，由此在Y 方向有可能产生平移或绕两定位孔X1、X2中心连线的中点O 旋转，从而产生定位误差。当安装测量夹具向Y 方向平移时，最大移动量为0.01mm。当安装测量夹具绕O 点旋转时，在Y 方向产生移动，D1、D3、D4 孔在两定位孔X1、X2 之间，由绕O 点旋转在Y 方向产生的移动量小于平移时的移动量0.01mm。D2 孔在两定位孔X1、X2 之外，由绕O 点旋转在Y 方向产生的移动量为最大，因此D2孔的定位误差最大。由此可知，分析D2 孔在Y 方向的定位误差即可。D2 孔在Y 方向的移动量(定位误差)计算如下

D2孔Y方向的定位误差δD2YD=2L6=0.013 76mm。

另一种是制造误差。测量夹具的四个测量点D1、D2、D3、D4 的中心偏移量(制造误差δYZ)已测出，并作了标记，在测量零件孔距时补偿掉，因此测量夹具在Y 方向产生的制造误差似为零。

综上所述，在安装测量夹具时，D2 孔产生的移动量最大，即测量误差为最大。当环境条件和人为等因素引起的测量误差不予考虑时，测量夹具在Y方向产生的测量误差δYC等于定位误差δD2YD，即δYC=δD2YD=0.013 76mm。

从上述分析及计算可知，D2 孔产生的测量误差最大，X 方向的测量误差δXC为0.01mm，Y 方向的测量误差δYC为0.013 76mm，即测量夹具在D2 孔处的测量误差为0.013 76mm。

计算验收极限，例如尺寸(101.5 ±0.017)mm的安全裕度为0.003mm (按GB/T 3177 标准查得)。则(101.5 ±0.017)mm 的验收极限为:

上验收极限=最大极限尺寸-安全裕度-δYC/2=101.517-0.003-0.006 88=101.507mm

下验收极限=最小极限尺寸+安全裕度+δYC/2=101.483+0.003+0.006 88=101.493mm

其他孔的验收极限同样按上述方法可计算得知。计算测量误差是按极限状态计算的，在实际使用中测量夹具的平移或偏摆处于极限状态的几率极小，因此测量误差达到最大值的几率也极小。

4.使用方法

如图2 所示，把弹性定位套和菱形弹性定位套分别装于零件定位孔X1、X2，注意菱形弹性定位套的长轴线与定位孔X1、X2 的中心连线大致垂直，测量夹具装于被测零件上，并对准定位孔，装上锥形定位销Ⅰ、锥形定位销Ⅱ，注意按配对装，不能装错，用压紧螺母分别压紧锥形定位销，使其弹性定位套、菱形弹性定位套与孔X1、X2 无间隙配合。装表架于支承表架组件上，再装千分表于表架上，调整千分表在合适位置，并紧固支承表架组件、表架和千分表。转动手柄，千分表跟随转动，读取千分表在X、Y 方向指针的偏转量，偏转量的一半即为被测孔的中心测量偏移量ΔC。并记下被测孔的中心与测量夹具孔D1、D2、D3、D4 的中心的位置关系。

当被测孔的中心位于测量夹具孔的中心偏移方向时，则被测孔的中心实际偏移量ΔS为制造误差δZ(δXZ、δYZ)与测量偏移量ΔC之和，即ΔS=δZ+ΔC，被测孔的中心位于测量夹具孔的中心偏移方向(见图4)。

图4

当被测孔的中心位于测量夹具孔的中心偏移方向相反方向时，则被测孔的中心实际偏移量ΔS为制造误差δZ(δXZ、δYZ)与测量偏移量ΔC之差的绝对值，即ΔS=│δZ-ΔC│。当δZ-ΔC为正值时，则被测孔的中心在测量夹具孔的中心偏移方向(见图5);当δZ-ΔC为负值时，则被测孔的中心在测量夹具孔的中心偏移方向相反方向(见图6)。

当被测孔的中心测量偏移量ΔC=0 时，则被测孔的中心实际偏移量ΔS为制造误差δZ(δXZ、δYZ)，即ΔS=δZ，被测孔的中心位于测量夹具孔的中心偏移方向(见图7)。

图5

图6

图7

已知被测孔的中心实际偏移量ΔS和孔中心偏移方向，即可得到孔距尺寸。

5.数据对比

为了进一步验证测量夹具测量数据的准确性，随机抽取了3 个零件，用三坐标测量机与测量夹具分别测量得到的数据如附表所示。通过数据对比，测量夹具能满足设计要求。

测量数据表 (单位:mm)

6.结语

此测量夹具第一定位用弹性胀式定心装置，第二定位用菱形弹性胀式定心装置，使用方便，测量数据满足设计要求，并提高了测量效率。此夹具结构可应用于其他种类夹具的定位，可提高定位精度。