CC BY
219
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ НЕКРУГЛОСТИ И НЕЦИЛИНДРИЧНОСТИ
Б.П. Тимофеев, С.Ю. Млокосевич
В работе рассмотрены основные существующие методы и средства контроля формы поперечного сечения тел вращения. Описаны особенности различных методов, их достоинства и недостатки. Дан ряд рекомендаций по выбору средств измерения.
Введение
Существует несколько общепринятых методов измерения геометрической формы тел вращения - измерения по образцовой поверхности, измерения при прецизионном вращении, разностные измерения.
Измерения по образцовой поверхности заключается в сравнении детали с подобной ей образцовой, погрешности формы которой настолько малы по сравнению с допустимой погрешностью измерения, что ими можно пренебречь. Примером может служить измерение формы вала, когда на его концах установлены два кольца, отклонения от круглости которых пренебрежимо малы. Измерения производятся при помощи трех датчиков. Два установлены на образцовые кольца и позволяют замерить траекторию движения вала в процессе измерения. Один датчик перемещается вдоль вращающегося вала. Показания датчиков определенным образом суммируются, в результате чего удается исключить колебания оси вращения в пространстве.
К проверке по образцовой поверхности можно отнести также способ контроля «на краску». Проверка «на краску» возможна лишь в том случае, если размеры поверяемой и образцовой поверхности одинаковы или очень близки. Примером может служить производство конусных калибров.
Измерения при прецизионном вращении - это самый точный и наиболее широко распространенный в настоящее время в промышленности метод измерения отклонения круглости, позволяющий проводить измерения нецилиндричности. Конструктивно он реализуется в трех вариантах (рис. 1): кругломеры с прецизионным шпинделем, с центрами и со сферическими опорами. Сущность способа прецизионного вращения сводится к тому, что создается независимая от проверяемой поверхности система, одна из деталей которой (или группа деталей) может совершать вращательное движение. Конструкция системы такова, что вращающаяся деталь практически имеет лишь одну степень свободы - возможность поворота вокруг некоторой оси. Тогда траектория любой точки вращающегося элемента будет являться кривой, которая может быть принята за образцовую окружность. Аналогично, если рассмотреть обращенный вариант, то образцовой окружностью будет траектория любой точки пространства, неподвижной относительно вращающегося узла. Чтобы сопоставить профиль проверяемой поверхности с этой окружностью, нужно сцентрировать деталь относительно оси вращения и обкатать ее измерительной головкой, чувствительной к малым линейным перемещениям. При движении головки относительно детали колебания радиуса (т.е. отклонение от круглости) последней вызывают перемещения наконечника измерительной головки, которые преобразуются в электрический сигнал, используемый после усиления и преобразования для управлением регистрирующим прибором.
В конструктивном варианте, изображенном на рис. 1, а, измерительная головка жестко закрепляется на прецизионно вращающемся шпинделе, а проверяемая деталь устанавливается под шпинделем на координатном столике, обеспечивающем возможность ее точного центрирования и нивелировки. Во время измерения деталь остается неподвижной. Достоинство этого варианта в том, что наиболее ответственный узел прибора - прецизионный шпиндель - не нагружается весом проверяемой детали. На-
грузка на шпиндель определяется только его собственной массой и массой измерительной головки. В процессе работы эта нагрузка всегда остается постоянной. Тем самым обеспечиваются благоприятные условия для длительного сохранения, точности, достигнутой при изготовлении шпинделя.
Рис. 1. Измерения при прецизионном вращении
В то же время рассматриваемая схема имеет и ряд недостатков. Во-первых, расстояние от торца детали до проверяемого сечения лимитируется длиной щупа измерительной головки. Длину щупа нельзя увеличивать беспредельно, так как при этом пропорционально уменьшается коэффициент усиления прибора и, кроме того, длинные щупы подвержены вибрации, искажающей результаты измерения. Поэтому может оказаться невозможной проверка длинного вала или глубокого отверстия. Во-вторых, схема с вращающейся измерительной головкой ограничивает возможности измерения взаимного расположения отдельных сечений поверхности. На шпинделе практически можно установить только одну измерительную головку, поэтому одновременная проверка нескольких сечений исключается. При необходимости проверить соосность двух поверхностей детали или двух сечений одной и той же поверхности приходится пользоваться приспособлениями или проводить измерения по специальной методике с последующей дополнительной обработкой результатов.
В вариантах, показанных на рис. 1, б, в, проверяемая деталь устанавливается, центрируется, нивелируется на поворотном шпинделе-столике и вращается вместе с ним относительно неподвижной во время проверки измерительной головки, размещенной на отдельной стойке. В данном случае все сечения детали одинаково доступны для измерения, и чтобы перейти от одного сечения к другому, достаточно переместить измерительную головку по стойке. При этом легче сочетать проверку круглости с контролем взаимного расположения различных сечений и поверхностей детали. Принципиально возможно применение двух или более измерительных головок одновременно. Таким образом, данная схема измерения обеспечивает более широкие метрологические возможности, чем схема с вращающейся измерительной головкой. Однако область
применения приборов с вращающимся столом ограничена, так как нагрузка от проверяемой детали воспринимается теми же опорами, которые обеспечивают прецизионное вращение. Требования, предъявляемые к точности работы опор, лимитируют как допустимую массу проверяемой детали, так и в определенной степени ее конфигурацию, поскольку асимметричная нагрузка отрицательно влияет на точность вращения.
Данные схемы позволяют производить измерение отклонения от цилиндричности, однако для этого необходима дополнительная математическая обработка результатов, выделяющая наклон оси детали к оси вращения прибора.
Проверка в центрах (рис. 1, г) также может рассматриваться как один из вариантов контроля круглости способом прецизионного вращения. Независимая от проверяемой поверхности система, обеспечивающая вращение, представлена здесь опорными центрами прибора и центровыми гнездами детали. Конструктивно такая система очень проста, но технологически выполнить ее с высокой степенью точности сложно, тем более что один из основных компонентов - центровые отверстия детали - не является стационарной частью прибора, а принадлежит проверяемой детали и меняется при ее замене. Погрешность вращения в центрах зависит от ошибок формы и взаимного расположения центровых гнезд самой проверяемой детали, центров прибора, на которые она устанавливается при проверке, и центров станка, использовавшегося для окончательной обработки детали. Отдельные звенья этой системы поверхностей выполняются независимо друг от друга, так что точность их сопряжения технологически не обеспечивается. При измерении отклонения от круглости одной и той же детали на нескольких центровых приборах результаты часто расходятся на 1,5-2 мкм. Поэтому обычная проверка в центрах используется лишь для ориентировочной оценки отклонений формы или при контроле деталей невысоких классов точности.
Более высокую точность вращения получают при использовании так называемых «шариковых центров». В этом случае (рис. 1, д) и деталь, и центры прибора имеют центровые гнезда, между которыми закладываются точные шары. Диаметр шаров выбирается так, чтобы контакт между шаром и центровым гнездом осуществлялся не по фаске, а по конической поверхности последнего. Желательно использовать одни и те же шары и при окончательном шлифовании, и при проверке детали.
Дальнейшее повышение точности достигается переходом к вращению детали в сферических опорах (рис. 1, е). Качественное отличие этого способа от традиционных проверок в центрах заключается в том, что центровые гнезда детали полностью исключаются из системы поверхностей, обеспечивающих ее вращение. Концы детали жестко закрепляются в патронах, каждый из которых связан с подвижным элементом соответствующей сферической опоры. Последние выполняются в виде шара и внутренней полусферы, притертых в паре и снабженных системой канавок для подачи смазки. Обе опоры замыкаются в единую систему через проверяемую деталь и обеспечивают прецизионное вращение последней относительно оси, проходящей через центры сфер. Центрирующие механизмы, встраиваемые в патроны, позволяют совместить ось детали с осью вращения. Сопрягаемые поверхности опор могут быть изготовлены с очень высокой точностью и способны выдерживать большие нагрузки, поэтому данный способ удобен при прецизионном контроле крупногабаритных тяжелых валов. Как и при измерении в центрах, оптимальным является вертикальное расположение оси проверяемой детали. Вертикальная компоновка снижает деформации, обусловленные собственной массой детали и влияющие на точность измерения.
Измерения отклонения от цилиндричности в данном случае возможны, однако здесь также необходимо выделять положение оси.
Так или иначе, для определения отклонения от цилиндричности нужно проведение дополнительной математической обработки результатов. Современные измери-
тельные системы, как правило, снабжены необходимым аппаратным и программным оборудованием (рис. 2).
Рис. 2. Talyrond 300
Следующий рассматриваемый метод - разностные измерения. Термин «разностные» отражает основную характерную особенность рассматриваемых измерений: в каждый данный момент измеряется не абсолютное значение интересующей нас функции, а разность между ее последовательными значениями, разделенными определенным промежутком. Различные схемы разностных измерений из ISO 4292 приведены на рис. 3, а-г:
Рис. 3. Разностные схемы
На рис. 3, а, б показаны двухточечные измерительные схемы, в, г - трехточечные.
Основная особенность разностных измерений состоит в следующем. Если считать, что профиль детали является периодической кривой синусоидальной формы, причем на окружности укладывается п периодов отклонений, то показания прибора А будут связаны со значением отклонения от круглости Аг уравнением:
А = 1п А г, (1)
где |п - коэффициент пропорциональности, называемый обычно «коэффициентом воспроизведения»,
I п = I (а, в, П). (2)
Каждый конкретный прибор с фиксированными значениями а и в имеет разные коэффициенты воспроизведения для разных гармонических составляющих отклонений формы профиля проверяемой детали. Поскольку обычно профиль детали не является геометрически правильной фигурой, а представляет собой сумму различных гармоник, отличающихся друг от друга периодами, амплитудами и фазами, установление зависимости между А и А г - сложная математическая задача, и по непосредственным результатам проверки на двух- или трехконтактном приборе судить об отклонении от круглости детали можно лишь весьма приближенно. Применять эти приборы для измерения отклонения от цилиндричности возможно, математически исключая методическую погрешность.
Недостатком всех призматических приборов является наличие некоторой зоны нечувствительности. Чтобы обойти этот неприятный факт, возможно использование нескольких призм (приборы фирмы «ВепсНх», рис. 4).
Рис. 4. Схема кругломера фирмы «Веп^х»
Другой способ - использование многозвенных призм (кругломеры с многоступенчатыми самоустанавливающимися опорами фирмы «Техномаш», рис 5).
Рис. 5. Кругломер РОЫ-РПо!
Заключение
Выбор измерительного средства определяется исходя из конкретного технического задания. В целом можно сказать, что в первом приближении отклонение от кругло-сти можно оценить в центрах или на призмах. Для проведения более точных измерений можно использовать разностные кругломеры. Наиболее точно форму сечения позволяют измерить кругломеры с прецизионным вращением.
В том случае, если требуется произвести измерение в цеховых условиях (например, сразу после обработки детали непосредственно на станке) можно использовать только разностные кругломеры (в простейшем случае - призмы, схема «наездник»). Эти же приборы - единственные, способные проводить измерения крупногабаритных деталей (массой более тонны).
Следует отметить одну особенность разностных измерений. Погрешность таких приборов не имеет постоянной составляющей (не считая погрешности используемого измерительного преобразователя). Чем меньше измеряемая величина отклонения формы, тем меньше погрешность ее измерения. Кругломеры с прецизионным вращением имеют постоянную составляющую погрешности, обусловленную биением шпинделя. Получается парадокс - простые по конструкции разностные кругломеры позволяют проводить измерения формы точных поверхностей с меньшей погрешностью, чем сложные дорогостоящие кругломеры с прецизионным шпинделем.
Литература
1. Авдулов А.Н. Контроль и оценка круглости деталей машин. М.: Изд. стандартов, 1974.
2. ГОСТ 17353-89. Приборы для измерений отклонений формы и расположения поверхностей вращения. Типы, общие технические требования.
3. ГОСТ 24642-81 (СТ СЭВ 301-76). Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения.
4. Патент №2134404. Накладной кругломер.
5. D.J. Witehouse. Handbook of surface metrology. Institute of Phisices Publishing Bristol and Philadelphia, 1994.
6. ISO 4291-1985E. Methods for the assessment of departure from roundness - Measurement of variations in radius.
7. ISO 4292-1985E. Methods for the assessment of departure from roundness - Measurement by two- and three-point methods.
8. ISO 6318-1985 Е. Measurement of roundness - Terms, definitions and parameters of roundness.
