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传统量具推陈出新拓展应用领域 |
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作者：上海大众动力总成公司 朱正德 来源：雅式工业专网 |
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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，也一定会发现仍有相当数量的专用量规置于工序间（见图1）。
这些用于工件粗加工、半精加工之后内孔、螺纹等相关参数测量的传统机械量具已存在了多年，期间在线检测技术也获得迅猛发展，但是鉴于这类传统机械量具、尤其是螺纹量规具有简单、直观、可靠又价廉的优势，在现场快速检测中得以留存。与此同时，留存并不意味着一成不变，下文将介绍几款历经功能拓展的新产品，它们已在国内外汽车行业获得成功应用。 
图1 排列有序的专用量规
一、读数式螺孔深度规
1.传统螺纹塞规的局限
工件经钻孔和攻牙（丝）后，必须对其深度进行控制，通常是将专用量（塞）规通端的杆部部分铣扁，制作出一台阶，形成孔深的控制界限。但在实际操作中，这种方式较难有效发挥监控作用，特别是当工件上需检测的孔处于不易看清边界的位置时。
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，便需配备不同的量规，而这种情况在箱体类零件中会频繁发生，从而不得不准备大量塞规。以一种欧洲主流汽车发动机为例，其需要测量的螺孔有99个，但是螺纹规格仅有四种，可对应的深度却有10多种，此类情况相当普遍。
2. 传统螺纹塞规的突破
丹麦Leitech公司的专利产品是对传统螺纹塞规的一次突破，其最大特点是可方便读取孔深的实测值，且只要是螺纹相同，便能利用同一量规检测不同深度的螺孔。此系列产品也能方便地拓展，以用于一般的光孔测量，最常见的就是配合螺纹孔的测量，检测工件的螺纹底孔。此外，由于其具有组合式的特点，量规本体与螺纹测头呈分体结构，只需更换测头便能十分方便地实现量规换型或更新。
Leitech系列包括三种产品（见图2），图2c只是传统量规的延伸，差别在于采用分体结构后，可通过更换螺纹测头便捷地变换量规，使同一个量规本体对应不同的测量需求，极大方便了用户。
图2 Leitech系列产品
图2b、图2a才是读数式螺纹深度规，前者为普通型，后者为精密型，两者工作原理相似：不同于传统量规，其在螺纹测头和本体（手柄）之间有一个可滑移的刻度筒。
精密型（见图2a）与普通型的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，其深度读数值可读到0.1mm，而普通型仅能达到0.5mm。
精密型的另一个特点是带有锁紧装置，可令刻度值锁定在被测后位置，同时也可在预设的刻度位置实施预先锁定。如前文所述，工件上待测螺孔往往处于不易检测和看清读数的位置，而利用锁紧装置则可在测量结束、取出量规之后才读数。
3. 量规的变换和校正
前文提及新颖的Leitech量规的分体构造，可在变更测量对象之时，只需换以相应的螺纹测头、并经过对通端的校正之后，即可投入使用。
如图3a，将Leitech公司提供的套筒套进螺纹测头的通端，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，然后用软面塑料锤将新的螺纹测头穿过刻度筒轻敲入量规本体内，便可完成测头的更换（见图3b）。 
图3 Leitech量规的变换与校正
量规深度值的校正则需通过Leitech提供的专用器具来实现，这是一个带校正盘的圆柱体，因应不同需求在端面上制作有多个圆柱孔，对应不同的螺纹测头。
旋转拨盘使其指针对准被校量规的螺距值，设定一个精确的深度值（均定为10mm），之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）放进校正器相应的孔中，捏紧并旋转量规的止端（NOT GO），使量规刻度筒上的刻线对准10mm处（见图3c），即校正深度值一律选用10mm。最后，再拧紧止端一侧的锁紧螺钉，完成对螺纹量规深度值的校正（见图3d）。操作熟练的话，上述过程仅需2~3分钟。
4. 使用效果
综上所述，这种新颖量规的优越性主要体现在：降低了生产成本，包括工量具消耗；减少了工序间检测时间；由于量规数量减少，管理成本得以降低。
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余种或更多。
据一家全面应用了Leitech螺纹量规的企业提供的情况，采用传统量规时，4种螺纹规格、逾百个螺孔的一个缸体的测量时间是71分钟，而新款量规的使用不仅大幅减少了量规数量，还将测量时间缩为39分钟。
二、 螺纹参数的实时检测
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。这种定性方法的不足之处是无法获得与螺纹相关的参数的实际值，而若借助精测室中的投影仪、测长仪、工具显微镜，乃至三座标测量机等手段，又不太适合现场的快速测量。
1. 工作原理
Johnson螺纹测量仪也是适用批量生产而研制，采用了熟知的比较测量原理，即相对于每一种螺纹参数相同的零件，会提供一个精确的标准件，量仪指示表上读出的是实际工件相对标准件的偏差值。
图4 测量外螺纹的工作原理（1）
图4、图5给出了测量外螺纹的工作原理，其中的图4a和图5a反映了单扣中径的测量原理，图4b和图5b、图5c则为测量作用中径的工作原理。
图5 测量外螺纹的工作原理（2）
众所周知，螺纹中径是诸多螺纹参数中最重要的一项，通用仪器测出的都是一个牙的中径值，也可称为“单扣中径”（Pitch Diameter），而对工件在螺纹的全长或一个区段的制造质量的综合评价则用“作用中径”（Function Size）来表示。
从图4a和图5b可见，外螺纹单扣中径是借助3个圆周方向等分的盘形测头进行测量的，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，其中的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方，位于上方的测头降下，嵌入同一牙螺纹后即可开始检测。
图4b和图5b、图5c给出了外螺纹作用中径的测量原理，其不同于单扣中径，此时采用的不是单一的盘形测头，而是测头上带有精密螺纹的两种测头。第一种是如图4b、图5b所示的两瓣式弧形测头，弧形内带有精密螺纹；第二种是三个独立的圆柱型螺纹测头，其布置、操作与图5a相似。至于所采用测头的宽度，可取决于用户的具体情况，或由Johnson公司在了解了被测对象特徵后提出方案。
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，通过以标准件为媒体的比较测量方法，就能准确获得螺纹的单扣中径值和作用中径值。
当工件的螺纹处于完全理想状态时，单扣中径与作用中径应相等，不相等则说明螺纹参数有误差。而通过对比两者间的偏差，又可间接分析出螺距和牙形半角的误差。
螺纹加工方式决定了其全长部分的牙形半角值相差很小，而由前文可知，检测“作用中径”的测头被制成与需要检测的工件完全相同的精密螺纹，包括牙形半角。通过利用已校准的Johnson检具的单扣中径测头，先测量工件末端的一牙完整的螺纹，再利用“作用中径”测头的一侧，卡在相对应处做一次测量，若两者结果不一致就表明牙形半角有偏差。
在确认工件螺纹部分的锥度符合要求，并对牙形半角的偏差有所了解之后，还可分析螺距的实际情况。类似齿轮的周节，螺距误差带有累积误差的性质，故可先将“作用中径”测头的一测卡在工件末端2~3牙处，获得读数后再向内移动，增加接触的牙数，而如若各次读数都与首次读数很相近，则表明螺距误差甚小，反之就较大。
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、牙形半角和螺距之外，还反映了圆度、锥度等形状误差的影响。
2. 应用
按工作方式的不同，Johnson螺纹测量仪可以分成台式和手持式两类。一般来讲，手持式主要用于大型工件，或对工件的螺纹部位进行在线检测，如设备上的丝杠或重要的螺孔等。
根据检测对象的不同，Johnson螺纹测量仪则可以分为单一型和综合型，前面介绍的都属单一型，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。而综合检具则可检测以螺纹为基准的相关参数，包括形位公差，如同轴度、跳动、（端面）垂直度等。 
图6 检测径向跳动
图6是一典型例子，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。图中检具的右边是一“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，让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（为减少磨损，可在回转时先微抬上测头），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6的检具还需测量外螺纹的作用中径，故还是配有一标准件，图中的局部放大图表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，从内孔转移到端面，则就能检测端面跳动，或折算为端面相对螺纹部分的垂直度。
之前提供的实例采用的都是机械式量表，如果改成带有输出接口的数显表，还可以实现数据的采集，并在输入计算机后进行各种统计分析以及打印存档。而实际上，被测螺纹的种类也不限于标准螺纹，还可扩大到T型、锥螺纹等。 (end)
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(8/1/2007) |
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