小型制冷压缩机活塞形位误差检测实验设计与分析

杜益刚

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 山东　青岛　266000)

0　引言

制冷压缩机的性能与活塞的质量直接相关，无论是生产厂家还是用户都非常注重活塞的质量，所以高精度、高效率地检测活塞形位误差是非常必要的[1]。国外在形位误差的检测与评定方法上较为领先[2]，如美国专门从事坐标测量及表面测量的North Carolina State University的实验室就有Federal Formscan 3600圆柱度仪等；近年来，我国在形位误差测量方面有十分显著的进步，如北京机电研究院成功研制出圆柱度仪[3]，青岛四方公司与北京工业大学合作开发了多功能形位误差测量系统[4]。但上述这类专业测量系统的应用范围较狭窄，只针对特定的形位误差，专门针对中国市场开发的经济型测量设备几乎没有[5]。

1　活塞加工过程中关键误差的研究

1.1　打标位置的分析与确定

活塞压标位置不同，所引起的形位误差也不同，利用有限元进行分析计算，对压标位置的确定给予理论上的指导。在此选取了两个适合后续工序要求的位置进行分析。

如图1所示，在200 N的压力下，位置1形位误差为：圆度误差5.6 μm，圆柱度误差7.5 μm，对称度误差12.0 μm。位置2形位误差为:圆度误差10.5 μm，圆柱度误差13.7 μm，对称度误差16.2 μm。

1.2　形位误差测量方法的确定与分析

1.2.1圆度误差

图1　打标位置有限元分析

1.2.2圆柱度误差

1.2.3对称度误差

首先，对实验所要用到的检验棒进行定位，使其径向轴线成为基准轴线；然后，将万能千分表架放在平台上，再将杠杆千分尺安装在万能千分表架的适当位置上，使得测头与检验棒上的母线各测量点接触在适当的位置上，找出基准轴线；最后，对活塞对称度误差进行检测。

2　V型块的选用与分析

V型块的精度是保证活塞测量精度的基础，因此人们只能使用而不能对其任意调整，所以及时发现问题，并加以修改是非常必要的。需要解决V型块与活塞的干涉问题，检验V型块是否与活塞匹配。首先，在V型块的定位、夹紧和测量时，有时会发生干涉，需要及时发现问题，并加以改正；再次，需要调整V型块在丝杠上滑动时是否灵活，以及夹紧时力度的大小；最后，需要保证V型块定位与千分表测量的稳定性，通常来说，可以选用质量最好的合适活塞进行调整，大量多次的重复测量其稳定性。

3　活塞形位误差检测实验

3.1　圆度和圆柱度检测实验

通过测量活塞端面的半径变化量求活塞圆度和圆柱度误差，实验的器具主要有：V型块、千分表、旋转驱动装置、尾座和活塞。测量系统的度量指标如下：分度范围0°<θi<360°，分度精度为1′，径向测量范围为0 mm～12 mm，径向示值范围为0.2 mm，分度值为0.001 mm。圆度、圆柱度测量系统的结构如图2所示。

1-V型块；2-被测活塞；3-旋转驱动装置；4-千分表：5-尾座

实验步骤如下：①将活塞固定在V型块与尾座之间；②将千分表固定在工作台上，找最大值转折点调零；③开动旋转驱动装置，使得每次旋转θi=30°，读取千分表上的圆度值，即ri，共12个。根据测量结果(如表1、表2所示)，得出活塞的圆度误差f与圆柱度误差t。

表1　圆度测量数据记录

表2　圆柱度测量数据记录

所测活塞的直径为40.3 mm，根据相应公差等级，圆度、圆柱度公差标准为11。由此可见，圆度和圆柱度误差均在公差范围内，所以活塞打标后圆度和圆柱度合格。

3.2　对称度检测实验

在平台上测量活塞销孔对称度误差实验所用器具有：平台、V型块、检验棒、万能千分表架、杠杆千分表架、活塞。测量系统的度量指标如下：示值范围为0.1 mm，分度值为0.001 mm。测量系统的结构如图3所示。

1-V型块；2-被测活塞；3-检验棒；4-千分表；5-尾座

实验步骤如下：①定位检验棒，使其径向轴线成为基准轴线，将万能千分表架放在平台上，测量检验棒两个截面，观察千分表读数，并将检验棒的轴线作为基准轴线；②用V型块夹紧活塞，检验棒与销孔配合，将杠杆千分尺安装在万能千分表架上，使得测头与检验棒上的母线各测量点接触在适当的位置上。任选3个端面C-C、D-D、E-E，用千分表分别测量端面处各点读数。每个端面分别取3个点记录数据，即C1、C2、C3、D1、D2、D3、E1、E2、E3。其中起始端读数即为qi，对侧读数即为qj。

表3　对称度测量数据记录

经查活塞的对称度公差标准为20 μm，由上述对活塞对称度的检测可知，活塞对称度误差为12.8 μm，符合所要求的精度。

3.3　实际测量验证

压标设备如图4所示。实验验证条件：压力为200 N(厂方实际应用压标压力)，压标时间为0.2 s。

图4　活塞打标样机

位置1：圆度误差为5.8 μm，圆柱度误差为7.3 μm，对称度误差为11.3 μm。

位置2：圆度误差为9.3 μm，圆柱度误差为11.2 μm，对称度误差为15.3 μm。

由以上验证可知，位置1打标时，活塞的各项误差值均在正常范围内；在位置2打标时，活塞的圆柱度误差明显超差，影响了活塞零件的使用。故应选择在位置1打标。

4　结语

本文通过对制冷压缩机活塞形位误差的分析与研究，考虑到影响因素的关键程度和现实中实验条件(包

括加工过程、打标、夹具的精度)，制定了具体的测量方案。根据外部关键影响因素搭建测量设备，避免了人为旋转活塞造成的角度误差、振动等外部原因，提高了测量的精度；依据提出的关键影响因素和搭建的实验台组织实验，通过对活塞圆度误差、圆柱度误差、对称度误差的测量实验，得出每组实验数据，进行标准图纸显示形位公差的对比分析。针对目前工厂中存在的打标变形问题，给予理论上的分析，并为厂方提供了解决方案，满足了厂方要求。

参考文献：

[1]莫姣.凸轮轴形位误差在线测量方法的研究[J].上海交通大学,2011(5):33-34.

[2]王瑞.形位误差评定理论的发展状况[J].辽宁师专学报,2005，7(2):13-15.

[3]吕会宾.多功能形位误差测量系统的研制与应用[J].重型机械科技,2002(2):7-8.

[4]Chen Muchen.Roundness measurement for discontinuous perimeters via machine visions[J].Computer in Industry,2002(47):185-197.

[5]李朝国.千分表测量平面度误差原理方法及数据处理[J].金属加工,2012(6):96-97.