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        摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)深孔加工過(guò)程中孔軸線偏斜的在線測(cè)量，采用超聲波測(cè)厚方法，通過(guò)建立測(cè)量過(guò)程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，推導(dǎo)出了間接測(cè)量中測(cè)量目標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系；通過(guò) Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則剔除粗大誤差，提出了一種孔軸線偏斜在線測(cè)量方法．通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明：該方法實(shí)現(xiàn)了深孔加工過(guò)程中軸線的走偏方向和走偏量的精確在線檢測(cè)，測(cè) 量 誤 差 為±０．０１ｍｍ．
 
       關(guān)鍵詞： 深孔加工；超聲波測(cè)厚；孔軸線偏斜；測(cè)量誤差
 
       隨著裝備制造工藝的不斷提高，深孔加工技術(shù)在機(jī)加工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，由于新型材料的不斷出現(xiàn)、深孔加工異形件的增多，深孔加工難度越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)加工質(zhì)量的要求也不斷提高．在深孔加工質(zhì)量要素當(dāng)中，孔軸線的偏斜是檢驗(yàn)被加工孔精度最重要的指標(biāo)之一，也是最不穩(wěn)定的質(zhì)量要素［１］．孔軸線偏移即孔軸線的直線度誤差，是 指 被加工孔的實(shí)際軸線與理論軸線的偏差．直線度誤差是實(shí)際軸線與理想軸線之間的變動(dòng)量，用于控制平面或空間直線的形狀誤差．直線度公差帶的形狀大致分為給定 平 面、給 定 方 向 和 任 意 方 向 這 三 種 情況，深孔直線度誤差屬于任意方向的直線度誤差．由于深孔加工過(guò)程中存在著很多不利因素，如導(dǎo)向套間隙過(guò)大、鉆桿剛度不足、工件材質(zhì)不均、刀具結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱以及機(jī)床各部件裝配中的同軸度誤差等，會(huì)導(dǎo)致鉆頭的鉆進(jìn)方向會(huì)偏離工件軸線，引起孔軸張的偏斜［２］．目前，由于深孔加工的 過(guò) 程 復(fù)
雜，引起孔軸線偏移的因素多樣，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型．針對(duì)孔軸線的偏斜問(wèn)題，大多數(shù)的加工都采用一定的方法進(jìn)行減小或者校正，如采用提高切削系統(tǒng)的精度和剛度，及時(shí)更換有磨損間隙的導(dǎo)向套，對(duì)回轉(zhuǎn)類工件采用先加工孔后以孔為基準(zhǔn)加工外圓的工藝來(lái)消除孔軸線偏 斜［３－４］．這 些 方 法 盡管可減少孔軸線偏斜的程度，但不能完全解決孔軸線的偏斜問(wèn)題．
  
      深孔加工中，大部分孔的偏斜都是從鉆頭切入工件開(kāi)始，由于刀具具有良好的自導(dǎo)向性，因而加工出的孔即使有較大直線度誤差，自身仍保持著良好的直線性，因此這種偏斜是隨著孔深的加大而不斷加劇的．一般深孔實(shí)體鉆削過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，若能采用在線測(cè)量的方法對(duì)深孔加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在加工出現(xiàn)偏斜趨勢(shì)時(shí)能立即對(duì)加工系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和干預(yù)，就可避免偏斜量的超差，從而減少和消除由孔軸線偏斜而造成的廢品率．大部分深孔零件大都具有長(zhǎng)度大、孔徑小的特點(diǎn)，孔內(nèi)可用以直接檢測(cè)深孔直線度的空間非常有限，因而直線度檢測(cè)操作難度較大．目前，在實(shí)際生產(chǎn)中多使用直線度量規(guī)法和杠桿測(cè)量法，但檢測(cè)自動(dòng)化水平低，檢測(cè)精度不高，易受到場(chǎng)地限制，通常用于較低精度的短孔零件直線度測(cè)量［５］．文獻(xiàn)［６］采用氣動(dòng)量?jī)x測(cè)量，將被測(cè)孔徑尺寸的變化轉(zhuǎn)化成氣體流動(dòng)壓力的變化或流量的變化，其測(cè)量精度高，可用于非接觸測(cè)量，測(cè)量力小，對(duì)易變形薄壁零件的測(cè)量特別有利，適用于大批量生產(chǎn)測(cè)量，量?jī)x結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)．文獻(xiàn)［７］采用校直望遠(yuǎn)鏡測(cè) 量 法，該 方 法 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單，操 作 方 便，成 本 低廉，應(yīng)用范圍廣，瞄準(zhǔn)精度高等特點(diǎn)，但只適合測(cè)量加工好的大通孔．文獻(xiàn)［８］采用的激光準(zhǔn)直法，具有瞄準(zhǔn)方便，測(cè)量效率高，測(cè)量精度較高和容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)．以上在生產(chǎn)中使用的深孔直線度測(cè)量方法，都是對(duì)已加工孔的直線度測(cè)量，無(wú)法在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，因而具有事后性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在深孔加工過(guò)程中的質(zhì)量控制．超聲波測(cè)壁厚法具有測(cè)量?jī)x器體積小、結(jié)果穩(wěn)定性好、測(cè)量速度快和精度高等 優(yōu) 點(diǎn)，是較為先進(jìn)實(shí)用的一種檢測(cè)手段．其測(cè)量精度與所用儀器的分辨率有關(guān)，對(duì)零件的外圓加工表面質(zhì)量要求高．對(duì)于工件不動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)并進(jìn)給的加工過(guò)程來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的在線測(cè)量并能滿足高精度測(cè)量的要求．文中采用超聲波測(cè)厚方法，通過(guò)建立測(cè)量過(guò)程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，導(dǎo)出了間接測(cè)量中測(cè)量目標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，并采用最大誤差限幾何法對(duì)測(cè)量誤差進(jìn) 行 估 計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)深孔軸線偏斜的在線精確測(cè)量．
 
       1、測(cè)量原理和方法
 
      1.1 測(cè)量原理
 
      超聲波在相同介質(zhì)中傳播時(shí)的速度是恒定的，當(dāng)遇到不同介質(zhì)分界面時(shí)有反射特性，根據(jù)這一特性對(duì)已加工孔的壁厚測(cè)量，從測(cè)出的固定位置的壁厚尺寸，計(jì)算出孔軸線的直線度誤差．
 
     根據(jù)三點(diǎn)定圓的原理，要得到圓心位置及其半徑大小，至少要測(cè)量圓上三個(gè)點(diǎn)的位置，然后才可以確定在該處內(nèi)孔上的偏移量δ，偏斜的方向θ以及該處孔的內(nèi)徑．本檢測(cè)裝置采用３個(gè)超聲波雙晶探頭來(lái)檢測(cè)３個(gè)位置點(diǎn)的厚度值，考慮到在線測(cè)量的方便性，檢測(cè)系統(tǒng)安裝臥式深孔鉆鏜床加工工件的外圓表面，以機(jī)床坐標(biāo)系為準(zhǔn)，主軸方向?yàn)椋谳S，
前后水平方向?yàn)?Ｘ 軸，豎直方向?yàn)椋伲ㄟ^(guò)測(cè)量在Ｚ 軸上不同位置的孔壁厚，來(lái)確定在各位置處的孔軸線的偏斜情況，并依據(jù)偏斜量的大小來(lái)確定是否進(jìn)行偏斜糾正，如需要?jiǎng)t在偏斜角的反方向進(jìn)行糾正，以防止偏斜過(guò)大出現(xiàn)加工超差的情況出現(xiàn)．每一個(gè)檢測(cè)位置由ＸＹ 平面構(gòu)成，在Ｘ 軸的正負(fù)方向上布兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn) Ⅰ 和 Ⅲ，并在Ｙ 方向而一檢測(cè)點(diǎn)Ⅱ，探頭聲 波 的 入 射 方 向 均 為 工 作 外 圓 的 法 線 方向，即指向外圓圓心，如圖１所示． 
  
     
            圖１ 偏心量測(cè)量極坐標(biāo)原理圖
 
　    圖１中Ｒ 為所工件的外圓半徑，ｒ?yàn)榧庸こ龅纳羁装霃剑c(diǎn)處的檢測(cè)厚度分別為Ｄ１、Ｄ２ 和Ｄ３，點(diǎn)Ｐ（δ，θ）為 內(nèi) 孔 在 該 處 截 面 上 的 圓 心，Ｐ１（ｐ１，θ１），Ｐ２（ｐ２，θ２）和Ｐ３（ｐ３，θ３）分別為Ａ、Ｂ和Ｃ 三點(diǎn)聲波入射線與 已 加 工 出 的 深 孔 孔 壁 的 交 點(diǎn)，其 中ｐ１、ｐ２ 和ｐ３ 為極徑，θ１、θ２ 和θ３為極角．
   
      1.2 測(cè)量方法
   
      所測(cè)三點(diǎn)共處于半徑為ｒ的圓上，故有
  
     
  
      2、測(cè)量數(shù)據(jù)處理
 
      2.1 粗大誤差的剔除
 
      由于在線測(cè)量過(guò)程不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)測(cè)量的厚度值超過(guò)誤差限的粗大誤差，可以通過(guò)多次測(cè)量數(shù)據(jù)平滑的方法剔除粗大誤差，使測(cè)量誤差數(shù)據(jù)控制在測(cè)量系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)；由于測(cè)量次數(shù)較少，文中采用 Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則對(duì)粗大誤差進(jìn)行消除．
  
     

     2.2 系統(tǒng)誤差估計(jì)
 
     系統(tǒng)采用間接測(cè)量方法，由于式（４）～ （５）所表示的函數(shù)比較復(fù)雜，無(wú)法運(yùn)用傳統(tǒng)誤差計(jì)算公式進(jìn)行誤差傳遞的理論推導(dǎo)，文中采用幾何方法對(duì)誤差極限進(jìn)行估計(jì)，建立三點(diǎn)厚度的直接測(cè)量的極限誤差對(duì)孔軸線的偏心量的誤差極限進(jìn)行估計(jì)．在被測(cè)工件布置有三個(gè)相同型的超聲波測(cè)厚裝置，根據(jù)誤差相似原理，可以認(rèn)為三個(gè)裝置的測(cè)量誤差是一致，即每個(gè)裝置的測(cè)量誤差都在 ±Δ 范圍內(nèi)．根據(jù)測(cè)量 結(jié) 構(gòu)，在 Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅲ 位置分別確定 極限點(diǎn)
  
     
 

         圖２ 誤差極限點(diǎn)三點(diǎn)定圓法原理圖
   
      由 以上誤差 限 可 知，當(dāng) 測(cè) 量 誤 差 全 為 最 大 和最小極限時(shí)，測(cè)量為零誤差，當(dāng) Ｐ１ 點(diǎn)和 Ｐ２ 點(diǎn)為最大極限，而Ｐ３ 點(diǎn)為最小極限時(shí)，測(cè)量誤差最大，為２ｒ／（ｒ－δ）Δ，因而－９０°為誤差敏感方向，即如果孔軸線沿著該方向偏斜時(shí)的測(cè)量誤差最大，可估計(jì)其最大的測(cè)量偏差為 ±２ｒ／（ｒ－δ）Δ．
 
      3、測(cè)量實(shí)例及分析
 
      通過(guò) 本 裝 置 對(duì) 采 用 ＢＴＡ 型內(nèi)排屑深孔鉆床上加 工 的 管 類 零 件 進(jìn) 行 測(cè) 量，零 件 外 徑 ５０．１２ｍｍ，長(zhǎng)度１６００ｍｍ，深 孔 孔 徑 １８．４ｍｍ，材 料為不銹鋼３０４，牌號(hào)為１０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，測(cè)厚所用 ＰＸ－７／ＰＸ－７ＤＬ型高 精 密 超 聲 波 測(cè) 厚 儀 為 雙 晶 測(cè) 厚 探頭，測(cè)厚范圍為０．１５～２５．４ｍｍ，可調(diào)聲速范圍為１２５０～１００００ ｍ·ｓ－１，單 個(gè) 測(cè) 頭 顯 示 分 辨 率 為０．００１ｍｍ，測(cè)量精度為±０．００５ｍｍ．
 
      3.1 聲速設(shè)定和厚度測(cè)量
 
     為確保測(cè)量準(zhǔn)確性，在每次檢測(cè)被加工深孔零件開(kāi)始前，首先要確定該材料的聲速值．選一該零件料頭制作成厚度為 （２０±０．００１）ｍｍ 的標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試塊，通過(guò)測(cè)定試樣的厚度與聲波在通過(guò)該厚度時(shí)的傳播時(shí)間計(jì)算聲速，即
  
     
  
                   表１ 三點(diǎn)原始測(cè)厚數(shù)據(jù)表
  
     

  
      在顯著性水平０．０５下，利用 Ｇｒｕｂｂｓ準(zhǔn)則分別對(duì)測(cè)量結(jié) 果 進(jìn) 行 判 定，剔除數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)見(jiàn)表２．將測(cè)量均值作為在該處最終測(cè)量厚度，工作外圓半徑Ｒ 為 ２５．０６ ｍｍ，由 此 可 得 ｐ１ ＝９．３２８ ｍｍ，ｐ２＝９．０５０ｍｍ，ｐ３＝９．０６７ｍｍ．代 入 式（４）～（５）可得θ＝－４８．５５°，δ＝０．１９７ｍｍ．
 
     3.2 測(cè)量誤差分析
  
     由于本裝置采用間接測(cè)量方法，因而存在誤差的傳遞，文中對(duì)誤差傳遞采用誤差限的方法作了估計(jì)，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，主要有如下幾類的測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，即工件外圓的測(cè)量誤差Δ１，孔的圓度誤差Δ２ 和孔心位置測(cè)量誤差Δ３．這幾類誤差相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于一確定本加工系統(tǒng)中工件，外圓測(cè)量誤差Δ１ 為±０．００１ｍｍ，孔 的 圓 度 誤 差 Δ２為±０．００１ｍｍ，孔心位置測(cè)量誤差為
  
     
  
     由此可得出系統(tǒng)測(cè)量誤差為±０．０１ｍｍ，為單超聲波測(cè)頭精度的２倍．
 
              表２ 處理后的有效測(cè)量數(shù)據(jù)表
  
    
  
     4、結(jié) 論
 
     1）文中通過(guò)建立測(cè)量過(guò)程中的極坐標(biāo)參數(shù)模型，得到了間接測(cè)量中測(cè)量目標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，提出了一種孔軸線偏斜在線測(cè)量方法．該方法實(shí)現(xiàn)了深孔加工過(guò)程中孔軸線偏斜的在線測(cè)量．
 
     2）采用最大誤差限幾何法對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了深孔加工過(guò)程中軸線的走偏方向和走偏量的精確在線檢測(cè)，測(cè)量誤差為±０．０１ｍｍ