摘 要： 為（wéi）了實現深孔加工過程中孔軸線偏斜的在（zài）線測量，采用超聲（shēng）波測厚方法，通過建立測量過程中的極坐標參數模型，推導出了間接測量中測量目（mù）標與實（shí）測數據之間的函數關係；通過 Ｇｒｕｂｂｓ準則剔除粗大（dà）誤（wù）差（chà），提出了一（yī）種孔軸線（xiàn）偏斜在線測量方法．通過實例驗證，結果表明：該方法實現了深孔加（jiā）工過程中軸線的走偏方向和走偏量的精確在線檢測，測 量（liàng） 誤 差 為±０．０１ｍｍ．
 
       關鍵詞： 深孔加工；超聲波測厚；孔軸線偏斜；測量誤差
 
       隨著裝備製造工藝的不斷提高，深孔加工技術在機加工行業中（zhōng）得到廣泛應用，由於（yú）新型材料（liào）的不斷出現、深孔加工異形件的增多，深孔加工難度越來越大，同時對（duì）加工質量（liàng）的要求也不斷提高．在深孔加工質量要素（sù）當中，孔軸線的偏斜是檢驗被加工孔（kǒng）精度最（zuì）重要的指標之一，也是最（zuì）不穩定的質量要素（sù）［１］．孔軸（zhóu）線偏移即孔軸線（xiàn）的直線度誤差，是 指 被加工孔的實際軸線與理論軸線的偏差．直線度誤差是實際軸線與理想軸線之間的變動量，用於（yú）控製平麵或空間直線的形狀誤差（chà）．直線（xiàn）度公差帶的（de）形狀大致分為給定 平 麵、給 定 方 向 和 任 意 方 向 這 三 種 情（qíng）況，深孔直線度（dù）誤差（chà）屬於任意方（fāng）向的直線度誤差．由於深孔加工過程中存在著（zhe）很多不利因素，如導向套間隙過大、鑽杆剛度（dù）不足、工件材質不均、刀（dāo）具結構上的不（bú）對稱以及機床各部（bù）件裝配（pèi）中的同軸（zhóu）度誤差等（děng），會導致鑽頭的鑽（zuàn）進方向會偏離工件軸線，引起孔軸張的偏斜［２］．目前，由於深（shēn）孔加工（gōng）的 過 程 複
雜，引起孔軸線偏移的因素多樣，很難建立精確的數學模型．針對孔軸線的偏（piān）斜問題，大多數的（de）加工都（dōu）采用一（yī）定的方（fāng）法進（jìn）行減（jiǎn）小或者校正，如采用提高切削係統的精度和剛度，及時（shí）更換有磨損間（jiān）隙的導向套，對回轉類工件采用先加工（gōng）孔後以孔為基準加工外圓的工藝來消除孔軸線偏 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（jiě）決孔軸線的偏斜問題．
  
      深孔加工中，大部分孔（kǒng）的偏斜都是從鑽頭切（qiē）入工件開始，由於（yú）刀（dāo）具具有良好的自導向性，因而加工（gōng）出的孔即使有較大直線度誤差，自身仍保持（chí）著（zhe）良好的直線性，因此這種（zhǒng）偏斜（xié）是隨著孔（kǒng）深的加大而不斷加劇的．一般深孔實體鑽削過程耗時（shí）較長，若能采用在線測量的方法（fǎ）對深孔加工過程（chéng）進（jìn）行實時監（jiān）測，在加工出（chū）現偏斜趨勢時（shí）能立即對加工係統進行調整和幹預，就（jiù）可避免偏斜量的超差，從而（ér）減少和消除由孔軸線偏（piān）斜而造（zào）成的廢品率．大部分深孔零件大都具有長度（dù）大、孔徑小的（de）特點，孔內可用以直（zhí）接檢測深（shēn）孔直線度的空間非常（cháng）有限，因而（ér）直線度檢測操作難度較（jiào）大．目前，在實際生產中多使用（yòng）直線度量規法和杠杆測量法，但檢測自動化水平低，檢（jiǎn）測精度不高，易受到（dào）場（chǎng）地限製，通常用於較低精度的短孔零件直線度（dù）測量［５］．文獻（xiàn）［６］采用氣動量儀測量，將被測孔（kǒng）徑尺（chǐ）寸的（de）變化轉化成氣（qì）體流動壓（yā）力的變化或流量的（de）變化，其測量（liàng）精度高，可用於非（fēi）接觸測量（liàng），測量力小，對易變形薄（báo）壁零件的測量特別有利，適用於大批（pī）量生產測量，量儀結構簡（jiǎn）單，對環境要求低，可實現自動檢測．文獻［７］采用校直望遠鏡測（cè） 量 法，該 方 法 有 結 構 簡 單，操 作 方 便，成 本 低廉（lián），應用範圍廣，瞄準精度高等特點，但隻適合測量加工好的大通（tōng）孔．文獻［８］采用的激光準直法，具有瞄準方（fāng）便，測量效率高，測量精度（dù）較高和容易實（shí）現自動化等優點．以上在生產中使用的深孔直線度測量方（fāng）法，都是對已加工孔的直線度測量，無法（fǎ）在加工過程中實現在線測量，因（yīn）而具有事後性，無法實現在深孔加工過程中的質量控製．超聲波測（cè）壁厚法具有測量儀器體積小、結果穩定性（xìng）好、測量速度快和精度高等 優 點，是較為先進實用的一種（zhǒng）檢測手段．其測（cè）量精度與所用（yòng）儀器的分辨率有關，對零件的外圓加工表（biǎo）麵（miàn）質量要求高．對於（yú）工件不動刀具旋轉並進給的加工（gōng）過程來說，可以實現加工（gōng）過（guò）程中的（de）在（zài）線測量（liàng）並能滿足高精度測量的要求．文中采用超聲波測厚方（fāng）法，通過建立測量過程中的極坐標參數模型，導出了間接測量中測量目標與實測數據之間的函數（shù）關係，並采用最大誤差限（xiàn）幾何法（fǎ）對測（cè）量誤差進 行（háng） 估 計，以期實現深孔軸線偏斜（xié）的在線精確測量．
 
       1、測量原理和方法
 
      1.1 測量原理
 
      超聲（shēng）波在相同介質中（zhōng）傳（chuán）播時的速度是恒定（dìng）的，當遇到不同介（jiè）質分（fèn）界麵時有反射特性，根據這一特性對已加工孔的壁厚測（cè）量，從測出的固定位（wèi）置的壁（bì）厚尺寸，計算出孔軸（zhóu）線的直線度誤差．
 
     根據三點定圓的原理，要得到（dào）圓心位置（zhì）及其半（bàn）徑大小，至少要測（cè）量圓上三（sān）個點的位置，然後才可以確定在該處內孔上的偏移量δ，偏斜的（de）方向θ以及該處孔的（de）內徑（jìng）．本檢測裝置（zhì）采用３個超聲波雙（shuāng）晶探頭來檢測３個位置點的厚（hòu）度值，考（kǎo）慮到（dào）在線測量的方便性，檢測係統安裝臥式深孔（kǒng）鑽鏜床加工工件的外圓表麵，以機床坐標係為準，主軸方向為Ｚ軸，
前後水平方向為 Ｘ 軸，豎直方向為Ｙ．通過測量在Ｚ 軸上不同位置的孔壁厚，來確定在各位置處（chù）的孔軸線的偏斜情況，並依據偏斜量的大（dà）小來確定是否進（jìn）行偏斜糾正，如需要則在偏斜角的反方向進行糾正，以防止偏斜過大出現加工超差的情（qíng）況出現．每一個檢（jiǎn）測位置（zhì）由ＸＹ 平麵構成，在Ｘ 軸的正負方向上布兩個檢測點 Ⅰ 和（hé） Ⅲ，並在Ｙ 方向而一檢測點Ⅱ，探（tàn）頭聲 波 的 入 射 方 向 均 為 工 作 外（wài） 圓 的 法 線（xiàn） 方向，即指向外圓圓心（xīn），如圖１所示． 
  
     
            圖１ 偏心量測量極坐標原理圖
 
　    圖１中Ｒ 為所工件的外圓半（bàn）徑，ｒ為加工出的深孔半徑，三點處的檢測厚度分別為Ｄ１、Ｄ２ 和Ｄ３，點Ｐ（δ，θ）為 內 孔 在 該 處 截 麵 上 的 圓（yuán） 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（chū） 的 深 孔 孔（kǒng） 壁 的 交 點，其 中ｐ１、ｐ２ 和ｐ３ 為極徑，θ１、θ２ 和θ３為極角．
   
      1.2 測量方法
   
      所測三點共處於半徑（jìng）為ｒ的圓上，故（gù）有
  
     
  
      2、測量數據處理
 
      2.1 粗大誤差的剔除
 
      由於在線測量過程不（bú）穩定，容（róng）易出現測量的厚度值超過（guò）誤（wù）差（chà）限（xiàn）的粗大誤差，可以通過多次測量數據平滑的方法剔除粗大誤（wù）差，使測量誤差數據控製在測量係統誤差（chà）範圍內；由於測量次數較少，文中采用 Ｇｒｕｂｂｓ準則對粗大誤差進行消除．
  
     

     2.2 係（xì）統誤差估計
 
     係（xì）統采用間接測量方法，由於式（４）～ （５）所表示的函數比較（jiào）複雜，無法運用傳統誤差計（jì）算公式進行誤差傳遞的理論推導，文中采用幾何方法對誤差極（jí）限進行估計，建立三點厚（hòu）度的直接測（cè）量的極限誤差對孔軸線的偏心量的誤差極限（xiàn）進行估（gū）計．在被測工件布置有三個相同（tóng）型的超聲波測厚裝置，根據誤差相似原理，可以認為三個裝置的測量誤差是一致，即每個裝置的測量誤差都在 ±Δ 範圍內．根（gēn）據測量 結 構，在 Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅲ 位（wèi）置分（fèn）別確（què）定（dìng） 極限點
  
     
 

         圖２ 誤差極（jí）限點三點定圓法原理圖
   
      由 以上誤差 限 可 知，當（dāng） 測 量 誤 差 全 為 最 大（dà） 和最小極限時，測量為零誤差，當 Ｐ１ 點和 Ｐ２ 點為（wéi）最大極限（xiàn），而（ér）Ｐ３ 點為最小極限時，測量誤差最大，為２ｒ／（ｒ－δ）Δ，因而－９０°為誤差敏感方向（xiàng），即如果孔軸線沿著該方向偏斜時的測量誤差最大（dà），可估計其最大的測（cè）量偏差為 ±２ｒ／（ｒ－δ）Δ．
 
      3、測量實（shí）例及分析
 
      通（tōng）過 本 裝 置 對 采 用 ＢＴＡ 型內排屑深孔鑽床上加 工 的 管 類 零 件 進（jìn） 行 測 量，零 件 外 徑 ５０．１２ｍｍ，長度１６００ｍｍ，深 孔 孔（kǒng） 徑 １８．４ｍｍ，材 料為不鏽鋼３０４，牌號為１０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ，測厚所用 ＰＸ－７／ＰＸ－７ＤＬ型高 精 密 超（chāo） 聲 波 測 厚 儀 為 雙 晶 測 厚 探頭，測厚範圍為０．１５～２５．４ｍｍ，可調聲速範（fàn）圍為１２５０～１００００ ｍ·ｓ－１，單 個 測 頭 顯 示 分 辨 率 為０．００１ｍｍ，測量精度為±０．００５ｍｍ．
 
      3.1 聲速（sù）設定和厚度測量
 
     為確保測量準確性，在每次（cì）檢（jiǎn）測被加工深孔零件開始前，首先要確定該材料的聲速值．選（xuǎn）一該零件料頭製作成厚度（dù）為 （２０±０．００１）ｍｍ 的標準尺寸的試塊，通過測定試樣的厚度與聲波在通過該厚度時的傳（chuán）播時間計算聲速，即
  
     
  
                   表１ 三點原始（shǐ）測厚數據表（biǎo）
  
     

  
      在顯（xiǎn）著性水平０．０５下，利用 Ｇｒｕｂｂｓ準則分（fèn）別對測量結 果 進 行（háng） 判（pàn） 定，剔除數據後的數據見表（biǎo）２．將測量均值作為在該處最終測量厚度，工作外圓（yuán）半徑Ｒ 為 ２５．０６ ｍｍ，由（yóu） 此（cǐ） 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（chà）分析
  
     由於本裝置采用間接（jiē）測量方法（fǎ），因而存在（zài）誤差的傳遞，文中（zhōng）對誤（wù）差（chà）傳遞采用誤差限的方法（fǎ）作了（le）估計，在整個測量過程中，主要有如下幾類的測量誤差對測量結果有影響，即工件外圓的測量誤差Δ１，孔的圓度誤（wù）差Δ２ 和孔心位置測量誤差（chà）Δ３．這（zhè）幾類誤差相對獨立，對於一確定（dìng）本加工係統中工件，外圓測（cè）量誤差（chà）Δ１ 為±０．００１ｍｍ，孔 的 圓 度 誤 差 Δ２為±０．００１ｍｍ，孔（kǒng）心位置測量誤差為
  
     
  
     由此可得出係統測量誤差為±０．０１ｍｍ，為單超聲波測頭（tóu）精度的２倍．
 
              表（biǎo）２ 處理後（hòu）的有效測量（liàng）數據表
  
    
  
     4、結 論（lùn）
 
     1）文中通過建立測量過程中的（de）極坐（zuò）標參數（shù）模型，得到了間（jiān）接測量（liàng）中測量目（mù）標與實測數據之間的函數關係，提出了一種孔軸線偏（piān）斜在（zài）線測量方法（fǎ）．該方（fāng）法實現了深（shēn）孔加（jiā）工過程中孔軸線偏斜的（de）在線測量．
 
     2）采用最大誤差限幾何法對測量誤差進行估計，實現了深孔加工過程中軸線的走偏方向和走（zǒu）偏量的精確在線檢測（cè），測量誤差為±０．０１ｍｍ